专利名称：：用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法
技术领域：
：本发明涉及一种用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法，属于碳化硅粉料合成
技术领域：
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背景技术：
：碳化硅单晶因其具有禁带宽度大、击穿电场高、热导率大、电子饱和漂移速度高、介电常数小、抗辐射能力强、良好的化学稳定性等独特的特性，在显示、存储、探测等光电子器件和高温、高频、大功率电子器件领域有广阔的应用前景，在单晶衬底、同质外延半导体薄膜和器件工艺等方面发展迅速，是最理想的第三代半导体之一。半绝缘碳化硅在高频下有低的介电损耗，使得它在作为基于宽带隙半导体(例如SiC、GaN)的高温、大功率、高频电子器件和传感器的单晶衬底上有很大的优势。SiC粉料的纯度在升华法生长半导体SiC单晶时起很重要的作用，直接影响生长单晶的结晶质量和电学性质。SiC粉料合成的方法主要有三种有机合成法、自蔓延法和Acheson法。有机合成法主要用于制备纳米级SiC粉，合成的原料中有多种杂质元素，虽然通过后续处理可以得到杂质含量在lppm以下的高纯SiC粉料，但后续处理过程复杂，微粉收集困难，不适合大量生产使用。高温自蔓延方法是利用物质反应热的自传导作用，使物质之间发生化学反应，在极短时间内形成化合物的高温合成反应。由于Si和C之间的反应是弱放热反应，在使用自蔓延方法合成时为了保证反应持续进行所需的热量，要在其中加入其它的添加剂。《硅酸盐学报》在1998年第26巻第2期发表的《预热自蔓延合成SiC粉末机理的研究》中采用自蔓延方法合成了P-SiC粉末，利用Si02与Mg之间的放热反应来弥补热量不足，但这无疑引入了金属杂质Mg和O元素，同时采用了氮气作为载气，氮作为杂质迸入合成产物中，对生长晶体的电学性质有重要影响，且反应不均匀，有Si单质剩余。目前工业上合成SiC粉料主要使用Acheson法，此法为1893年法国化学家E.G.Acheson发明。Acheson法是在高温、强电场作用下，Si02被C还原，首先生成e-SiC，高温下转变成a-SiC。这种方法合成的SiC粉末氧化物含量达lwt%，存在坚硬固体结块，需要粉碎、酸洗等工序，使得杂质含量较高，其纯度无法达到生长半导体单晶的水平。
发明内容本发明针对传统Acheson法合成SiC粉料存在的不足，提供一种能够得到高产率的用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法。本发明的高纯碳化硅粉的人工合成方法，包括以下步骤(1)按摩尔比1:1的比例取Si粉和C粉，两者的纯度均大于99.998%，粒度均小于500(am;(2)初次合成将所取Si粉和C粉混合均匀后放入坩埚中，然后将坩埚置于中频感应加热炉中，对加热炉的生长室抽真空，除去生长室中的氧气和氮气，同时将温度升高至iooo'C;然后向生长室中充入高纯氩气、氦气或氩气和氢气的混合气体，氩气、氦气、氢气的纯度均大于99.999%，加热至合成温度1500°C,保持反应时间15分钟，而后降至室温，将反应后的产物中大于1厘米的团聚物研成小于lmm的粉末；(3)二次合成将一次合成中所得产物粉末混合均匀，重新放入坩埚中，将坩埚置于中频感应加热炉中，对加热炉的生长室抽真空，同时将温度升高至1000'C;然后向生长室充入纯度均大于99.999%的高纯氩气、氦气或氩气和氢气的混合气体，加热至合成温度160CTC到2000°C，合成时间为2小时-10小时，而后降至室温，即可得到适于半导体SiC单晶生长的高纯SiC粉料。步骤(2)或(3)中向中频感应加热炉生长室中充入氩气和氢气的混合气体时，氩气与氢气的体积比为90:10。由于Si和C反应为弱放热反应，自身反应的热量无法维持反应的进行，因此采用了持续加热的方法使反应持续进行。本发明采用两次合成法，克服了一次合成反应不完全、不均匀的缺点，不仅可以使初次合成时剩余的Si和C单质完全反应，且可以采用二次合成时的高温有效去除Si粉和C粉中携带的大部分杂质元素。在一次合成时大部分的Si和C都已经反应生成了SiC，不会导致高温Si的损失，在保证合成产率的基础上，使合成粉料的纯度得到了提高，杂质浓度比原料中的要低。附图是实施例1中初次合成和二次合成产物的XRD图。