CN114585777A - 用于制备碳化硅粉末和单晶碳化硅的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及用于制备碳化硅粉末和单晶碳化硅的方法，并且更具体地，涉及包括以下步骤的用于制备碳化硅粉末的方法：将前体气体提供到在反应器中的纤维碳体上以将碳化硅(SiC)沉积在纤维碳体上；将沉积在纤维碳体上的碳化硅回收以得到第一碳化硅粉末；以及使第一碳化硅粉末氧化，其中前体气体的分子包含硅原子和碳原子。

Description

用于制备碳化硅粉末和单晶碳化硅的方法

技术领域

本发明涉及用于制备碳化硅粉末和单晶碳化硅的方法。

背景技术

最近，在半导体领域中发生快速的技术进步。直到现在，主要使用硅单晶作为典型的半导体器件材料。然而，因为硅单晶无法满足在近期半导体技术领域中所需的物理性质并且停滞不前，对可以代替硅单晶的下一代半导体材料存在日益增长的需求。

特别地，可以在功率转换时明显降低功率损耗的半导体材料成为关注的焦点。其中，具有大的带隙能量(～3.2eV)以及更小尺寸的特性的碳化硅(SiC)单晶由于高介电击穿、低功率损耗和高温度稳定性正在作为有前景的下一代半导体材料受到关注。

为了确保碳化硅单晶生长，具有高纯度的碳化硅粉末是必不可少的。然而，目前可得的碳化硅粉末具有一些限制，比如低纯度、即使具有高纯度也不足以用于单晶生长过程的粒度、或者差的生产率。因为对碳化硅单晶的需求快速增长，所以也需要用于制备具有高纯度的碳化硅粉末的方法。

发明内容

技术问题

本发明所解决的一个任务是提供一种用于制备具有高纯度的碳化硅粉末的方法。本发明所解决的另一个任务是提供一种用于利用所述碳化硅粉末来制备单晶碳化硅的方法。

技术方案

根据本发明的一个构思的用于制备碳化硅粉末的方法可以包括：将前体气体提供到在反应器中的纤维碳体上以将碳化硅(SiC)沉积在所述纤维碳体上；将沉积在所述纤维碳体上的所述碳化硅回收以得到第一碳化硅粉末；以及使所述第一碳化硅粉末氧化，其中所述前体气体的分子可以包含硅原子和碳原子。

根据本发明的另一个构思的用于制备单晶碳化硅的方法可以包括：将前体气体提供到在反应器中的纤维碳体上以将碳化硅沉积在所述纤维碳体上；将沉积在所述纤维碳体上的所述碳化硅回收以得到第一碳化硅粉末；将包含所述第一碳化硅粉末的碳化硅原料提供到坩埚中；以及使所述碳化硅原料升华以在附着至所述坩埚上部的晶种上生长单晶碳化硅。

有益效果

本发明提供了一种用于制备具有高纯度的碳化硅粉末的方法。本发明还提供了一种用于通过使用所述碳化硅粉末来制备具有提高的纯度和收率的单晶碳化硅的方法。不过，本发明的益处不限于此。

附图说明

图1是示出根据本发明的实施方案的一种用于制备碳化硅粉末的方法的流程图；

图2A和2B是描述根据本发明的实施方案的用于制备碳化硅粉末的方法的横截面图；

图3A和3B分别是示出图2A和2B中的纤维碳体和纤维束的放大图；

图4是示出根据本发明的实施方案制备的碳化硅粉末的晶体结构的图像；

图5是示出根据本发明的实施方案的一种用于制备单晶碳化硅的方法的流程图；以及

图6A至6C是描述根据本发明的实施方案的用于制备单晶碳化硅的方法的横截面图。

具体实施方式

将参照附图描述本发明的优选实施方案，以充分地理解本发明的构成和效果。然而，本发明可以以具有各种改变的不同形式实施，而不限于本文中所述的实施方案。相反，提供这些实施方案以使得本公开将是充分和完整的，并且将全面地将本发明的范围传达给本发明所属领域的技术人员。

