碳化硅单晶124的生长和4H多型体的单个碳化硅晶体124的生长被确定为半绝缘的，并且 具有非常高的电阻率，对于6H多型体的碳化硅单晶124为1X1011欧姆-厘米至2X10 11欧 姆-厘米，并且对于4H多型体的碳化硅单晶124为4X1011欧姆-厘米至5X10 11欧姆-厘 米。无论哪种多型体，生长的碳化硅单晶124相对于S頂S所确定的硼、铝、铁和钛的典型纯 度分别是1X1〇16粒子/立方厘米、5X1015粒子/立方厘米、1X1015粒子/立方厘米、5X1014 粒子/立方厘米。无论哪种多型体，生长的碳化硅单晶内的氮含量低于1X1〇16粒子/立方 厘米。
[0077] 坩埚11的变体实施例（1Γ、11"、和11"'）分别显示在图5A-5C中。需要注意的 是，在使用中，下文描述的每种变体实施例的坩埚11'、11"、和1Γ"被容置在腔室1〇(图1) 中并且像图1中的坩埚11 一样被绝热材料12包围。图5A-5C中省略了腔室10和绝热材 料12,并且加热器13显得靠近每个坩埚11'、11"以简化说明。因此，图5A-5C中缺少腔室 10和绝热材料12并且加热器13靠近每个坩埚11'、11"不应被理解为对本发明的限制。
[0078] 图5A的具有大的高-直径纵横比的坩埚11'的实施例的剖面图中，（上述的）初 始反应混合物15被放置在坩埚11'的中心或中间部分，并且夹在两个高纯、轻载重量的块 状石墨挡板30之间。加热几何结构使得加热器13接合在坩埚11'的中心或中间部分。由 于箭头40所示的轴向热损失，坩埚11'的顶部或底部比坩埚11'的中心部分冷，并且（图 5A中箭头42所示的）蒸汽输运被指向坩埚11'的顶部和底部。因此，坩埚11'的顶部和底 部发生高纯度多晶碳化硅颗粒材料23的形成，同时碳残留22被保留在坩埚11'的中心或 中间部分。
[0079]图5B的具有大的直径-高纵横比的坩埚11'的剖面图中，管子41沿着坩埚11" 的中心轴线被基本同轴地放置。管子41限定了通向内部的内孔42。在碳化硅合成的温度 (2200-2400°C)适于辐射热输运。因此，孔42便于从坩埚11"的中心、轴线部分进行热损 失（孔42进行的热损失由箭头40所示）。坩埚11"内部，在管子41周围轴对称地放置一 个或多个低密度的块状石墨挡板30,并且反应混合物15被放置在（多个）块状石墨挡板 30外部，也就是说（多个）块状石墨挡板30与坩埚11"的外壁46之间。这种几何结构导 致坩埚11"内部的径向温度梯度。因此，在中心管子41周围，S卩（多个）块状石墨挡板30 内，发生（箭头21所示的）蒸汽输运和高纯度多晶碳化硅颗粒材料23的形成，同时碳残留 22形成于（多个）块状石墨挡板30与外壁46之间。
[0080] 在图5C的具有大的直径-高纵横比的坩埚11"'的剖面图中，加热器13'是沿坩 埚1Γ"的中心轴放置的中心加热器。初始的反应混合物15靠近加热器放置，在坩埚1Γ" 的外部区域内的反应混合物15周围放置一个或多个低密度的块状石墨挡板30。这种几何 结构导致蒸汽输运向外指向坩埚1Γ"的壁46 (箭头21所示的）和在坩埚内部的外侧区域 (即（多个）块状石墨挡板30内）形成高纯度多晶碳化硅颗粒材料23,同时碳残留22形 成于（多个）块状石墨挡板30与图5C的加热器13'之间。
[0081] 上文已经根据优选实施例对本发明进行了描述。一旦阅读和理解了前述的详细说 明，本领域的技术人员即可进行明显的修改和变形。可以理解的是本发明被理解为包括落 入所附的权利要求及其等同的范围内的所有修改和变形。
【主权项】
1. 一种形成多晶碳化硅材料的方法，所述方法包括如下步骤： (a) 将块状碳定位在石墨坩埚内部的第一位置，其中所述块状碳具有透气性和蒸汽渗 透性； (b) 将元素硅（Si)和元素碳（C)组成的混合物定位在所述石墨坩埚内部的第二位置； (c) 在步骤（a)和（b)之后，通过将定位在封闭的坩埚内部的所述混合物和所述块状碳 加热至第一温度，从而将所吸附的气体、或湿气、或挥发物、或所吸附的气体、或湿气、或挥 发物的部分组合从定位在石墨坩埚内部的所述混合物和所述块状碳中移除，所述第一温度 低于元素硅的熔点； (d) 在步骤（c)之后，通过将定位在所述封闭的坩埚内部的混合物加热到第二温度在 所述坩埚内部形成合成碳化硅（SiC)，所述第二温度足以引起所述坩埚内部的形成所述合 成碳化硅的混合物的元素Si和元素C之间的反应，其中在步骤（c)和（d)期间，真空栗抽 空至少所述封闭的坩埚的内部；以及 (e) 在步骤（d)之后，在存在温度梯度的情况下加热所述合成碳化硅和所述块状碳，从 而在具有透气性和蒸汽渗透性的所述块状碳内部形成多晶碳化硅材料，所述温度梯度足以 致使所述合成碳化硅升华并产生蒸汽，所述蒸汽在所述温度梯度的影响下转移进入所述块 状碳，所述蒸汽凝结在所述块状碳上，并与所述块状碳反应，形成多晶碳化硅，其中所述温 度梯度的最低温度是第三温度。