一种高纯、铝掺杂碳化硅粉及其合成方法
【专利摘要】本发明公开了一种高纯、铝掺杂碳化硅粉及其合成方法，涉及碳化硅半导体材料领域。碳化硅粉纯度高，达到99.999％；采用一次合成方法，工艺流程少，生产设备简单，操作易行，容易实现规模化生产；该方法如果原料硅粉采用掺杂铝的单晶硅或太阳能多晶硅，不但有利于对废弃的单晶硅或太阳能多晶硅的回收利用，防止对环境造成污染；而且得到的碳化硅粉为铝掺杂碳化硅粉，可以作为生产无色透明碳化硅晶体或p型掺杂碳化硅晶体的原料。
【专利说明】一种高纯、铝掺杂碳化硅粉及其合成方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及碳化硅半导体材料领域，尤其涉及一种高纯、铝掺杂碳化硅粉及其合 成方法。
【背景技术】
[0002] 碳化硅晶体在显示、存储、探测等光电子器件和高温、高频、大功率电子器件领域 中有广阔的应用前景。碳化硅粉作为晶体的生长原料，其纯度在生长半导体碳化硅晶体时 具有重要的作用，会直接影响生长碳化硅晶体的结晶质量和电学性质。
[0003] 目前，碳化硅粉的制备方法主要是Acheson法，该方法为E. G. Acheson在1893 年提出（U.S. Patent 492, 767)，通过电加热碳质材料和二氧化硅（Silica)(或硅酸铝， Aluminum Silicate)混合物，制得碳化娃人工晶体。在生产过程中，添加盐作为溶剂。当电 流通过石墨芯时，盐融化使得碳和二氧化硅（或者硅酸铝）紧密接触，从而产生化学合成和 分解，并产生大量的气体和挥发物。
[0004] 其中，碳质材料可以为烟煤制成的焦碳（Coke)，或者气焦碳（Gas Coke Carbon)。 如果采用二氧化硅，碳和二氧化硅的摩尔比例高达10:1，所得到的碳化硅产物中氧化铝、氧 化铁、氧化钙和氧化镁含量为0. 63% ;如采用硅酸铝，碳和硅酸铝摩尔比例高达27:1，产物 中氧化铝、氧化铁、氧化妈和氧化镁含量为5. 13%。
[0005] 可见，利用Acheson方法制备碳化硅粉，不仅需要的碳原料多，而且得到的碳化硅 粉纯度较低，只能被广泛用于磨料，而不能用于碳化硅半导体材料的生产。
[0006] 胡小波等人提出的一种合成高纯碳化硅粉的方法（中国专利ZL200810016665. 6) 为二次合成方法。即首先在1500 °C合成碳化娃粉末，然后将一次合成粉末混合均勾，在 1600°C到2000°C二次合成碳化硅粉末。该二次合成方法虽然提高了碳化硅粉的纯度，使 碳化硅粉能够用于半导体材料的生产，但是由于采用二次合成，所以工艺复杂，生产效率较 低，耗费能源较多，而且纯度还不能很好地满足半导体材料生产的要求。
【发明内容】
[0007] 本发明的目的在于提供一种高纯、铝掺杂碳化硅粉及其合成方法，从而解决现有 技术中存在的前述问题。
[0008] 为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
[0009] 本发明实施例提供了一种高纯碳化硅粉，所述碳化硅粉的纯度为99. 999%。
[0010] 本发明实施例第二方面提供了一种高纯铝掺杂碳化硅粉，所述铝掺杂碳化硅粉的 纯度为99. 999%。
[0011] 本发明实施例第三方面提供了一种高纯碳化硅粉的合成方法，包括如下步骤：
[0012] Sl，选取纯度均为99. 999%、粒度均小于50 μπι的碳粉和硅粉，按照摩尔比1:1的 比例将碳粉和硅粉混合均匀倒入坩埚中，将坩埚密封后用碳保温材料包裹，再置于中频感 应加热炉中；
[0013] S2,将所述中频感应加热炉的生长室内的气压降至0. IPa以下；
[0014] S3,接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，当石墨感应器 下表面的测温点达到1300-1350 °C时关闭中频电源停止加热，温度达到1100-1200 °C时，通 入氩气使所述中频感应加热炉内的气压达到IOkPa至1个大气压；
[0015] S4,重复S3,持续1-3小时；
[0016] S5,通入氩气使所述中频感应加热炉的生长室内的气压达到40kPa至1个大气 压；
