本發(fā)明專利技術(shù)涉及一種碳化硅晶體生長(zhǎng)用高純碳化硅原料的固相合成方法，包括采用高純液態(tài)或溶膠狀態(tài)的含硅有機(jī)物和高殘?zhí)柯实挠袡C(jī)物為原料、通過液相充分混合后干燥為固相態(tài)作為固相合成前驅(qū)體的前驅(qū)體處理工序。本發(fā)明專利技術(shù)將簡(jiǎn)單易得的有機(jī)物作為碳源和硅源來使用，因此生產(chǎn)成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，能大規(guī)模生產(chǎn)；并且采用了液態(tài)或溶膠狀態(tài)的碳源和硅源，通過液相充分混合后干燥為固相態(tài)作為固相合成前驅(qū)體，保證了碳源和硅源的超緊密接觸，克服了傳統(tǒng)的固相合成法原料混合反應(yīng)不均的問題；又，因采用高純度碳源和硅源，能獲得可應(yīng)用于碳化硅晶體的生長(zhǎng)的高純度碳化硅原料。
【技術(shù)實(shí)現(xiàn)步驟摘要】
本專利技術(shù)涉及電子工業(yè)和半導(dǎo)體材料
，具體涉及碳化硅，尤其是一種。
技術(shù)介紹
碳化硅晶體是第三代寬帶隙半導(dǎo)體材料，和第一代硅、第二代砷化鎵半導(dǎo)體材料相比，具有禁帶寬度大、擊穿電壓高、熱導(dǎo)率高、電子飽和漂移速率高、電子遷移率高、介電常數(shù)小、抗輻射性能強(qiáng)、化學(xué)穩(wěn)定性好等優(yōu)良的物理化學(xué)性質(zhì)，以及與硅集成電路工藝兼容等特點(diǎn)，優(yōu)良的性能使得碳化硅晶體成為制造高溫、高頻、大功率、抗輻射、不揮發(fā)存儲(chǔ)器件及光電集成器件的優(yōu)選材料，成為國(guó)際上新材料、微電子和光電子領(lǐng)域研究的熱點(diǎn)。碳化娃晶體通常采用物理氣相傳輸法(physical vapor transport, PVT)進(jìn)行生長(zhǎng)，即高純(電子級(jí))的碳化硅粉料置于2000°C以上高溫處，沿碳化硅籽晶方向有一溫度梯度，使粉料與籽晶間有一個(gè)硅和碳組分的氣相輸運(yùn)，實(shí)現(xiàn)在籽晶上定向生長(zhǎng)碳化硅晶體。生產(chǎn)硅晶圓需要高純度的硅材料一樣，生產(chǎn)碳化硅晶圓也需要高純度的碳化硅原料。制備碳化硅原料的方法有化學(xué)合成制備法和機(jī)械制備法，化學(xué)方法是將幾種物質(zhì)在一定條件下使之發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，再從反應(yīng)產(chǎn)物中得到碳化硅納米粉體。按初始原料的物態(tài)又可分為固相法(如碳熱還 原法、硅與碳直接反應(yīng)法等)、液相法(如溶膠-凝膠法、聚合物熱分解法等)及氣相法(如化學(xué)氣相沉積法、等離子體法、激光誘導(dǎo)法等)。機(jī)械制備法是將冶煉好的碳化硅大塊晶體經(jīng)過一級(jí)破碎，然后通過粉磨過程制備超細(xì)粉體，可以使用球磨機(jī)、振動(dòng)磨、攪拌磨等粉體機(jī)械。而目前生產(chǎn)中最常用的制備方法是碳熱還原法(Acheson)，是在電阻爐中將石英(二氧化硅)和焦碳(碳)加熱到2000°C以上，生成粗的碳化硅粉體，反應(yīng)后的樣品中通常存在多余的碳和石英，一般將樣品加熱到600°C以上氧化去除多余的碳，用氫氟酸浸泡去除多余的石英；將樣品碾磨和球磨以減小粒度，經(jīng)過分級(jí)處理得到不同尺寸的碳化硅粉。然而，傳統(tǒng)的碳化硅原料通常采用石英砂、石油焦(或煤焦)、木屑(生產(chǎn)綠色碳化硅時(shí)需要加食鹽)等原料，由于傳統(tǒng)碳化硅生產(chǎn)過程中原料、設(shè)備、粉碎等工藝難以進(jìn)行精密控制，生產(chǎn)的碳化硅純度較低，介于95-99%之間，各種雜質(zhì)含量尤其是金屬比較高。