在本说明书中，将会理解，当提到一个部件在另一个部件“之上”时，其可以直接在另一个部件之上，或者也可以存在介于中间的第三部件。另外，在附图中，部件的厚度被夸大以有效地描述技术特征。在整个说明书中，相同的附图标记指代相同的要素。

尽管诸如第一、第二和第三的术语在本说明书的各个实施方案中用于描述各个部件，但是部件应不限于这些术语。这些术语仅用于将一个要素与另一个要素区分开。本文中所描述和例示的实施方案包括其互补实施方案。

在本说明书中，术语仅用于解释实施方案，而不用于限制本发明。在本说明书中，除非上下文另外明确指明，单数形式也包括复数形式。本文中使用的“包括(comprises)”和/或“包含(comprising)”不排除除了所提及部件以外的一个或多个其他部件的存在或添加。

图1是示出根据本发明的实施方案的一种用于制备碳化硅粉末的方法的流程图。图2A和2B是描述根据本发明的实施方案的用于制备碳化硅粉末的方法的横截面图。

参照图1、2A和2B，可以设置反应器100以制备碳化硅粉末。反应器100可以具有主体，所述主体包含具有高熔点的材料以确保进行其中沉积碳化硅的高温热过程。反应器100的主体可以包含金属或无机材料，并且例如可以包含石墨。

反应器100可以包括用于注入前体气体PG的入口IL和用于在反应后排出气体的出口OL。反应器100中的入口IL和出口OL的布置没有特别限制，并且例如，如图2A所示，入口IL和出口OL可以分开布置在反应器100的侧壁上。

作为前体气体PG，可以使用含有至少一个硅原子和至少一个碳原子的任何化合物，而没有特别的限制。前体气体PG可以包括在分子中含有至少一个硅原子和至少一个碳原子的化合物，并且例如可以包括甲基三氯硅烷(MTS)。在这里，由于甲基三氯硅烷在分子中含有比率为1∶1的硅原子和碳原子，所以甲基三氯硅烷的使用可以提高碳化硅粉末的收率。

可以将前体气体通过入口IL注入到反应器100中，并且沉积到在反应器100中的纤维碳体110上。在将碳化硅回收后可以得到第一碳化硅粉末SIC_P1。

作为纤维碳体110，可以使用含有碳的任何化合物，而没有特别的限制，因此，可以使用活性炭、碳纤维、石墨纤维或它们的混合物。例如，纤维碳体110可以包括石墨纤维。纤维碳体110可以是其中若干石墨纤维彼此缠绕的形式，并且可以包括从纤维碳体表面突出的纤维束120。突出的纤维束120增大了其上可以沉积前体气体PG的表面积，因此可以提高第一碳化硅粉末SIC_P1的收率。

图3A和3B分别是示出图2A和2B的纤维碳体110和纤维束的放大图。参照图3B，第一碳化硅粉末SIC_P1可以以微滴的形式沉积在纤维束120的一端。例如，第一碳化硅粉末SIC_P1的平均粒度可以是200μm至5mm。

再次参照图2A和2B，反应器100可以包括石墨电极130。石墨电极130可以用作加热器来加热反应器100的内部。当将电压施加至石墨电极130以使得电流流动时，可以通过电阻加热来加热石墨电极130。经加热的石墨电极130可以升高反应器100内部的温度。例如，在沉积碳化硅时，可以将反应器的内部加热到1400℃至1600℃的温度。当反应器内部的温度低于1400℃时，可能无法良好地实现碳化硅粉末在纤维碳体110上的沉积，并且当温度大于1600℃时，碳化硅粉末可能具有较低的品质。

如图2B所示，碳化硅SIC可以沉积在石墨电极130的表面上。碳化硅SIC可以共形地形成在石墨电极130的表面上。可以将沉积在石墨电极130的表面上的碳化硅SIC回收并且研磨以得到第二碳化硅粉末SIC_P2。第二碳化硅粉末SIC_P2可以具有比第一碳化硅粉末SIC_P1大的平均粒度，并且可以具有例如200μm至10mm的平均粒度。

