CN103553044A - 一种高纯度碳化硅的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高纯度碳化硅的制备方法，属于半导体材料技术领域。为了解决现有方法得到的碳化硅纯度低和环境污染严重的问题，提供一种高纯度碳化硅的制备方法，该方法包括使原料硅石或金属硅或两者的混合物的表面被含碳元素的碳源完全包裹制成原料颗粒，将原料颗粒在高温条件下发生反应制成碳化硅。本发明的方法碳化硅的纯度高，还能够减少能源的消耗和降低污染物的排放，具有对环境友好的效果。

Description

一种高纯度碳化硅的制备方法

技术领域

本发明涉及一种高纯度碳化硅的制备方法，属于半导体材料技术领域。

背景技术

近年来，已经将碳化硅（SiC）用于制造半导体装置的半导体衬底，与常用的硅相比，碳化硅具有更大的带隙。因此，使用碳化硅的半导体装置具有高击穿电压、低导通电阻和在高温环境中不易下降性能的优点。但是，将碳化硅用于制造半导体装置的材料对于碳化硅的纯度含量要求较高，也就是说对碳化硅的制备提出了更高的要求。

而现有技术中碳化硅的制备方法，采用在发热体上铺一层石英砂，再在石英砂外围铺上一层煤或石油焦,然后在煤或石油焦外再铺上一层石英砂，再铺上一层煤或石焦油，每层铺设的石英砂和煤石油焦层的厚度不同，铺设好后高温加热至少7天时间，通过使石英砂和碳反应生成SiC，但是另一方面，由于石英砂和碳中含有大量的金属等杂质，在高温加热环境下，这些杂质也发生了化学反应，生成黄色、红色等多种颜色的烟雾，未经过任何处理，直接排放在大气中，对环境污染严重；并且这些杂质对SiC本身的纯度也有较大影响，而且采用这种方法制备碳化硅，由于原料距发热体的距离不同，也会使生成的碳化硅纯度有所不同，影响碳化硅的纯度。因此，通过这种方法制备的碳化硅对环境的污染很大，而且碳化硅的纯度也不高，纯度也达不到99%以上，不利于用于制备半导体装置的材料。

发明内容

本发明针对以上现有技术中存在的问题，提供一种高纯度碳化硅的制备方法，通过本方法所要解决的问题是能够实现提高碳化硅的纯度和对环境友好的效果。

本发明的目的是通过以下技术方案得以实现的，一种高纯度碳化硅的制备方法，该方法包括使原料硅石或金属硅或两者的混合物的表面被含碳元素的碳源完全包裹制成原料颗粒，将原料颗粒在高温条件下发生反应制成碳化硅。

本发明的高纯度碳化硅的制备方法，通过对原料进行预加工，使含碳元素的碳源完全包裹住硅石或金属硅或两者的混合物，再制成原料颗粒在高温条件下进行反应生成碳化硅。通过该预加工步骤，通过使碳源完全包裹住硅石或金属硅的表面，能够使碳源和硅石或金属或两者的混合物的距离更加接近，从而在高温下能够进行充分反应且反应速度快，提高了碳化硅的生产效率和纯度；同时，通过采用本发明的原料使硅石与碳源能够紧密结合，即使在低温时，反应也不会有区域速度差，使硅石或金属硅或两者的混合物与碳源更易于进行高速反应，从而减少灰分对碳化硅的影响，能够提高碳化硅的纯度。与现有的方法相比，本发明采用预先处理的原料颗粒，能够大幅减少由于灰分对产品的污染而导致的纯度降低的问题，本发明的方法制备得到的碳化硅具有较高的纯度。本发明的方法更有利于反应过程中产生的灰分等杂质的排出，减少了灰分等杂质参与反应而污染环境，能够减少能源的消耗和降低污染物的排放，具有对环境友好的效果。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为优选，将原料颗粒堆积在发热体上进行使在高温条件下发生反应生成碳化硅。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为优选，所述碳源为固态碳源，是在与硅元素反应中碳元素起还原反应或者起碳化反应的物质。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为进一步的优选，所述碳源为加热后能够形成碳的物质。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为更优选，所述碳源选自石墨、木碳、焦炭、石油焦和木材中的一种或多种混合。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法，作为优选，所述原料颗粒的最大对角线或最大直径为0.001mm～5mm。原料颗粒大于5mm后，反应效果会降低；而小于0.001mm则会增加原料颗粒的制造成本。因此，在该优选范围内能够兼顾成本和反应效率。作为进一步的优选，所述原料颗粒的最大对角线或最大直径为2～3mm。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为优选，将原料颗粒与含碳元素的碳源混合后再在高温条件下进行反应制成碳化硅。同样能够使反应过程中产生的灰分更利于排出，减少因反应产生的灰分中含有的杂质等被还原成金属而向碳化硅成品中扩散，而导致碳化硅纯度下降。因此，本发明的方法能够进一步提高碳化硅的纯度。作为进一步的优选，将原料颗粒与木材混合后再在高温条件下进行反应制成碳化硅。木材在高温条件下能够部分或全部燃烧，从而使与混合的原料颗粒之间产生空隙，从而实现有利于灰分等杂质的快速排出，减少灰分参与反应而对产品碳化硅的影响，提高碳化硅的纯度。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为优选，所述原料颗粒为形状和大小不同的混合原料颗粒。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为优选，将原料颗粒按照以下方式进行交替堆积：

