[发明专利]高纯碳化硅粉体的高温固相合成方法

说明书

技术领域

本发明涉及无机非金属材料领域，具体涉及碳化硅合成技术领域，尤其是涉及一种高纯碳化硅粉体，尤其是氮含量低的高纯碳化硅粉体的高温固相合成方法，制备的碳化硅原料可广泛用于半导体SiC单晶体的生长及高纯SiC陶瓷样品的制备。

背景技术

碳化硅（SiC）单晶材料具有宽禁带、高热导率、高电子饱和迁移速率、高击穿电场等性质，与以第一代半导体材料和第二代半导体材料相比有着明显的优越性，被认为是制造光电子器件、高频大功率器件、电力电子器件理想的半导体材料，在白光照明、光存储、屏幕显示、航天航空、高温辐射环境、石油勘探、自动化、雷达与通信、汽车电子化等方面有广泛应用。SiC通过掺杂导电或通过各种加工技术半绝缘化的能力也特别有用。这些品质使得碳化硅成为大规模阵列电子应用的候选材料。

目前生产中最常用的制备方法是碳热还原法（Acheson），是在电阻炉中将石英（二氧化硅）和焦碳（碳）加热到2000℃以上，生成粗的碳化硅粉体，反应后的样品中通常存在多余的碳和石英，一般将样品加热到600℃以上氧化去除多余的碳，用氢氟酸浸泡去除多余的石英；将样品碾磨和球磨以减小粒度，经过分级处理得到不同尺寸的碳化硅粉。此法生产的SiC磨料，因含有较多杂质，使用前需要进行提纯处理，但由于受生产工艺的限制，提纯后的原料纯度仍然无法达到生长半导体SiC单晶的水平。

然而，在实际应用中，某些器件经常要求高电阻率（“半绝缘”）的衬底，以降低RF耦合，或者满足其它的功能性目标如器件绝缘，因为导电衬底在较高的频率下可能带来严重问题。通常，半绝缘SiC器件对SiC衬底的电阻率要求是越高越好。然而，采用多数技术生长的碳化硅对于半绝缘用途而言一般导电率过高。特别是，碳化硅中的非有意添加的氮浓度在升华生长的晶体中往往足够高，从而能提供充分的导电性，使得碳化硅无法用于要求半绝缘衬底的器件。因此，在制造电子器件用碳化硅晶体时控制杂质元素，尤其是氮含量成为该领域的一个非常重要的问题，因为氮含量会限制所得晶体的潜在应用。

研究人员一直致力于控制特别是降低由升华生长腔室气氛中转移到生长中的碳化硅晶体中的氮含量这一问题而努力。例如，US专利No.5718760中使用惰性氩气清洗生长腔室的办法来减少氮；在US专利No.5119540中则采用减少设备自身中的氮含量来减少氮浓度；在US专利07220313（中国专利ZL 200480026416.5）中通过在生长腔室中提供含氢的环境气氛来控制生长中碳化硅晶体中的氮含量。研究者还尝试减少碳化硅晶体中的氮含量，在US专利No.5718760中介绍了用p型掺杂物来补偿氮含量的方法，从而减少氮的影响；在US专利No.6218680中选择采用硼元素来补偿固有的氮；在US专利No.5611955中则采用引入钒元素来调节氮的影响，得到半绝缘的碳化硅衬底。

发明内容

面对现有技术存在的上述问题，发明人经过锐意的研究发现在碳化硅粉体的固相合成过程中，通过高真空热处理和惰性气体热处理的结合即可降低氮含量。

在此，本发明提供一种高纯碳化硅粉体的高温固相合成方法，包括：配料工序：将高纯Si粉和高纯C粉混合均匀，所述高纯Si粉和高纯C粉的摩尔比为1：1～1.5：1（优选可为1：1～1.1：1）；高真空热处理工序：将所述高纯Si粉和高纯C粉放入坩埚中，然后置于加热炉中，对所述加热炉的生长室抽高真空至9×10^-4Pa以下，同时将温度升高至600～1300℃（优选为1000～1300℃），保持2小时以上；惰性气体清洗工序：向所述生长室中充入第一规定压力（优选为1.066×10⁵Pa以下，更优选为1.0×10⁴ ～7.0×10⁴Pa）的高纯惰性气体，保持1小时以上后，再抽真空至9×10^-3Pa以下，该工序重复2次以上；以及高温合成工序：在第二规定压力（优选为1.0×10⁴ ～7.0×10⁴Pa）的高纯惰性气体下，于反应温度1500～2500℃（优选为1800～2100℃）下，保持反应2小时以上，而后降至室温，即可得到氮含量在15ppm以下的高纯碳化硅粉体。