根据本发明的一个实施方案的用于制备碳化硅粉末的方法可以包括使第一碳化硅粉末SIC_P1和第二碳化硅粉末SIC_P2氧化。当使第一碳化硅粉末SIC_P1和第二碳化硅粉末SIC_P2氧化时，单晶碳化硅制备工艺的收率和生产率可以提高。

根据本发明的一个实施方案的用于制备碳化硅粉末的方法还可以包括对碳化硅粉末热处理。当另外进行热处理过程时，可以去除碳化硅粉末中残留的杂质以提高纯度。例如，碳化硅粉末的热处理可以在空气中在700℃至800℃的温度进行。

图4是示出根据本发明的用于制备碳化硅粉末的方法制备的第一碳化硅粉末SIC_P1和第二碳化硅粉末SIC_P2的晶体结构的图像。如图4所示，第一碳化硅粉末SIC_P1和第二碳化硅粉末SIC_P2在1400℃至1600℃的温度沉积，因此可以具有β相晶体结构。

图5是示出根据本发明的实施方案的一种用于制备单晶碳化硅的方法的流程图。图6A至6C是描述根据本发明的实施方案的用于制备单晶碳化硅的方法的横截面图。

参照图5和6A至6C，可以设置坩埚200以制备单晶碳化硅SIC_C。在坩埚200内部，可以设置用于生长单晶碳化硅SIC_C的晶种210和用于将晶种210固定到坩埚200上部的晶种支架220。可以在坩埚200外部设置感应线圈230和反应室240。

坩埚200可以包括主体，所述主体包含具有大于或等于碳化硅的升华温度的熔点的材料。坩埚200的主体可以包含金属或无机材料，并且例如可以包含石墨。例如，可以将具有大于或等于碳化硅的升华温度的熔点的材料涂布在由石墨制成的坩埚200的表面上。作为涂布在坩埚200表面上的材料，可以使用在单晶碳化硅SIC_C生长的温度对硅(Si)化学惰性的材料。涂布在坩埚200表面上的材料可以是金属碳化物或金属氮化物，并且例如，可以使用钨(W)、锆(Zr)、钽(Ta)、铪(Hf)或铌(Nb)的碳化物或氮化物。

晶种210可以提供升华的碳化硅原料可以在其上沉积和生长的表面。晶种支架220可以以附着了晶种210的形式附着至坩埚200的上部内侧。例如，晶种支架220可以包含高密度石墨，并且可以具有比晶种210宽的横截面以确保晶种210稳定地固定到坩埚的上部上。例如，作为晶种210，可以使用4H-SiC晶种或6H-SiC晶种。

可以将碳化硅原料SIC_P作为用于生长单晶碳化硅SIC_C的原料提供到坩埚200中。例如，碳化硅原料SIC_P可以包含通过上述用于制备碳化硅粉末的方法制备的第一碳化硅粉末SIC_P1、第二碳化硅粉末SIC_P2或它们的混合物。第一碳化硅粉末SIC_P1和第二碳化硅粉末SIC_P2的详细描述可以与先前参照图2A和2B所描述的大致相同。

当碳化硅原料SIC_P包含第一碳化硅粉末SIC_P1和第二碳化硅粉末SIC_P2的混合物时，其中混合了具有不同平均粒度的碳化硅粉末的原料的使用可以控制单晶碳化硅SIC_C的生长速率。例如，当具有较小平均粒度的第一碳化硅粉末SIC_P1的重量大于具有较大平均粒度的第二碳化硅粉末SIC_P2的重量时，单晶碳化硅SIC_C的生长速率可以提高。当具有较小平均粒度的第一碳化硅粉末SIC_P1的重量小于具有较大平均粒度的第二碳化硅粉末SIC_P2的重量时，单晶碳化硅SIC_C的生长速率可以降低。如上所述，当调整第一碳化硅粉末SIC_P1与第二碳化硅粉末SIC_P2之间的混合比(重量比)时，可以将单晶碳化硅SIC_C的生长速率控制到所需值。

