[发明专利]碳化硅

说明书

发明背景

本发明涉及一种新型碳化硅，并给出了该碳化硅的生产方法和用途。

目前工业上碳化硅主要分为普通碳化硅和半导体级碳化硅(碳化硅单晶体)。

工业上生产普通碳化硅，一般有两类方法：硅石或硅石粉的碳热还原法，将硅石/粉(即 二氧化硅)和含碳材料按适当的配比混合成反应料，置于保温容器内，利用电阻或其他方式 加热，使反应料在1400～2600℃左右发生氧化还原反应生成碳化硅，这种方法可用来生产黑 碳化硅和绿碳化硅；硅和碳直接反应法，将单质硅(如金属硅)粉和碳粉在一定温度下直接 化合反应生成碳化硅，通常有固相反应和气相反应，区别是不同的反应原料，混合方式和加 热方式。

例如，中国专利申请02122377.7，89103262.2详细描述了可归类于以上碳热还原法和碳 热法的碳化硅生产方法。

以上方法生产的普通碳化硅，呈颗粒状，大小约在0.1～6mm，颗粒是不规则结构，或由 颗粒结成疏松或坚硬不规则团块，通常呈现黑色或者绿色，是碳化硅微晶体混合体，含碳化 硅通常在90～95％，最高可达98.5～99％，除含有未反应的碳和硅、吸附有大量气体，包括 氮、氧等外，还含有未反应的碳、硅(或硅石)和大量其他元素杂质。这是由于原料碳和硅 石或者硅中所含的杂质元素进入其中。主要用作高级耐火材料、磨料及冶金原料。

生产碳化硅陶瓷材料一般需要较高纯度的碳化硅粉。由于以上方法直接获得的碳化硅通 常纯度不够，用于生产功能陶瓷材料的纯度大于96％的碳化硅通常由碳化硅超细粉末经化学 清洗除去杂质的办法获得，例如中国专利申请200610115158.9中所提供的方法。

粉末粒径越细，化学清洗(酸洗和碱洗等)可能达到的纯度越高，理论上，粒径在微米 级时，纯度可能达到99％左右，杂质元素，例如铝，可以降低到数百ppm。但是，碳化硅是 超硬材料，很难通过机械加工获得微米以下粒径；并且粒径达到微米或亚微米时，采用化学 清洗提纯的方法，因吸附作用增加，实际上很难操作。

半导体级碳化硅通常是碳化硅单晶体，具有很高的纯度，通常采用化学汽相淀积法或蒸 发法生产。例如，将碳化硅原料置于真空炉或保护气氛炉中加热，碳化硅蒸发后重结晶，如 中国专利申请200510042914.5描述；中国专利申请97102232.1描述了通过提供含硅和 碳的混合气体在一定的温度和气氛下，发生化学反应，在基底上离析出碳化硅晶体薄层。

类似的方法还用来制作具有特定电学特性的结构性(分层的)碳化硅材料，例如PN结。 制做半导体碳化硅材料，其PN结电学特性来自于高纯度碳化硅单晶中掺杂有N型掺杂剂， 如氮、第十五号元素；和P型掺杂剂，如铝，第五号元素。掺杂剂的浓度，依据不同的电学 特性要求，可以在10¹⁵～10¹⁹cm-3，这些掺杂剂通常在碳化硅单晶生长过程中被均匀地加入， 或者生成碳化硅单晶后，采用诸如热扩散、直接粒子轰击、中子嬗变掺杂等方式均匀加入。 掺杂剂在碳化硅晶体中形成特定的结构性分布，如分层分布。

由于半导体级碳化硅是由碳化硅单晶体生长而成，它具有规则的宏观形状。如大尺寸的 单晶体，或单晶体薄膜。

半导体级碳化硅杂质含量要求极低，含碳、硅、氧和其他元素杂质一般都不能超过 10¹³～10¹⁶atom/cm³，制造难度大，成本高昂。

发明内容

本发明提供了一种新型碳化硅，虽然可以有和普通碳化硅类似的多孔外观、密度、结构， 但它不同于上述的普通碳化硅，它的特征是杂质元素第五号元素、和/或第十五号元素等含量 是限制在特定的范围内的；同时，它也不同于半导体级碳化硅，它可以含有大量碳(超过 1～100ppm)、硅或二氧化硅成份，在微观上呈现杂乱无章的微小晶体取向，呈现微小单晶和 多晶的无规聚合体结构。因其特殊的杂质元素含量和结构，这种新型碳化硅有不同于普通碳 化硅和半导体级碳化硅的新的用途。本发明提供了这种新型碳化硅特殊新用途和生产方法。

具体地说，本发明的新型碳化硅材料，它的特征在于材料中含有0.005～10ppm(wt)的第 五号元素，根据进一步优选的方案，该新型碳化硅同时含有0.01～10ppm(wt)的第十五号元素； 并且，根据其用途的进一步的优选方案，它含有0.1～1ppm的第五号元素，次优的方案，第 五号元素的上限达到2～5ppm；等等。