當(dāng)采用純度較低的碳化硅原料生長(zhǎng)碳化硅晶體時(shí)非常容易產(chǎn)生如多晶、微管道、位錯(cuò)、包裹等缺陷，難以形成高質(zhì)量的碳化硅晶體；而且，由于各種雜質(zhì)尤其是過渡金屬雜質(zhì)的影響，晶體性能嚴(yán)重下降，晶片無法作為器件制作使用。為獲得高純度碳化硅原料，專利CN101302011A公開了兩次合成法，該方法克服了一次合成反應(yīng)不完全、不均勻的缺點(diǎn)，不僅使初次合成時(shí)剩余的碳和硅單質(zhì)完全反應(yīng)，且可以采用二次合成時(shí)的高溫有效去除碳粉和硅粉中攜帶的大部分雜質(zhì)元素，提高了合成粉料的純度。但是，通過二次合成會(huì)增加加工工序，增加制備成本。因此發(fā)展一種新的工藝方法，使得合成碳化硅所需的原料、設(shè)備、工藝所造成的污染可能性降低到最低限度，獲得高純度碳化硅原料。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路
面對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問題，本專利技術(shù)人意識(shí)到將較容易獲得的高純度有機(jī)物作為原料的基礎(chǔ)上，通過控制工藝參數(shù)及條件，提高制成的碳化硅原料的純度。在此，本專利技術(shù)提供一種，該方法包括采用高純液態(tài)或溶膠狀態(tài)的含硅有機(jī)物和高殘?zhí)柯实挠袡C(jī)物為原料、通過液相充分混合后干燥為固相態(tài)作為固相合成前驅(qū)體的前驅(qū)體處理工序。本專利技術(shù)將簡(jiǎn)單易得的有機(jī)物作為碳源和硅源來使用，因此生產(chǎn)成本低，制備工藝簡(jiǎn)單，能大規(guī)模生產(chǎn)；并且采用了液態(tài)或溶膠狀態(tài)的碳源和硅源，通過液相充分混合后干燥為固相態(tài)作為固相合成前驅(qū)體，保證了碳源和硅源的超緊密接觸，克服了傳統(tǒng)的固相合成法原料混合反應(yīng)不均的問題；又，因采用高純度碳源和硅源，能獲得可應(yīng)用于碳化硅晶體的生長(zhǎng)的高純度碳化硅原料。在本專利技術(shù)中，所述含硅有機(jī)物可為六甲基二硅氧烷、硅溶膠等含硅的有機(jī)物，所述高殘?zhí)柯实挠袡C(jī)物可為酚醛樹脂、聚氨酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇等樹脂。本專利技術(shù)的原料來源豐富、易得。在本專利技術(shù)中，所述干燥溫度可為100-400°c，優(yōu)選為150-250°c，相應(yīng)的干燥時(shí)間可為3-36小時(shí)。這樣可以使液態(tài)或溶膠狀態(tài)的高純有機(jī)物干燥成適合于固相合成工藝的高純固態(tài)混合物。 在本專利技術(shù)中，所述固相合成方法還可包括將所述固相合成前驅(qū)體于還原性氣氛中高溫碳化而轉(zhuǎn)變?yōu)橹饕韬吞嫉幕旌衔?的碳化工序；將所得混合物于還原性氣氛中減壓高溫合成為疏松狀的一次碳化硅料的高溫合成工序；將所述疏松狀的一次碳化硅料高溫氧化以去除多余的碳和/或金屬雜質(zhì)得二次碳化硅料的高溫氧化工序；以及對(duì)所述二次碳化硅料進(jìn)行濕法酸處理而獲得高純碳化硅粉體的濕法酸處理工序。又，所述碳化工序可在有還原氣氛保護(hù)的電阻爐或中頻感應(yīng)爐中進(jìn)行，碳化溫度可為650-1200°C，碳化時(shí)間可為1-24小時(shí)。此外，在所述碳化工序中，所述還原氣氛可采用氬氣氣氛、氫氣氣氛等。