在碳化硅原料SIC_P升华时，坩埚内部的温度可以是1800℃至2400℃。可以通过围绕坩埚200的外部的感应线圈230加热坩埚200的内部。当高频电流在感应线圈230中流动时，可以加热坩埚200的内部。

如图6C所示，使碳化硅原料SIC_P升华，由此可以在晶种210的下表面上生长单晶碳化硅SIC_C。在将附着至坩埚200上部的晶种支架220与坩埚200分离之后，由此可以得到单晶碳化硅SIC_C。

尽管描述了本发明的实施方案，但是本发明所属领域的普通技术人员会理解，在不改变技术构思或必要特征的情况下，可以以其他具体形式实施本发明。因此，上述实施方案应被认为在所有方面都是说明性的而不是限制性的。

附图标记说明

100：反应器

110：纤维碳体

120：纤维束

130：石墨电极

200：坩埚

210：晶种

220：晶种支架

230：感应线圈

240：反应室

SIC_P1：第一碳化硅粉末

SIC_P2：第二碳化硅粉末

SIC_C：单晶碳化硅

Claims (14)

1.一种用于制备碳化硅粉末的方法，所述方法包括：

将前体气体提供到在反应器中的纤维碳体上以将碳化硅(SiC)沉积在所述纤维碳体上；

将沉积在所述纤维碳体上的所述碳化硅回收以得到第一碳化硅粉末；以及

使所述第一碳化硅粉末氧化，

其中所述前体气体的分子包含硅原子和碳原子。

2.权利要求1所述的方法，其中所述前体气体包括甲基三氯硅烷(MTS)。

3.权利要求1所述的方法，其中在碳化硅的所述沉积时，所述反应器内部的温度为1400℃至1600℃。

4.权利要求1所述的方法，其中所述纤维碳体包括石墨纤维。

5.权利要求1所述的方法，其中所述纤维碳体包括从其表面突出的纤维束。

6.权利要求5所述的方法，其中将所述碳化硅以微滴的形式沉积在所述纤维束的一端。

7.权利要求1所述的方法，其中所述第一碳化硅粉末的平均粒度为200μm至5mm。

8.权利要求1所述的方法，其中所述反应器包括设置在所述反应器的内部以加热所述内部的电极，

在碳化硅的所述沉积时，将碳化硅沉积在所述电极上，

其中所述用于制备碳化硅粉末的方法还包括：

将沉积在所述电极上的所述碳化硅回收并且研磨以得到第二碳化硅粉末；以及

使所述第二碳化硅粉末氧化。

9.权利要求8所述的方法，其中所述第二碳化硅粉末的平均粒度为200μm至10mm。

10.权利要求1所述的方法，所述方法还包括在700℃至800℃的温度对所述第一碳化硅粉末热处理。

11.一种用于制备单晶碳化硅的方法，所述方法包括：

将前体气体提供到在反应器中的纤维碳体上以将碳化硅沉积在所述纤维碳体上；

将沉积在所述纤维碳体上的所述碳化硅回收以得到第一碳化硅粉末；

将包含所述第一碳化硅粉末的碳化硅原料提供到坩埚中；以及

使所述碳化硅原料升华以在附着至所述坩埚的上部的晶种上生长单晶碳化硅。

12.权利要求11所述的方法，其中碳化硅原料的所述升华包括在1800℃至2400℃的坩埚内部温度加热。

13.权利要求11所述的方法，其中所述反应器包括设置在所述反应器的内部以加热所述内部的电极，

在碳化硅的所述沉积时，将碳化硅沉积在所述电极上，

其中所述用于制备单晶碳化硅的方法还包括：

将沉积在所述电极上的所述碳化硅回收并且研磨以得到第二碳化硅粉末；以及

将所述第二碳化硅粉末与所述第一碳化硅粉末混合以制备所述碳化硅原料。

14.权利要求11所述的方法，所述方法还包括使所述第一碳化硅粉末氧化。

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