2. 根据权利要求1所述的方法，其中所述混合物实质上由元素硅和元素碳组成。3. 根据权利要求1所述的方法，其中在步骤（a)和（b)之后，部分所述混合物与部分具 有透气性和蒸汽渗透性的所述块状碳在所述石墨坩埚内部进行接触。4. 根据权利要求1所述的方法，其中： 具有透气性和蒸汽渗透性的所述块状碳是纯度为至少99. 9999 %的碳； 所述元素硅是纯度为至少99. 9999 %的硅；并且 所述元素碳是纯度为至少99. 9999%的碳。5. 根据权利要求1所述的方法，其中： 具有透气性和蒸汽渗透性的所述块状碳是纯度为至少99. 9999 %的碳； 所述元素硅是纯度为99. 99999 %至99. 9999999%的硅；并且 所述元素碳是纯度为至少99. 99999%的碳。6. 根据权利要求1所述的方法，其中： 所述兀素娃由多个多晶娃块或多晶娃粒组成，每个多晶娃块或多晶娃粒具有1至7 _ 米的最大线性尺寸；并且 所述元素碳是碳粉。7. 根据权利要求1所述的方法，其中： 具有透气性和蒸汽渗透性的所述块状碳是碳黑、碳珠或粒状的碳黑；并且 具有透气性和蒸汽渗透性的所述块状碳具有0. 3-0. 5g/cm3的密度。8. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤（e)是在真空或1至50托的惰性气体压力的 情况下实施的。9. 根据权利要求8所述的方法，其中所述惰性气体是氩。10. 根据权利要求1所述的方法，其中所述第一温度低于所述第二温度，并且所述第二 温度低于所述第三温度。11. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤（d)在足以完成元素硅与元素碳之间的反应 的时间段内发生。12. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤（e)在足以基本完成所述合成碳化硅的升华 并在具有透气性和蒸汽渗透性的所述块状碳内部形成多晶碳化硅材料的时间段内发生。13. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤（b)的混合物内，碳：硅的原子比为1:1至 1. 2:1〇14. 根据权利要求1所述的方法，包括如下一种或多种： 第一温度为1300°C至1400°C; 第二温度为1550°C至1800°C;并且 第三温度为2200°C至2400°C。15. 根据权利要求1所述的方法，其中所述多晶碳化硅材料包括： α(六角形）碳化硅多型体的混合物； 粒子尺寸为0. 2至2mm; 氮浓度小于8X1015cm3; 硼浓度小于6X1015cm3; 铝浓度低于lXl〇15cm3; 铁浓度低于3X1014cm3;并且 钛浓度低于3X1014cm3。16. 根据权利要求1所述的方法，包括如下一种或多种： 步骤⑷紧随步骤（c); 步骤（c)中，真空从步骤（c)初期的10 3至10 4托变化至刚好步骤（d)之前的10 5至 10 6托； 步骤（e)紧随步骤（d); 步骤（d)中，真空从步骤（d)初期的10 2至10 3托变化至刚好步骤（e)之前的小于10 4 托； 步骤（e)的真空小于10 4托。17. 根据权利要求1所述的方法，其中在步骤（a)和（b)之后且在步骤（c)之前，所述 方法还包括如下步骤：通过在环境温度下用真空栗抽空至少所述封闭的坩埚内部，来对定 位在所述石墨坩埚内部的混合物和具有透气性和蒸汽渗透性的所述块状碳进行除气。18. -种多晶碳化硅材料包括： α(六角形）碳化硅多型体的混合物； 粒子尺寸为0. 2至2mm; 氮浓度小于8X1015cm3; 硼浓度小于6X1015cm3; 铝浓度小于lXl〇15cm3; 铁浓度小于3X1014cm3;并且 钛浓度小于3X1014cm3。
【专利摘要】本发明公开了一种形成多晶碳化硅材料的方法，将低密度的、具有透气性和蒸汽渗透性的块状碳定位在石墨坩埚内部的第一位置，并且将元素硅和元素碳的混合物定位在第二位置。将混合物和块状碳加热至低于元素硅的熔点的第一温度而将所吸附的气体、湿气、和/或挥发物从混合物和块状碳中移除。然后将混合物和块状碳加热到第二温度，致使元素硅和元素碳反应，在坩埚内部形成合成碳化硅。然后加热合成碳化硅和块状碳，致使合成碳化硅升华并产生蒸汽，蒸汽转移进入并凝结在块状碳上，并与块状碳反应，形成多晶碳化硅材料。
【IPC分类】C30B28/12, C30B29/36
【公开号】CN105308223
【申请号】CN201480034205
【发明人】伊利亚·崔贝克, 阿维纳什·K·古普塔, 平·吴, 多诺万·L·巴雷特, 盖瑞·E·诺兰德, 托马斯·E·安德森
【申请人】贰陆股份公司
【公开日】2016年2月3日
【申请日】2014年5月28日
【公告号】EP3024962A1, WO2015012954A1