根据原料颗粒的大小进行筛选，先将相同大小的原料颗粒铺成一层，形成第一层，再在第一层上铺一层与第一层中的原料颗粒大小不相同的原料颗粒形成第二层，且所述第二层原料颗粒的大小相同，按上述方法进行交替堆积。根据原料颗粒的大小，采用层状的堆积方式，有意将反应的时间延迟，使灰分的还原反应时间产生差异，从而使灰分在高温及还原区域内的停留时间很短时，就被排出反应区域，减少了灰分对碳化硅的影响；又由于采用上述堆积方式，在未反应部分中含有空隙，可以作为排出杂质的通道，也能够使灰分更容易排出。因此，采用上述堆积方式能够提高碳化硅的纯度。且通过高温排杂过程中，能够将未反应的原料颗粒加以预热，还能够节约能源的消耗。作为进一步的优选，所述原料颗粒进行交替堆积的层数至少为两层。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为优选，所述原料颗粒的堆积层中设有含碳元素的碳源组成的条状物质，所述含碳元素的碳源组成的条状物质的一端与发热体接触，另一端延伸到堆积层外。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为优选，所述含碳元素的碳源组成的条状物质选自碳棒、石墨棒、木棒和由含碳元素的碳源颗粒形成的条状物质且所述含碳元素的碳源颗粒的大小相同中的一种或几种。也能够使反应产生的杂质蒸发物及灰分更容易排出，提高碳化硅的纯度。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为优选，使原料颗粒堆积在发热体上进行高温反应，且所述发热体的不同区域能够产生不同的温度。现有的发热体（如碳棒发热体）是直接采用整体大小相同的方式进行加热，碳棒的整体加热区域温度基本相同。而本发明通过对发热体的结构进行改进，使发热体沿着轴向方向的不同区域能够产生不同的温度，从而能够使发热体沿着轴向方向上形成高温部分和低温部分相间隔的温度差，有利于使反应生成的灰分等杂质排出，减少灰分等杂质参与反应生成金属面扩散到碳化硅内，能够提高碳化硅的纯度和减少对环境的污染。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为优选，所述发热体选自碳棒发热体、石墨棒发热体和碳粉发热体中的一种。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为优选，所述发热体为碳棒发热体，所述碳棒发热体本体周向设有若干环形凹槽，所述环形凹槽沿着碳棒发热体本体的轴向分布。

在上述的高纯度碳化硅的制备方法中，作为优选，所述发热体为石墨棒发热体，所述石墨棒发热体本体周向设有若干环形凹槽，所述环形凹槽沿着石墨棒发热体本体的轴向分布。

综上所述，本发明与现有技术相比，具有以下优点：

1.本发明的高纯度碳化硅的制备方法，通过对原料进行预处理，制成原料颗粒，使碳源完全包裹在硅石或金属硅或两者的混合物的表面，同时也使硅石或金属硅或两者的混合物与碳源能够紧密结合，从而使在低温时，也不会有区域反应速度差，使硅石或金属硅或两者的混合物与碳源更易于进行高速反应，从而减少灰分对碳化硅的影响，提高碳化硅的纯度。还能够减少能源的消耗和降低污染物的排放，具有对环境友好的效果。

2.本发明的高纯度碳化硅的制备方法，通过将原料颗粒与碳源混合使用或对原料颗粒的堆积方式进行改进，从而能够实现加快反应过程中产生的灰分等杂质的排出，减少灰分参与还原反应生成金属而扩散到碳化硅，从而提高碳化硅的纯度，同时也减少了对环境的污染，具有对环境友好的效果。

