CN116119670A - 一种超低n、b含量碳化硅原料的制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于制备超低N、B含量高纯碳化硅粉料的方法，采用高纯碳毡代替固相合成中的碳粉，提供反应所需的碳源，高纯硅粉提供反应需要的硅源，多孔的碳毡与硅粉相间铺设，高温下高纯硅粉挥发、渗透进高纯碳毡内部，与高纯碳毡反应生成碳化硅；同时，在反应过程中通入氢气及含有卤素的气体，置换掉碳毡及硅粉中少量的N、B元素，生成超低N、B含量碳化硅原料。且这种方法生成的原料粒度均匀，疏松，不需粉碎、研磨、筛选即可直接使用，避免了二次处理带来的污染。
Description
技术领域
本发明涉及一种超低N、B含量碳化硅原料的制备方法，属于半导体材料制备领域。
背景技术
碳化硅单晶因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性质，而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域，是最重要的第三代半导体材料之一。众所周知，传统的半导体材料，例如硅对杂质浓度相当敏感，作为第三代半导体材料的碳化硅也不例外。N、B、Al等小原子序数的杂质比较容易进入晶格，对材料性能有相当大的影响。高纯碳化硅原料不仅是生长导电型碳化硅晶体的要求，而且高纯半绝缘碳化硅晶体的生长对原料纯度尤其是超低N、B、Al含量的要求更加苛刻。高纯碳化硅单晶是制备高频、大功率微波器件的首选材料，但生长高纯半绝缘晶体首先要解决低N、B含量的超高纯原料问题。目前碳化硅粉料制备主要通过碳粉和硅粉按一定比例混合后高温固相合成法来实现，基本能满足晶体生长的需要。这种方法合成的原料虽然能通过在高温合成阶段通入氢气、卤素元素等降低N元素含量，但由于是固相合成，氢气、卤素元素不能很好的进入固相反应颗粒间置换掉平衡后少量的N、B元素，故通过此种方法合成的碳化硅原料中N、B元素依然有一定量的存在。由于N、B原子在碳化硅晶体中分凝系数相对比较高，故在晶体生长过程中，N、B原子依然有比较大的部分进入晶体中，从而影响碳化硅晶体的半绝缘性能或良率的产出。而且由此方法合成的碳化硅还需要进行粉碎、过筛、分选等操作才能产出均一粒径的碳化硅原料，这些操作无疑也会增加过程中的污染。所以，这种原料还难以满足高质量高纯半绝缘晶体生长的需要。
发明内容
本发明的目的在于提供一种超低N、B含量碳化硅原料的制备方法，以解决上述背景技术中提出的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种用于制备超低N、B含量高纯碳化硅粉料的方法，其特征在于，其它包括以下步骤：
S1，将碳毡（石墨毡）裁成与合成坩埚横截面大小一致的形状，称重后，记录碳毡（石墨毡）的质量，并将其铺设于合成坩埚底部；根据碳毡（石墨毡）的质量，按照碳毡（石墨毡）：硅粉摩尔比为0.9-1.2称量硅粉均匀地铺设于碳毡（石墨毡）上面；以此类推，铺设多层碳毡（石墨毡）与硅粉反应的前驱体；
S2，将铺设好反应前驱体物质的合成坩埚放置于加热器内，并抽真空至10-4帕以下，保持3-10h；
S3，加热器开始加热，将合成坩埚温度加热至1400℃，并保持3-24h，时真空维持在10-4帕以下；
S4,加热器继续加热，并开始以氩气为载气，通入氢气或氯气、氯化氢、氟利昂或四氯化碳的一种或几种除杂气体，将合成坩埚温度加热1700-2100℃，压强维持在10000帕-80000帕之间，时间为2-20h；
S5，原料合成完毕后，关闭中频电源停止加热，继续通氩气、氢气，维持合成炉内压强维持在50000帕，当合成炉内合成坩埚温度降到600℃后停止氢气供给；
S6，当合成炉内合成坩埚温度降到室温后释放合成炉内压强，使其内部与外界压强一致，打开合成炉，取出合成坩埚；
