CN113735110A - 一种半导体级石墨粉的纯化方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种半导体级石墨粉的纯化方法，属于半导体材料加工技术领域；该方法是将待纯化的石墨粉置于感应加热炉内，在1800‑2200℃的条件下将感应加热炉腔体抽气至真空状态，随后将氯化氢与氩气的混合气体通入腔体，通气至压力为700‑900 mbar，维持2‑4 h，使腔体内氯化氢气体与杂质充分反应，随后抽气将炉体压力降低至近真空状态；本发明解决了石墨粉中高沸点的金属单质及金属化合物杂质去除率较低的问题；降低了整个纯化过程的危险性。
Description
技术领域
本发明属于半导体材料加工技术领域，具体为一种半导体级石墨粉的纯化方法。
背景技术
近年来，5G通信技术、新能源汽车推广以及光电应用推动着第三代半导体产业的蓬勃发展。在第三代半导体材料中，以碳化硅（SiC）为代表的宽禁带IV族化合物是固态光源和电力电子、微波射频器件的“核芯”，正在成为全球半导体产业新的战略高地。
SiC高纯粉料是生长SiC单晶的原料，其产品纯度直接影响碳化硅单晶的生长质量以及电学性能。因此，在SiC粉料生产过程中，原料“碳”的纯度就显得格外重要。目前，SiC生产中的“碳源”主要有蔗糖、活性炭、石油焦、石墨粉等，其中，石墨粉是最常用的，现有的石墨粉纯化方法主要是高温纯化法。
高温提纯法的原理为：利用石墨粉耐高温的特性及其与杂质之间的熔沸点差异，在通入保护气体的特定条件下，利用特定的纯化炉加热到2500℃，反应一段时间便能使杂质气化并从石墨中溢出，以实现除杂纯化的目的。高温纯化法的缺点是：仅可有效除去石墨粉中的低沸点杂质，对于高沸点的金属单质及金属化合物杂质，去除效率较低，且高温能耗增高，危险性大。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提出一种半导体级石墨粉的纯化方法，解决石墨粉中高沸点的金属单质及金属化合物杂质去除率较低的问题。
为了达到上述目的，本发明是通过如下技术方案实现的：
一种半导体级石墨粉的纯化方法，将待纯化的石墨粉置于感应加热炉内，在1800-2200 ℃的条件下将感应加热炉腔体进行第一次抽气至真空状态，随后将氯化氢与氩气的混合气体通入腔体，通气至压力为700-900 mbar，维持2-4 h，使腔体内氯化氢气体与杂质充分反应，随后进行第二次抽气将炉体压力降低至＜10 mbar。
优选的，通气与第二次抽气形成抽充循环，反复进行多次抽充循环。
优选的，在2000 ℃的条件下将感应加热炉腔体抽气至真空状态。
优选的，氯化氢与氩气的体积比为1:3。
优选的，氯化氢与氩气的混合气体通入腔体的气体流速为1 L/min。
优选的，所述第二次抽气是以10 mbar/min的速度进行。
优选的，将氯化氢与氩气的混合气体通入腔体之前，先采用高温提纯法去除石墨粉中的低沸点杂质。
所述的高温提纯法包括步骤：对感应加热炉抽真空后充入惰性气体，使炉体压力充至700-900 mbar，加热升温至1800-2200℃；对炉内反复进行抽气至近真空状态再充入惰性气体至压力为700-900 mbar。
优选的，所述的惰性气体为氩气。
优选的，升温速度为10 ℃/min。
本发明相对于现有技术所产生的有益效果为：
本发明将高纯石墨粉进一步提纯，纯化后的石墨粉将满足半导体级石墨粉的纯度要求；提纯后的石墨粉中高沸点的金属单质及金属化合物杂质去除率高；本发明不需高的纯化温度，有利于进一步降低能耗，并且降低了整个纯化过程的危险性；干燥的氯化氢气体价格低廉，无毒，不易燃不易爆，安全性高，可实现长时间可持续应用。
附图说明
图1是采用实施例1纯化得到的石墨粉中杂质含量。
图2是由实施例1制备的石墨粉生长得到的碳化硅粉的外观图。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，结合实施例和附图，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。下面结合实施例及附图详细说明本发明的技术方案，但保护范围不被此限制。
实施例1
1、将待纯化的石墨粉放于石墨坩埚中，将石墨坩埚置于感应加热炉膛内，密封，抽真空，充氩气，氩气流量为2 L/min，控压800 mbar。
2、加热，以10 ℃/min的加热速度将炉体缓慢升温至2000 ℃，维持该温度不变，抽气，以10 mbar/min的抽速将炉体压力由800 mbar降低至近真空状态，随后充氩气，以2 L/min的充气速度将炉体压力充至800 mbar，此为一个抽充循环，将此循环往复进行三次，目的是在通氯化氢前首先除去石墨粉中的低沸点杂质。
3、通入氯化氢气体，通气前，首先在2000 ℃的高温条件下将腔体抽气至真空状态，随后，将氯化氢与氩气的混合气体通入腔体，气体流速为1 L/min，氯化氢与氩气的体积比为1:3；通气至压力为800 mbar，停止通气，维持3 h，使腔体内氯化氢气体与杂质充分反应，随后以10 mbar/min的抽速将炉体压力由800 mbar降低至近真空状态，此为一个通气抽充循环，将此循环往复进行8次，结束。