3.本发明的高纯度碳化硅的制备方法，通过对现有发热体的结构进行改进，使发热体的不同区域产生不同的温度，高温区域与低温区域之间具有温度差，从而使高温区域能够作为排气的通道，从而实现排除灰分等杂质的作用，提高碳化硅的纯度效果。

附图说明

图1是本发明的原料颗粒的剖视结构示意图。

图2-4是本发明的原料颗粒在发热体上的堆积方式的结构示意图。

图5-7是本发明的碳棒发热体的剖视结构示意图。

图1中，1、硅石；2、碳源。

图2-7中，1、碳棒发热体；2、第一堆积层；3、第二堆积层；4、第三堆积层；5、第四堆积层；6、第五堆积层；7、大原料颗粒；8、小原料颗粒；9、碳棒；10、环形凹槽。

具体实施方式

下面通过具体实施例，对本发明的技术方案作进一步具体的说明，但是本发明并不限于这些实施例。

实施例1

本发明高纯度碳化硅的制备方法，使原料硅石的表面被含碳元素的碳源完全包裹制成原料颗粒，将原料颗粒在高温条件下发生反应制成碳化硅。

更具体的说，先将原料含碳元素的碳源加入到粘着液中，粘着液优选采用质量百分数为5%PVA的水溶液（PVA为聚乙烯醇），搅拌均匀后，再将原料硅石浸泡在该溶液中或者将该溶液搅拌均匀后喷涂到硅石表面，使原料硅石的表面被含碳元素的碳源完全包裹，制成原料颗粒，所述的原料颗粒可以是截面如图1所示的单个硅石1被碳源2完全包裹的原料颗粒；当然，也可以是多颗如图1所示的原料颗粒经造粒机造粒制成的造粒后的原料颗粒。上述原料颗粒的形状可以是规则的或不规则均可。作为优选，所述原料颗粒的最大对角线或最大直径为0.001mm～5mm，最优选为2mm～3mm，更优选为2.5mm。所述原料硅石也可以采用金属硅或硅石和金属硅的混合物代替。上述的粘着液也可以采用粘合剂与水混合配制成粘着液。

所述含碳元素的碳源为固态碳源，进一步优选，所述碳源为加热后能够生成碳的物质，最优选，所述碳源选自石墨、木碳、焦炭、石油焦和木材中的一种，当然并不排除其它类型的碳源；所述碳源也可以选用石墨、木碳、焦炭、石油焦和木材中的两种或两种以上混合的碳源。由于是通过将碳源完全包裹在硅石的表面，为了增加包裹效果，可以选用粉未状的固态碳源，能够增加包裹效果，同时增加了碳源与硅石接触的表面积，使碳源与硅石反应时速度更快，且更加充分。上述所述的高温条件下进行反应是指能够使硅石或金属硅与碳源进行反应生成碳化硅的高温条件。

再将原料颗粒堆积在发热体上，优选采用直径为6英寸的碳棒发热体，再将3000A的电流通过发热体进行加热，优选加热到1800℃～2500℃，更优选，加热到1900℃～2200℃，最优选加热到约2000℃，使在高温条件下进行反应生成碳化硅。当然也可以采用石墨棒发热体代替碳棒发热体。将得到的碳化硅纯度进行检测，碳化硅的纯度达到99%以上。

实施例2

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同点在于：先将制备好的原料颗粒与含碳元素的碳源混合后再在高温条件下进行反应制成碳化硅。在高温条件下，混合进去的含碳元素的碳源会分解或部分被燃烧，使原料颗粒之间产生空隙，这些空隙就相当于形成了排气通道，从而能够使反应过程中产生的灰分等杂质更易于排出，减少灰分参与反应而生产金属杂质扩散到碳化硅内，从而实现提高碳化硅的纯度。作为优选，将制备好的原料颗粒与木材混合后再在高温条件下进行反应制成碳化硅。木材在高温条件下会产生部分燃烧，从而使原料颗粒之间形成空隙。其它内容同实施例1一致，这里不再赘述。将得到的碳化硅纯度进行检测，碳化硅的纯度达到99%以上