所述合成坩埚温度为1800℃-2000℃之间，压强维持在30000帕-60000帕之间，时间为4-8h；
所述氩气与除杂气体比例为0：1-1：0.1，优选地，氩气与除杂气体比例为1：1.5-1：0.3；
所述合成坩埚为碳化硅合成的半密闭容器，用于放置由碳毡（石墨毡）硅粉反应前驱体；
碳毡（石墨毡）硅粉反应前驱体，所述碳毡（石墨毡）硅粉反应前驱体至少包含一层碳毡（石墨毡）和一层硅粉组成前驱物质，反应前驱体放置在合成坩埚内，碳毡（石墨毡）及硅粉纯度杂质含量低于5ppm；
加热器，所述合成坩埚置于加热器内，所述加热器用于加热合成坩埚，使得硅粉升华、渗透进入多孔的碳毡（石墨毡）内部，反应生成碳化硅原料。
优选的，所述合成坩埚为圆形、方形、椭圆形等半密闭容器。
优选的，合成坩埚为耐高温材料，材料材质为石墨但不仅限于石墨的钽、钨、铌等金属或碳化钽、碳化钨等耐高温材料。
优选的，所述反应前驱体由一层或多层碳毡（石墨毡）和硅粉组成，相互之间交替排列放置。
优选的，所述的反应前驱体中碳毡（石墨毡）的特征为，其为疏松多孔材质，气体能手渗透进入其内部。
优选的，所述的合成坩埚，其特征在于半密封结构，可以是螺纹或非螺纹的密封方式。
优选的，加热器可以是电磁感应加热、石墨电阻加热、钨钼电阻加热或其他电阻加热方式。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：根据本申请用于制备超低N、B含量碳化硅原料的方法，制备的碳化硅原料为疏松颗粒状，无需粉碎、研磨及筛选即可直接使用，避免了杂质的二次引入；制备的碳化硅原料颗粒均匀、纯度高，尤其时具有超低N、B含量。
附图说明
图1为本申请实施例涉及的装入多层碳毡（石墨毡）与硅粉反应的前驱体后合成坩埚示意图。
图中：1合成坩埚，2碳毡（石墨毡），3硅粉。
实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1，本发明提供一种技术方案：一种用于制备超低N、B含量高纯碳化硅粉料的方法，其它包括以下步骤：
S1，将碳毡（石墨毡）2裁成与合成坩埚1横截面大小一致的形状，称重后，记录碳毡（石墨毡）的质量，并将其铺设于合成坩埚1底部；根据碳毡（石墨毡）2的质量，按照碳毡（石墨毡）：硅粉摩尔比为0.9-1.2称量硅粉均匀地铺设于碳毡（石墨毡）2上面；以此类推，铺设多层碳毡（石墨毡）2与硅粉3反应的前驱体；
S2，将铺设好反应前驱体物质的合成坩埚1放置于加热器内，并抽真空至10-4帕以下，保持3-10h；
S3，加热器开始加热，将合成坩埚温度加热至1400℃，并保持3-24h，时真空维持在10-4帕以下；
S4,加热器继续加热，并开始以氩气为载气，通入氢气或氯气、氯化氢、氟利昂或四氯化碳的一种或几种除杂气体，将合成坩埚温度加热1700-2100℃，压强维持在10000帕-80000帕之间，时间为2-20h；
S5，原料合成完毕后，关闭中频电源停止加热，继续通氩气、氢气，维持合成炉内压强维持在50000帕，当合成炉内合成坩埚温度降到600℃后停止氢气供给；
S6，当合成炉内合成坩埚温度降到室温后释放合成炉内压强，使其内部与外界压强一致，打开合成炉，取出合成坩埚；
所述合成坩埚1温度为1800℃-2000℃之间，压强维持在30000帕-60000帕之间，时间为4-8h；
所述氩气与除杂气体比例为0：1-1：0.1，优选地，氩气与除杂气体比例为1：1.5-1：0.3；
所述合成坩埚1为碳化硅合成的半密闭容器，用于放置由碳毡（石墨毡）硅粉反应前驱体；
碳毡（石墨毡）硅粉2反应前驱体，所述碳毡（石墨毡）2硅粉3反应前驱体至少包含一层碳毡（石墨毡）和一层硅粉组成前驱物质，反应前驱体放置在合成坩埚内，碳毡（石墨毡）及硅粉纯度杂质含量低于5ppm；
加热器，所述合成坩埚1置于加热器内，所述加热器用于加热合成坩埚1，使得硅粉3升华、渗透进入多孔的碳毡（石墨毡）1内部，反应生成碳化硅原料。
