[发明专利]用于合成超高纯度碳化硅的方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求2013年7月26日提交的美国实用专利申请号13/951,808的优先权，该实用专利申请是2008年10月15日提交的美国专利申请号12/096,306的部分继续申请，该美国专利申请是2006年12月7日提交的国际申请号PCT/US2006/046673的国家阶段，它要求2005年12月7日提交的美国临时申请号60/748,347的权益，这些都通过引用合并于此。

技术领域

本发明涉及合成超高纯度(UHP)多晶碳化硅，其作为通过升华进行的高质量碳化硅单晶体的大规模生长中的蒸汽源来使用。

背景技术

碳化硅的六角形4H和6H多型体具有独特的电特性和热物理特性的结合，与常规的硅制成的类似设备相比，它能够使得半导体设备在特别大功率、频率和温度下进行工作。半绝缘(SI)的4H碳化硅和6H碳化硅晶片用作在微波频率和高功率水平下可以进行工作的氮化镓基高电子迁移率晶体管(HEMT)内的晶格匹配基片。为了提供最佳的设备性能，碳化硅基片必须具有合适的电阻率。对于微波设备，碳化硅基片必须是半绝缘的，同时电阻率大约为10¹⁰至10¹¹欧姆-厘米。为了达到上述电阻率，必须使晶体内存在的不必要的残留杂质的最小化。

工业规模碳化硅单晶通过所谓的物理汽相输运(PVT)的升华技术来生长。在PVT生长中，石墨坩埚，典型的是圆柱形石墨坩埚，底部装有多晶碳化硅源材料(典型的是碳化硅晶粒)，同时坩埚顶部(例如，附接到坩埚盖子)放置碳化硅单晶种晶片(或其片段)。装载后的坩埚被放置在气密的炉腔内，并且在惰性空气存在的情况下被加热到碳化硅升华生长的温度，典型的，2000℃至2400℃，多晶碳化硅源材料的温度比碳化硅单晶种的温度高10℃至100℃。在这些条件下，碳化硅源材料升华，并且升华蒸汽在碳化硅源晶粒与碳化硅单晶种的温度差的影响下转移到碳化硅单晶种，在此蒸汽凝结在碳化硅单种晶上，致使所述碳化硅单晶种上生长出碳化硅单晶。为了控制生长速率并且确保高的晶体质量，PVT生长在惰性气体的低压力下实施，一般为1托到100托。

高纯度碳化硅源材料的可用性对于碳化硅单晶体通常是重要的，并且它对于半绝缘碳化硅晶体是至关重要的。除了高纯度，碳化硅源材料必须是合适的多型体和粒子尺寸。对于6H和4H碳化硅单晶体的生长，期望的碳化硅源材料是“α”多型体的，其具有属于碳化硅六角形多型体(例如4H和/或6H)的微晶。

现有技术中，碳化硅合成包括四种基本方法。这些方法是：

艾奇逊工艺

生产技术等级碳化硅最广泛应用的大规模工业生产方法在美国专利号192,767和615,648中公开。在这种方法中，包含多种添加剂的石英砂(SiO₂)和焦炭(C)的混合物被加热到3000℃，以根据反应：SiO2+3CSiC+2CO形成块状碳化硅晶体。尽管近些年已经逐渐形成艾奇逊加工的变体，但是所生产的碳化硅材料总包含硼、氮、铝和其他金属的高浓缩，并且不适合作为半导体质量碳化硅晶体的生长的源材料。

化学汽相淀积(CVD)

通过CVD(请见例如美国专利号5,704,985)工业性地生产密度接近碳化硅理论密度(3.2g/cm3)的块状碳化硅型体。在该方法中，包含气态前驱物的硅和碳在提升的温度下反应，该温度典型的为1200℃至1400℃，以形成固态碳化硅。通常，碳化硅被沉淀在适当的基体上，例如石墨。也可以使用包含硅和碳原子的单个前驱物，例如三甲基色氨酸。尽管可以使用高纯度的前驱物，但是通过CVD生产的工业级别的块状碳化硅的纯度不足以用于碳化硅晶体生长中的原料，尤其对于半绝缘碳化硅晶体来说，因为这样工业级别的块状碳化硅通常包含硼(百万分之零点七至二)、金属杂质和氮(高达百万分之一百)。另外，CVD方法生产立方“β”多型体的碳化硅，这是4H和6H碳化硅多型体的晶体生长不期望的。

液态或固态硅化合物和碳化合物之间的反应

美国专利号5,863,325是该碳化硅合成方法的一个实例，其中有机的烷氧基和无机的二氧化硅被用作硅源，苯酚树脂被用作碳源。这种类型的反应需要催化剂和其他添加剂，从纯度的立场出发，这些都是不期望的。生产的碳化硅材料包含高浓度的污染物，并且不适合于半导体质量碳化硅晶体的生长。

由元素硅和碳直接合成碳化硅