[0017] S6,接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，使石墨感应器 下表面的测温点达到2100-2300°C，并保持2100-2300°C的温度5-10小时；
[0018] S7,关闭中频电源停止加热，冷却至1000°C以下后关闭氩气，冷却至室温，得到纯 度为99. 999 %的碳化硅粉。
[0019] 优选地，S3中，接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，当 石墨感应器下表面的测温点达到1300°C时关闭中频电源停止加热，温度达到1200°C时，通 入氩气使所述中频感应加热炉内的气压达到IOkPa至1个大气压；S4中，重复S3,持续2小 时。
[0020] 优选地，S6中，保持2100-2300°C的温度5小时。
[0021] 本发明实施例第四方面提供了一种高纯铝掺杂碳化硅粉的合成方法，采用上述高 纯碳化硅粉的合成方法，所述硅粉采用掺杂铝的单晶硅或太阳能多晶硅。
[0022] 本发明的有益效果是：本发明实施例提供的一种高纯、铝掺杂碳化硅粉及其合成 方法，碳化硅粉纯度高，达到99. 999% ;合成过程中，原料成本低，生产设备简单，工艺流程 少，操作易行，容易实现规模化生产；该方法如果原料硅粉采用掺杂铝的单晶硅或太阳能多 晶硅，不但有利于对废弃的单晶硅或太阳能多晶硅的回收利用，防止对环境造成污染；而且 得到的碳化硅粉为铝掺杂碳化硅粉，可以作为生产无色透明碳化硅晶体或P型掺杂碳化硅 晶体的原料。
【专利附图】
【附图说明】
[0023] 图1是6H多型铝掺杂碳化硅粉的衍射分布图。
【具体实施方式】
[0024] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图，对本发明进 行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的【具体实施方式】仅仅用以解释本发明，并不用于 限定本发明。
[0025] 本发明实施例提供了一种高纯碳化硅粉，其纯度为99. 999%。可用于半导体材料 的生产。
[0026] 如本领域技术人员可以理解的，本发明实施例中，高纯碳化硅粉纯度可以采用本 领域的常规技术手段检测分析。
[0027] 本发明实施例还提供了一种铝掺杂碳化硅粉，其纯度为99. 999%。铝掺杂碳化硅 粉用于晶体生长的过程中，高纯氩气容易在碳化硅晶体中引入N掺杂，N掺杂晶体呈现出淡 绿色；本发明得到的铝掺杂碳化硅粉可以中和碳化硅晶体生长过程N掺杂的影响，从而制 备出无色透明的碳化硅晶体；同时，制备P型掺杂的碳化硅晶体，需要掺杂更高浓度的铝， 所以，本发明得到的铝掺杂碳化硅粉对于制备P型掺杂碳化硅晶体是有益的；因此，本发明 得到的铝掺杂碳化硅粉可以作为生产无色透明碳化硅晶体或P型掺杂碳化硅晶体的原料。
[0028] 本发明实施例还提供了一种高纯碳化硅粉的合成方法，包括如下步骤：
[0029] Sl，选取纯度均为99. 999%、粒度均小于50 μ m的碳粉和硅粉，按照摩尔比1:1的 比例将碳粉和硅粉混合均匀倒入坩埚中，将坩埚密封后用碳保温材料包裹，再置于中频感 应加热炉中；
[0030] S2,将所述中频感应加热炉的生长室内的气压降至0. IPa以下；
[0031] S3,接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，当石墨感应器 下表面的测温点达到1300-1350 °C时关闭中频电源停止加热，温度达到1100-1200 °C时，通 入氩气使所述中频感应加热炉内的气压达到IOkPa至1个大气压；
[0032] S4,重复S3,持续1-3小时；
[0033] S5,通入氩气使所述中频感应加热炉的生长室内的气压达到40kPa至1个大气 压；
[0034] S6，接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，使石墨感应器 下表面的测温点达到2100-2300°C，并保持2100-2300°C的温度5-10小时；
[0035] S7,关闭中频电源停止加热，冷却至1000°C以下后关闭氩气，冷却至室温，得到纯 度为99. 999 %的碳化硅粉。