所述合成坩埚1为圆形、方形、椭圆形等半密闭容器，合成坩埚为耐高温材料，材料材质为石墨但不仅限于石墨的钽、钨、铌等金属或碳化钽、碳化钨等耐高温材料。
所述反应前驱体由一层或多层碳毡（石墨毡）1和硅粉3组成，相互之间交替排列放置，反应前驱体中碳毡（石墨毡）的特征为，其为疏松多孔材质，气体能手渗透进入其内部。
合成坩埚1为半密封结构，可以是螺纹或非螺纹的密封方式，加热器可以是电磁感应加热、石墨电阻加热、钨钼电阻加热或其他电阻加热方式。
实施例
依据图1，采用圆形合成坩埚，坩埚盖为螺纹连接，内径为150mm，外径为170mm，高度为200mm。将纯度优于10ppmw、厚度为10mm的碳毡，裁剪为多片直径为150mm圆形碳毡，每一片称重约为30克，先将一片裁剪好的碳毡平铺于合成坩埚底部，再将65克纯度优于10ppmw、200目的硅粉均匀的铺设于探长上面；重复以上动作直到合成坩埚80%的容积，并拧好合成坩埚盖后放置于中频感应加热炉内。
启动中频感应加热炉真空系统，抽真空至10-4帕以下后保持6h后，启动中频感应电源，初始加热至1400℃，并保持8h。在此过程中，维持炉内真空系统小于10-4帕以下。
初始加热1400℃，8h后，开始通入氩气、氢气及氟利昂气体，比例为1：0.1：0.5，其中氩气流量为100SCCM，合成炉内压强维持在50000帕；同时加热合成坩埚至1850℃进行原料合成，时间为6h。
原料合成完毕后，关闭中频电源停止加热，继续通氩气、氢气，维持合成炉内压强维持在50000帕，当合成炉内合成坩埚温度降到600℃后停止氢气供给。
当合成炉内合成坩埚温度降到室温后释放合成炉内压强，使其内部与外界压强一致，打开合成炉，取出合成坩埚。
对合成坩埚内的合成的碳化硅原料进行取样观察，合成的碳化硅原料疏松，呈白色，稍带点灰色，轻轻一捣就散成颗粒状，没有结块。GDMS和SIMS测试表明：原料中N含量小于0.3ppmw，B含量小于0.03ppmw。激光粒度测试仪测试中位粒径D50为550um。
实施例
依据图1，采用圆形合成坩埚，坩埚盖为螺纹连接，内径为150mm，外径为170mm，高度为200mm。将纯度优于5ppmw、厚度为10mm的碳毡，裁剪为多片直径为150mm圆形碳毡，每一片称重约为30克，先将一片裁剪好的碳毡平铺于合成坩埚底部，再将65克纯度优于10ppmw、200目的硅粉均匀的铺设于探长上面；重复以上动作直到合成坩埚80%的容积，并拧好合成坩埚盖后放置于中频感应加热炉内。
启动中频感应加热炉真空系统，抽真空至10-4帕以下后保持6h后，启动中频感应电源，初始加热至1400℃，并保持8h。在此过程中，维持炉内真空系统小于10-4帕以下。
初始加热1400℃，8h后，开始通入氩气、氢气及氟利昂气体，比例为1：0.2：0.8，其中氩气流量为100SCCM，合成炉内压强维持在50000帕；同时加热合成坩埚至1850℃进行原料合成，时间为10h。
原料合成完毕后，关闭中频电源停止加热，继续通氩气、氢气，维持合成炉内压强维持在50000帕，当合成炉内合成坩埚温度降到600℃后停止氢气供给。
当合成炉内合成坩埚温度降到室温后释放合成炉内压强，使其内部与外界压强一致，打开合成炉，取出合成坩埚。
对合成坩埚内的合成的碳化硅原料进行取样观察，合成的碳化硅原料疏松，呈白色，几乎不见灰色，轻轻一捣就散成颗粒状，没有结块。GDMS和SIMS测试表明：原料中N含量小于0.1ppmw，B含量低于检测限。激光粒度测试仪测试中位粒径D50为570um。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。
Claims (7)
1.一种用于制备超低N、B含量高纯碳化硅粉料的方法，其特征在于，其它包括以下步骤：