在本專利技術(shù)中，所述高溫合成工序在有還原性氣氛保護(hù)的石墨電阻爐或中頻感應(yīng)爐(優(yōu)選石墨電阻爐)中進(jìn)行；合成溫度為1500-2200°C，優(yōu)選1700-2000°C ;時(shí)間為3_36小時(shí)；真空度為5X KT3Pa以下，優(yōu)選IXlO-3Pa以下；爐內(nèi)氣氛壓力為l_700Torr，優(yōu)選10-200Torr。又，在所述高溫合成工序中，所述還原性氣氛可為氫氣氣氛、氬氣氣氛或兩者的混合氣氛。在有還原性氣氛保護(hù)下的高純度爐內(nèi)分別進(jìn)行碳化處理和高溫合成處理，可將環(huán)境所帶來的污染的可能性降到了最低限度。在所述高溫合成工序中，通過控制工藝條件，可將氮元素對(duì)原料及晶體的污染降到了最低，并且合成和具有疏松狀形態(tài)的一次碳化硅料，易于粉碎，而且不容易引入雜質(zhì)。在高溫氧化時(shí)選用氣體為高純氧氣，氧化溫度可為600-1500°C，優(yōu)選為800-1200°C，時(shí)間可為1-24小時(shí)。通過高溫氧化處理，可有效去除碳和/或金屬雜質(zhì)。而且采用高純氧氣，不容易引入雜質(zhì)。所述濕法酸處理采用的酸液可為HCl、HF、H2S04、HN03的一種或幾種混合酸浸泡，浸泡溫度可為20-85 °C，浸泡時(shí)間可6小時(shí)以上。附圖說明圖1示出本專利技術(shù)示意流程圖。具體實(shí)施例方式參照說明書附圖，并結(jié)合下述實(shí)施方式進(jìn)一步說明本專利技術(shù)，應(yīng)理解，下述實(shí)施方式僅用于說明本專利技術(shù)，而非限制本專利技術(shù)。本專利技術(shù)以高純液態(tài)或溶膠狀態(tài)的含硅有機(jī)物作為硅源，以高純液態(tài)或溶膠狀態(tài)的高殘?zhí)柯实挠袡C(jī)物作為碳源，通過固相合成工藝制備出高純碳化硅原料。首先，參見圖1，在步驟SI準(zhǔn)備硅源和碳源，作為硅源可以使用高純六甲基二硅氧烷、硅溶膠等，碳源可以使用高純酚醛樹脂、聚酰亞胺、聚氨酯、聚丙烯腈、聚乙烯醇等樹脂，但是優(yōu)選地采用六甲基二硅氧烷和酚醛樹脂。本專利技術(shù)中，上述物質(zhì)的純度不小于99.9%。之后， 在步驟S2,將聞純含娃有機(jī)物和聞殘?zhí)柯实挠袡C(jī)物均勻混合后,然后在步驟S3干燥成固態(tài)混合物，具體地，將準(zhǔn)備好的上述有機(jī)物放置于潔凈石英坩堝中攪拌均勻，碳硅比為1-3。將混合后的物質(zhì)轉(zhuǎn)移至電阻爐中干燥，得到干燥的固態(tài)混合物作為固相合成前驅(qū)體。上述干燥溫度可為100-400°C，優(yōu)選為150-250°C，時(shí)間可為3_36小時(shí)。接著，將上述固態(tài)混合物(固相合成前驅(qū)體)依次進(jìn)行碳化(步驟S4)、高溫合成(步驟S5 )、高溫氧化(步驟S6 )和濕法酸處理(步驟S7 )。以下對(duì)碳化、高溫合成、高溫氧化及濕法酸處理的具體過程進(jìn)行詳細(xì)說明。碳化過程具體可為，在本文檔來自技高網(wǎng)...
【技術(shù)保護(hù)點(diǎn)】
一種碳化硅晶體生長(zhǎng)用高純碳化硅原料的固相合成方法，其特征在于，所述固相合成方法包括采用高純液態(tài)或溶膠狀態(tài)的含硅有機(jī)物和高殘?zhí)柯实挠袡C(jī)物為原料、通過液相充分混合后干燥為固相態(tài)作為固相合成前驅(qū)體的前驅(qū)體處理工序。
【技術(shù)特征摘要】
【專利技術(shù)屬性】
技術(shù)研發(fā)人員：陳建軍，王輝，孔海寬，忻雋，劉熙，肖兵，楊建華，施爾畏，
申請(qǐng)(專利權(quán))人：上海硅酸鹽研究所中試基地，中國(guó)科學(xué)院上海硅酸鹽研究所，
類型：發(fā)明
國(guó)別省市：
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