实施例3

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同点在于：所述原料颗粒为形状和大小不同的混合原料颗粒。

更具体的说，如图2所示，选用形状及大小不同的原料颗粒，根据原料颗粒的大小进行筛选，先将相同大小的原料颗粒在发热体1上铺成一层，形成第一堆积层2，再在第一堆积层2上铺一层与第一堆积层2中的原料颗粒大小不相同的原料颗粒形成第二堆积层3，且所述第二堆积层中原料颗粒的大小相同，按照上述方式依次进行交替堆积，相应原形成第三堆积层4、第四堆积层5和第五堆积层6。上述每一层中相应原料颗粒堆积形成的堆积层的厚度可根据实际需要进行调整。作为优选，所述原料颗粒进行交替堆积的层数至少为两层，本实施例中如图2所示堆积成五层堆积层。经过交替堆积使相邻两个堆积层中的原料颗粒的大小不相同，当然，当堆积的层数超过两层时，各层的原料颗粒的大小可以均不相同，也可以是部分堆积层的原料颗粒的大小相一致，只要保证使相邻两层中的原料颗粒大小不相同即可，其它同实施例1一致，这里不再赘述。将得到的碳化硅纯度进行检测，碳化硅的纯度达到99.8%以上。

作为另一实施方案，本发明的原料颗粒的堆积方式也可以采用如图3所示，选用形状和大小不同的混合原料颗粒是采用无规的或混排的方式堆积在碳棒发热体1上，将大原料颗粒7和小原料颗粒8混合通过无规或混乱的方式堆积在碳棒发热体1上形成单一的堆积层，同样能够起到使反应过程中产生的灰分等杂质更易于排放的作用。其它内容同实施例1一致，这里不再赘述。将得到的碳化硅纯度进行检测，碳化硅的纯度达到99.5%以上。

作为另一实施方案，也可以将所述原料颗粒堆积在碳棒发热体1上形成堆积层之后，再在堆积层中设有含碳元素的碳源组成的条状物质9，所述含碳元素的碳源组成的条状物质9的一端与碳棒发热体1接触，另一端延伸到堆积层外，条状物质的具体的数量可根据实际需要进行调整。更具体的说，如图4所示，选用如图3所示的堆积方式，然后，再在原料颗粒组成的堆积层中设有条状碳棒9，所述条状碳棒9的一端与碳棒发热体1接触，另一端延伸到堆积层外，图4所示贯通的条状碳棒数量仅表示一种结构示意图，并不是限制作用，所述条状碳棒可以采用如图4所示的垂直于碳棒发热体的轴向方向也可以是以不垂直的方式贯通原料颗粒组成的堆积层。当然条状碳棒也可以采用石墨棒或木棒代替，同样能够达到基本相同的效果，条状碳棒的形状可以是圆柱形或方形等等，优选采用圆柱形碳棒。所述条状碳棒也可以采用是由若干含碳元素的碳源颗粒堆积而成的条状物质，形成类似于烟囱的形状，所述含碳元素的碳源颗粒如木材颗粒、石墨粉颗粒等等。其它内容同实施例1一致，这里不再赘述。将得到的碳化硅纯度进行检测，碳化硅的纯度达到99.5%以上

实施例4

本实施例与实施例1的制备方法基本相同，不同点在于：使原料颗粒堆积在发热体上进行高温反应生成碳化硅，且所述发热体的不同区域能够产生不同的温度。

更具体的说，如图5所示，所述发热体为碳棒发热体，所述碳棒发热体本体1的周向设有若干环形凹槽10，所述环形凹槽10沿着碳棒发热体本体1的轴向分布。环形凹槽10的深度和相邻的环形凹槽之间的间隔可根据实际需要进行调整。通过在碳棒发热体本体1的轴向方向上设置若干环形凹槽10，当碳棒发热体通电后，温度的趋势在碳棒发热体较细的部分（环形凹槽10处）的温度较高，而在较粗的部分要比较细的部分（环形凹槽10处）的温度低，形成温度差，相当于使高温部分可以作为排气通道的作用，从而使低温部分的灰分的还原反应比高温部分迟缓，而使灰分以氧化物的形式就被排出，从而减少了灰分对碳化硅纯度的影响，提高了碳化硅的纯度。也可以采用石墨棒发热体或碳粉发热体代替碳棒发热体同样能够达到相应的效果。通过在碳棒的轴向方向上设置若干环形凹槽10，目的是为了使碳棒在轴向方向形成粗细相间的结构，从而使碳棒发热体本体1通电后能够形成高温部分和低温部分相间隔的效果。因此，对于凹槽的形状和大小可以根据实际需要调整，如可以采用图6和图7相对应的碳棒发热体进行加热，同样能够达到基本相同的效果。将得到的碳化硅纯度进行检测，碳化硅的平均纯度达到99.5%以上，本实施例中低温部分与高温部分的碳化硅的纯度相差1.5%左右。