S1，将碳毡（石墨毡）裁成与合成坩埚横截面大小一致的形状，称重后，记录碳毡（石墨毡）的质量，并将其铺设于合成坩埚底部；根据碳毡（石墨毡）的质量，按照碳毡（石墨毡）：硅粉摩尔比为0.9-1.2称量硅粉均匀地铺设于碳毡（石墨毡）上面；以此类推，铺设多层碳毡（石墨毡）与硅粉反应的前驱体；
S2，将铺设好反应前驱体物质的合成坩埚放置于加热器内，并抽真空至10-4帕以下，保持3-10h；
S3，加热器开始加热，将合成坩埚温度加热至1400℃，并保持3-24h，时真空维持在10-4帕以下；
S4,加热器继续加热，并开始以氩气为载气，通入氢气或氯气、氯化氢、氟利昂或四氯化碳的一种或几种除杂气体，将合成坩埚温度加热1700-2100℃，压强维持在10000帕-80000帕之间，时间为2-20h；
S5，原料合成完毕后，关闭中频电源停止加热，继续通氩气、氢气，维持合成炉内压强维持在50000帕，当合成炉内合成坩埚温度降到600℃后停止氢气供给；
S6，当合成炉内合成坩埚温度降到室温后释放合成炉内压强，使其内部与外界压强一致，打开合成炉，取出合成坩埚；
所述合成坩埚温度为1800℃-2000℃之间，压强维持在30000帕-60000帕之间，时间为4-8h；
所述氩气与除杂气体比例为0：1-1：0.1，优选地，氩气与除杂气体比例为1：1.5-1：0.3；
所述合成坩埚为碳化硅合成的半密闭容器，用于放置由碳毡（石墨毡）硅粉反应前驱体；
碳毡（石墨毡）硅粉反应前驱体，所述碳毡（石墨毡）硅粉反应前驱体至少包含一层碳毡（石墨毡）和一层硅粉组成前驱物质，反应前驱体放置在合成坩埚内，碳毡（石墨毡）及硅粉纯度杂质含量低于5ppm；
加热器，所述合成坩埚置于加热器内，所述加热器用于加热合成坩埚，使得硅粉升华、渗透进入多孔的碳毡（石墨毡）内部，反应生成碳化硅原料。
2.根据权利要求1所述的一种用于制备超低N、B含量高纯碳化硅粉料的方法，其特征在于，所述合成坩埚为圆形、方形、椭圆形等半密闭容器。
3.根据权利要求2所述的一种用于制备超低N、B含量高纯碳化硅粉料的方法，其特征在于，合成坩埚为耐高温材料，材料材质为石墨但不仅限于石墨的钽、钨、铌等金属或碳化钽、碳化钨等耐高温材料。
4.根据权利要求1所述的一种用于制备超低N、B含量高纯碳化硅粉料的方法，其特征在于，所述反应前驱体由一层或多层碳毡（石墨毡）和硅粉组成，相互之间交替排列放置。
5.根据权利要求1所述的一种用于制备超低N、B含量高纯碳化硅粉料的方法，其特征在于，所述的反应前驱体中碳毡（石墨毡）的特征为，其为疏松多孔材质，气体能手渗透进入其内部。
6.根据权利要求3所述的一种用于制备超低N、B含量高纯碳化硅粉料的方法，其特征在于，所述的合成坩埚，其特征在于半密封结构，可以是螺纹或非螺纹的密封方式。
7.根据权利要求1所述的一种用于制备超低N、B含量高纯碳化硅粉料的方法，其特征在于，加热器可以是电磁感应加热、石墨电阻加热、钨钼电阻加热或其他电阻加热方式。
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|---|---|---|---|---|
| CN116639693A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-08-25 | 苏州优晶光电科技有限公司 | 一种提高固相合成碳化硅出料率的合成方法 |
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| CN116639693A (zh) * | 2023-07-24 | 2023-08-25 | 苏州优晶光电科技有限公司 | 一种提高固相合成碳化硅出料率的合成方法 |
| CN116639693B (zh) * | 2023-07-24 | 2023-10-20 | 苏州优晶光电科技有限公司 | 一种提高固相合成碳化硅出料率的合成方法 |
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