具体实施方式实施例1(1)按摩尔比l:l取C粉和Si粉，其中C粉纯度大于99.998X，粒度小于500nm，Si粉纯度大于99.998%，粒度小于500|am;(2)进行初次合成，将所取C粉和Si粉混合均匀后放入坩埚中，将坩埚置于中频感应加热生长炉中；对生长室抽真空，同时将温度升高至IOO(TC;然后向生长室充入纯度大于99.999%的高纯氩气，加热至1500°C，保持15分钟，而后降至室温；将反应后的产物中大于l厘米的团聚物使用高纯石墨研钵研成小于lmm的粉末，此团聚物很疏松，不会由于研磨引入其它金属杂质；(3)进行二次合成，将一次合成中所得产物粉末混合均匀，重新放入坩埚中，将坩埚置于中频感应加热的生长炉中；对生长室抽真空，同时将温度升高至100(TC;然后向生长室充入纯度大于99.999%的高纯氩气，合成温度加热至160(TC，合成时间为10小时，而后降至室温，得到粒度小于20)Lun的适于半导体SiC单晶生长的高纯e相SiC粉料。采用粉末衍射法(XRD)对初次合成和二次合成产物进行物相分析，得到XRD图如附图所示。初次合成粉末有Si和C单质剩余，通过二次合成使反应完全。实施例2本实施例与实施例l的不同之处在于两次合成时向中频感应加热生长炉的生长室中充入的均是氩气与氢气的混合气体，氩气与氢气的体积比为90:10，氩气与氢气的纯度均大于99.999%。最后得到粒度小于20pm的适于半导体SiC单晶生长的高纯P相SiC粉料。实施例3本实施例与实施例1的不同之处在于步骤(3)的二次合成中是将合成温度加热至1800°C，合成时间为5小时，得到粒度小于20nm的适于半导体SiC单晶生长的高纯a相SiC粉料。实施例4本实施例与实施例1的不同之处在于步骤(2)的初次合成中向中频感应加热生长炉的生长室中充入的是纯度大于99.999%的高纯氦气，步骤(3)的二次合成中向中频感应加热生长炉的生长室中充入的是纯度大于99.999%的高纯氢气，并且将步骤(3)中的合成温度加热至2000°C，合成时间为2小时，得到粒度100pm-200nm的适于半导体SiC单晶生长的高纯a相SiC粉料。并对合成后的产物进行了杂质分析，下表给出了GDMS分析本实施例合成的SiC粉杂质含量<table>tableseeoriginaldocumentpage5</column></row><table>权利要求1.一种用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法，其特征在于，包括以下步骤(1)按摩尔比1∶1的比例取Si粉和C粉，两者的纯度均大于99.998％，粒度均小于500μm；(2)初次合成将所取Si粉和C粉混合均匀后放入坩埚中，然后将坩埚置于中频感应加热炉中，对加热炉的生长室抽真空，除去生长室中的氧气和氮气，同时将温度升高至1000℃；然后向生长室中充入高纯氩气、氦气或氩气和氢气的混合气体，氩气、氦气、氢气的纯度均大于99.999％，加热至合成温度1500℃，保持反应时间15分钟，而后降至室温，将反应后的产物中大于1厘米的团聚物研成小于1mm的粉末；(3)二次合成将一次合成中所得产物粉末混合均匀，重新放入坩埚中，将坩埚置于中频感应加热炉中，对加热炉的生长室抽真空，同时将温度升高至1000℃；然后向生长室充入纯度均大于99.999％的高纯氩气、氢气或两者的混合气体，加热至合成温度1600℃到2000℃，合成时间为2小时-10小时，而后降至室温，即可得到适于半导体SiC单晶生长的高纯SiC粉料。2.根据权利要求1所述的用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法，其特征在于，所述步骤(2)或(3)中向中频感应加热炉生长室中充入氩气和氢气的混合气体时，氩气与氢气的体积比为90:10。全文摘要本发明提供了一种用于半导体单晶生长的高纯碳化硅粉的人工合成方法，包括以下步骤(1)按摩尔比1∶1的比例取Si粉和C粉；(2)将所取Si粉和C粉混合均匀后放入坩埚中，将坩埚置于中频感应加热炉中，对生长室抽真空，将温度升高至1000℃；向生长室中充入高纯氩气、氦气或者氩气和氢气的混合物，加热至合成温度1500℃，保持一定的反应时间后降至室温；(3)将一次合成中所得产物粉末混合均匀，在1600℃到2000℃二次合成温度，合成时间2小时-10小时，降至室温即可得到适于半导体SiC单晶生长的高纯SiC粉料。本发明采用二次合成法，不仅可以使初次合成时剩余的Si和C单质完全反应，且有效去除Si粉和C粉中携带的大部分杂质元素。文档编号C01B31/36GK101302011SQ20081001666公开日2008年11月12日申请日期2008年6月4日优先权日2008年6月4日发明者宁丽娜,徐现刚,娟李,王英民,胡小波申请人:山东大学