[0036] 本发明米用一次合成方法，在2100-2300°C，维持5-10小时的环境下合成碳化娃 粉末，由于0-SiC(3C多型碳化硅）在2100°C以上基本上转变为a-SiC(6H多型碳化硅）， 且其中的大部分杂质都会挥发。因此，得到的碳化硅粉的纯度高，可达到99. 999%，使碳化 硅粉能很好的满足半导体材料生产的要求。
[0037] 本发明实施例中，将碳粉和硅粉混合均匀后放入坩埚中，并将坩埚密封后，用碳保 温材料将坩埚包裹，使碳粉和硅粉的合成温度能够达到2100°C以上。使|3-SiC(3C型）晶 体基本上转化为a -SiC (6H型），从而得到高纯度的碳化硅。与现有技术中的二次合成方法 相比，简化了碳化硅工艺流程，提高了生产效率，节约了能源。
[0038] 本发明实施例还提供了一种铝掺杂碳化硅粉的合成方法，与上述碳化硅粉的合成 方法相同，不同之处在于，原料硅粉可以采用掺杂铝的单晶硅或太阳能多晶硅，得到铝掺杂 碳化硅粉，且该铝掺杂碳化硅粉的纯度可以达到99. 999 %。这种方法，可以实现对掺杂铝的 单晶硅或太阳能多晶硅的回收利用，防止废弃的单晶硅或太阳能多晶硅对环境造成污染。
[0039] 实施例1
[0040] 本发明实施例提供了一种高纯碳化硅粉的合成方法，包括如下步骤：
[0041] Sl，选取纯度均为99. 999%、粒度均小于50 μπι的碳粉和硅粉，按照摩尔比1:1的 比例将碳粉和硅粉混合均匀倒入坩埚中，将坩埚密封后用碳保温材料包裹，再置于中频感 应加热炉中；
[0042] S2,将所述中频感应加热炉的生长室内的气压降至0. IPa以下；
[0043] S3,接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，当石墨感应器 下表面的测温点达到1300°C时关闭中频电源停止加热，温度达到1200°C时，通入氩气使所 述中频感应加热炉内的气压达到IOkPa至1个大气压；
[0044] S4,重复S3,持续2小时；
[0045] S5,通入氩气使所述中频感应加热炉的生长室内的气压达到40kPa至1个大气 压；
[0046] S6,接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，使石墨感应器 下表面的测温点达到2100°C，并保持2100°C的温度5小时；
[0047] S7,关闭中频电源停止加热，冷却至1000°C以下后关闭氩气，冷却至室温，得到纯 度为99. 999 %的碳化硅粉。
[0048] 实施例2
[0049] 本发明实施例提供了一种高纯碳化硅粉的合成方法，包括如下步骤：
[0050] Sl，选取纯度均为99. 999%、粒度为300目的碳粉和硅粉，按照摩尔比1:1的比例 将碳粉和硅粉混合均匀倒入坩埚中，将坩埚密封后用碳保温材料包裹，再置于中频感应加 热炉中；
[0051] S2,将所述中频感应加热炉的生长室内的气压降至0. IPa ;
[0052] S3,接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，当石墨感应器 下表面的测温点达到1321°C时关闭中频电源停止加热，温度达到1114°C时，通入氩气使所 述中频感应加热炉内的气压达到1个大气压；
[0053] S4,重复S3,持续1小时；
[0054] S5,通入氩气使所述中频感应加热炉的生长室内的气压达到45kPa ;
[0055] S6，接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，使石墨感应器 下表面的测温点达到2300°C，并保温8小时；
[0056] S7,关闭中频电源停止加热，冷却至787°C时关闭氩气，冷却至室温，得到纯度为 99. 999 %的碳化硅粉。
[0057] 实施例3
[0058] 本发明实施例提供了一种高纯碳化硅粉的合成方法，包括如下步骤：
[0059] Sl，选取纯度均为99. 999%、粒度为300目的碳粉和硅粉，按照摩尔比1:1的比例 将碳粉和硅粉混合均匀倒入坩埚中，将将坩埚密封后用碳保温材料包裹，再置于中频感应 加热炉中；