实施例5

本实施例与实施例2的制备方法基本相同，不同点在于：使原料颗粒在发热体上进行高温反应生成碳化硅，且所述发热体的不同区域能够产生不同的温度。

更具体的说，如图5所示，所述发热体为碳棒发热体，所述碳棒发热体本体1的周向设有若干环形凹槽10，所述环形凹槽10沿着碳棒发热体本体1的轴向分布。环形凹槽10的深度和相邻的环形凹槽10之间的间隔可根据实际需要进行调整。也可以采用图6或图7相对应的碳棒发热体进行加热，同样能够达到基本相同的效果。其它同实施例2一致，这里不再赘述。碳化硅的平均纯度达到99.8%以上，本实施例中低温部分与高温部分的碳化硅的纯度相差1.5%左右。

实施例6

本实施例与实施例3的制备方法基本相同，不同点在于：使原料颗粒在发热体上进行高温反应生成碳化硅，且所述发热体的不同区域能够产生不同的温度。

更具体的说，如图5所示，所述发热体为碳棒发热体，所述碳棒发热体本体1的周向设有若干环形凹槽10，所述环形凹槽10沿着碳棒发热体本体1的轴向分布。环形凹槽10的深度和相邻的环形凹槽10之间的间隔可根据实际需要进行调整。也可以采用图6或图7相对应的碳棒发热体进行加热，同样能够达到基本相同的效果。其它同实施例3一致，这里不再赘述。碳化硅的平均纯度达到99.8%以上，本实施例中低温部分与高温部分的碳化硅的纯度相差1.5%左右。

本发明中所描述的具体实施例仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

尽管对本发明已作出了详细的说明并引证了一些具体实施例，但是对本领域熟练技术人员来说，只要不离开本发明的精神和范围可作各种变化或修正是显然的。

Claims (16)

1.一种高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，该方法包括使原料硅石或金属硅或两者的混合物的表面被含碳元素的碳源完全包裹制成原料颗粒，将原料颗粒在高温条件下发生反应制成碳化硅。

2.根据权利要求1所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，所述碳源为固态碳源，是在与硅元素反应中碳元素起还原反应或者起碳化反应的物质。

3.根据权利要求2所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，所述碳源为加热后能够生成碳的物质。

4.根据权利要求3所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，所述碳源选自石墨、木碳、焦炭、石油焦和木材中的一种或多种混合。

5.根据权利要求1所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，所述原料颗粒的最大对角线或最大直径为0.001mm～5mm。

6.根据权利要求1所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，将原料颗粒与含碳元素的碳源混合后再在高温条件下进行反应制成碳化硅。

7.根据权利要求1-6任意一项所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，将原料颗粒与木材混合后再在高温条件下进行反应制成碳化硅。

8.根据权利要求1所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，所述原料颗粒为形状和大小不同的混合原料颗粒。

9.根据权利要求8所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，将原料颗粒按照以下方式进行交替堆积：

根据原料颗粒的大小进行筛选，先将相同大小的原料颗粒铺成一层，形成第一堆积层(2)，再在第一堆积层(2)上铺一层与第一堆积层(2)中的原料颗粒大小不相同的原料颗粒形成第二堆积层(3)，且所述第二堆积层(3)中原料颗粒的大小相同，再按照上述方式进行交替堆积。

10.根据权利要求9所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，所述原料颗粒进行交替堆积形成的堆积层至少为两层。

11.根据权利要求9-10任意一项所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，所述原料颗粒的堆积层中设有含碳元素的碳源组成的条状物质（9），所述含碳元素的碳源组成的条状物质（9）的一端与发热体（1）接触，另一端延伸到堆积层外。

12.根据权利要求11所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，所述含碳元素的碳源组成的条状物质（9）选自碳棒、石墨棒、木棒和由含碳元素的碳源颗粒形成的条状物质且所述含碳元素的碳源颗粒的大小相同中的一种或几种。

13.根据权利要求1-6或8-10任意一项所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，使原料颗粒堆积在发热体上进行高温反应，且所述发热体的不同区域能够产生不同的温度。

14.根据权利要求13所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，所述发热体选自碳棒发热体、石墨棒发热体和碳粉发热体中的一种。

15.根据权利要求14所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，所述发热体为碳棒发热体，且所述碳棒发热体本体（1）周向设有若干环形凹槽（10），所述环形凹槽（10）沿着碳棒发热体本体（1）的轴向分布。

16.根据权利要求14所述高纯度碳化硅的制备方法，其特征在于，所述发热体为石墨棒发热体，所述石墨棒发热体本体（1）周向设有若干环形凹槽（10），所述环形凹槽（10）沿着石墨棒发热体本体的轴向分布。

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