4、降温，将腔体温度缓慢降至室温，开炉，将纯化后的石墨粉取出。
本实施例是在高温纯化过程后新增“卤素气体纯化”过程，即在高温阶段通入氯化氢气体，干燥的氯化氢气体在1600 ℃以上将解离为氯自由基和氢自由基：
其中氯自由基可与高沸点的金属单质及金属化合物反应生成低沸点的金属氯化物杂质。这样，即可除去高沸点杂质，进一步提高石墨粉纯度。
用本发明实施例1的方法纯化的石墨粉送检GDMS，测试各种杂质含量，结果表明，纯化后石墨粉中各杂质含量皆已低于检测下限，检测报告如图1所示。使用实施例1纯化后的石墨粉所生长的碳化硅粉料如图2所示，粉料颜色纯白，进一步证明本方法纯化石墨粉的纯度已满足半导体级石墨粉使用要求。
实施例2
1、将待纯化的石墨粉放于石墨坩埚中，将石墨坩埚置于感应加热炉膛内，密封，抽真空，充氩气，氩气流量为2 L/min，控压700 mbar。
2、加热，以10 ℃/min的加热速度将炉体缓慢升温至2200 ℃，维持该温度不变，抽气，以10 mbar/min的抽速将炉体压力由700 mbar降低至近真空状态，随后充氩气，以2 L/min的充气速度将炉体压力充至700 mbar，此为一个抽充循环，将此循环往复进行三次。
3、通入氯化氢气体，通气前，首先在2200 ℃的高温条件下将腔体抽气至真空状态，随后，将氯化氢与氩气的混合气体通入腔体，气体流速为1 L/min，氯化氢与氩气的体积比为1:3；通气至压力为700 mbar，停止通气，维持3 h，使腔体内氯化氢气体与杂质充分反应，随后以10 mbar/min的抽速将炉体压力由700 mbar降低至近真空状态，此为一个通气抽充循环，将此循环往复进行8次，结束。
4、降温，将腔体温度缓慢降至室温，开炉，将纯化后的石墨粉取出。
实施例3
1、将待纯化的石墨粉放于石墨坩埚中，将石墨坩埚置于感应加热炉膛内，密封，抽真空，充氩气，氩气流量为2 L/min，控压900 mbar。
2、加热，以10 ℃/min的加热速度将炉体缓慢升温至1800 ℃，维持该温度不变，抽气，以10 mbar/min的抽速将炉体压力由900 mbar降低至近真空状态，随后充氩气，以2 L/min的充气速度将炉体压力充至900 mbar，此为一个抽充循环，将此循环往复进行三次。
3、通入氯化氢气体，通气前，首先在1800 ℃的高温条件下将腔体抽气至真空状态，随后，将氯化氢与氩气的混合气体通入腔体，气体流速为1 L/min，氯化氢与氩气的体积比为1:3；通气至压力为900 mbar，停止通气，维持4 h，使腔体内氯化氢气体与杂质充分反应，随后以10 mbar/min的抽速将炉体压力由900 mbar降低至近真空状态，此为一个通气抽充循环，将此循环往复进行8次，结束。
4、降温，将腔体温度缓慢降至室温，开炉，将纯化后的石墨粉取出。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所做的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定专利保护范围。
Claims (10)
1.一种半导体级石墨粉的纯化方法，其特征在于，将待纯化的石墨粉置于感应加热炉内，在1800-2200 ℃的条件下将感应加热炉腔体进行第一次抽气至真空状态，随后将氯化氢与氩气的混合气体通入腔体，通气至压力为700-900 mbar，维持2-4 h，使腔体内氯化氢气体与杂质充分反应，随后进行第二次抽气将炉体压力降低至＜10 mbar。
2.根据权利要求1所述的一种半导体级石墨粉的纯化方法，其特征在于，通气与第二次抽气形成抽充循环，反复进行多次抽充循环。
3.根据权利要求1所述的一种半导体级石墨粉的纯化方法，其特征在于，在2000 ℃的条件下将感应加热炉腔体抽气至真空状态。
4.根据权利要求1所述的一种半导体级石墨粉的纯化方法，其特征在于，氯化氢与氩气的体积比为1:3。
5.根据权利要求1所述的一种半导体级石墨粉的纯化方法，其特征在于，氯化氢与氩气的混合气体通入腔体的气体流速为1 L/min。
6.根据权利要求1所述的一种半导体级石墨粉的纯化方法，其特征在于，所述第二次抽气是以10 mbar/min的速度进行。
7.根据权利要求1所述的一种半导体级石墨粉的纯化方法，其特征在于，将氯化氢与氩气的混合气体通入腔体之前，先采用高温提纯法去除石墨粉中的低沸点杂质。
8.根据权利要求7所述的一种半导体级石墨粉的纯化方法，其特征在于，所述的高温提纯法包括步骤：对感应加热炉抽真空后充入惰性气体，使炉体压力充至700-900 mbar，加热升温至1800-2200℃；对炉内反复进行抽气至近真空状态再充入惰性气体至压力为700-900mbar。
9.根据权利要求8所述的一种半导体级石墨粉的纯化方法，其特征在于，所述的惰性气体为氩气。
10.根据权利要求8所述的一种半导体级石墨粉的纯化方法，其特征在于，升温速度为10 ℃/min。
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