[0060] S2,将所述中频感应加热炉的生长室内的气压降至0. OlPa ;
[0061] S3,接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，当石墨感应器 下表面的测温点达到1338°C时关闭中频电源停止加热，温度达到1195°C时，通入氩气使所 述中频感应加热炉内的气压达到10. 3kPa ;
[0062] S4,重复S3,持续3小时；
[0063] S5,通入氩气使所述中频感应加热炉的生长室内的气压达到1个大气压；
[0064] S6，接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，使石墨感应器 下表面的测温点达到2300°C，并保温8小时；
[0065] S7,关闭中频电源停止加热，冷却至500°C时关闭氩气，冷却至室温，得到纯度为 99. 999 %的碳化硅粉。
[0066] 实施例4
[0067] 本发明实施例提供了一种高纯碳化硅粉的合成方法，步骤同实施例1-3的任意一 种，不同之处为，硅粉为掺铝的单晶硅粉。
[0068] 实施例5
[0069] 本发明实施例提供了一种高纯碳化硅粉的合成方法，步骤同实施例1-3的任意一 种，不同之处为，硅粉为掺铝的多晶硅。
[0070] 采用辉光放电质谱仪GDMS对上述实施例5合成的碳化硅粉中杂质的含量进行测 定，结果如表1所示。从表1中可以看出，采用本发明实施例提供的合成方法，得到的碳化 硅粉中铁、钙和镁的含量均较原料硅中相应元素的含量降低。其中，合成的碳化硅粉中铁、 钙和镁的总含量为〇· 64ppm，铝含量为130ppm。
[0071] 表1杂质含量分析（质量/ppm)。
[0072]
【权利要求】
1. 一种高纯碳化硅粉，其特征在于，所述碳化硅粉的纯度为99. 999%。
2. -种高纯铝掺杂碳化硅粉，其特征在于，所述铝掺杂碳化硅粉的纯度为99. 999%。
3. -种高纯碳化硅粉的合成方法，其特征在于，包括如下步骤： S1，选取纯度均为99. 999%、粒度均小于50 ym的碳粉和硅粉，按照摩尔比1:1的比例 将碳粉和硅粉混合均匀倒入坩埚中，将坩埚密封后用碳保温材料包裹，再置于中频感应加 热炉中； 52, 将所述中频感应加热炉的生长室内的气压降至0. IPa以下； 53, 接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，当石墨感应器下表 面的测温点达到1300-1350°C时关闭中频电源停止加热，温度达到1100-1200°C时，通入氩 气使所述中频感应加热炉内的气压达到10kPa至1个大气压； 54, 重复S3,持续1-3小时； 55, 通入氩气使所述中频感应加热炉的生长室内的气压达到40kPa至1个大气压； 56, 接通所述中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，使石墨感应器下表 面的测温点达到2100-2300°C，并保持2100-2300°C的温度5-10小时； 57, 关闭中频电源停止加热，冷却至1000°C以下后关闭氩气，冷却至室温，得到纯度为 99. 999 %的碳化硅粉。
4. 根据权利要求3所述的高纯碳化硅粉的合成方法，其特征在于，S3中，接通所述 中频感应加热炉的中频电源，对石墨感应器进行加热，当石墨感应器下表面的测温点达到 1300°C时关闭中频电源停止加热，温度达到1200°C时，通入氩气使所述中频感应加热炉内 的气压达到10kPa至1个大气压；S4中，重复S3,持续2小时。
5. 根据权利要求3所述的高纯碳化硅粉的合成方法，其特征在于，S6中，保持 2100-2300°C的温度5小时。
6. -种高纯铝掺杂碳化硅粉的合成方法，其特征在于，采用权利要求3-5任一项所述 的高纯碳化硅粉的合成方法，所述硅粉采用掺杂铝的单晶硅或太阳能多晶硅。
【文档编号】C01B31/36GK104445202SQ201410688166
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月25日 优先权日:2014年11月25日
【发明者】陈启生, 高升吉, 朱钢, 李汉亮 申请人:德清州晶新材料科技有限公司