碳化硅单晶生长中废料的回收处理方法技术

碳化硅单晶生长中废料的回收处理方法。本发明专利技术属于第三代半导体材料碳化硅单晶生长及加工领域，具体涉及碳化硅单晶生长及加工过程碳化硅废料的回收处理方法，具体包括按顺序依次焙烧脱除碳单质、混酸处理脱除微量元素和碱氧化处理脱除硅单质三个步骤，其中脱除碳单质的方法为将碳化硅废料磨成粒径小于200微米的粉料后，装入石英舟放入管式炉内，管式炉加热到400℃

【技术实现步骤摘要】
碳化硅单晶生长中废料的回收处理方法


[0001]本专利技术属于碳化硅单晶生长工艺领域，具体涉及碳化硅单晶生长及加工过程中废料的回收处理方法。

技术介绍

[0002]碳化硅(SiC)是一种宽禁带、高击穿场强、高电子饱和漂移速率以及高热导率的半导体材料。碳化硅具有很多卓越的物理化学性能，使得其在航空航天、电子、能源和军工等领域具有非常广泛的应用前景。同时，这些优异的性能使得它非常适合于制作高温、高频、抗辐射、大功率和高密度集成的电子器件。
[0003]目前，制作器件用的碳化硅单晶材料一般都是采用PVT(物理气相传输)法生长。相较于高温化学沉积法的控制复杂、成本高和溶液法的金属污染、表面粗糙等重大缺陷，PVT法技术成熟、是目前应用最为广泛的碳化硅单晶生长方法，且利用PVT法生长碳化硅单晶生长条件简单，便于产业化。但其产生的废料过多，生长一炉碳化硅，碳化硅废料量达70％～80％，这对于产业化来说无疑是成本的剧增和废料堆积的环境压力。不仅如此，碳化硅后加工中产生的碳化硅废料量也不容忽视。再后加工中，晶锭的滚圆、晶锭的去头尾、晶片的切割及抛光都会产生大量的含可利用碳化硅的废料。回收再利用这些废料是碳化硅产业低成本、可持续发展亟需解决的问题，高效回收利用这些碳化硅废料，废料除杂提纯是其中最关键的环节。
[0004]本专利技术提供了一种碳化硅单晶生长及加工过程中废料的分离提纯处理方法，把碳化硅废料中的杂质除去，得到用于单晶生长的高纯碳化硅。碳化硅废料中的杂质主要有：一是，含量较多的碳杂质和硅杂质，来源于PVT法生长碳化硅单晶工艺中碳化硅粉料升华结晶时，由于碳和硅的挥发速率不同造成碳富集和硅富集，形成了碳单质和硅单质，二是，含量较少的微量杂质，来源于碳粉，硅粉原料中自带和单晶生长炉辐射产生的微量元素Na、Mg、Al、Fe、Zn、Cu等，三是，碳化硅晶体生长及加工过程中用到的有机试剂的残余，如乙醇、粘结剂等有机试剂的引入。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的是提供一种碳化硅单晶生长及加工过程中碳化硅废料的回收处理方法。用来除去碳化硅废料中含量较多的碳、硅杂质和含量较少的微量杂质，提纯回收碳化硅粉料，并把碳化硅粉料再用于单晶生长，以达到碳化硅废料的循环回收再利用，降低生产成本，减少环境污染。
[0006]为达到以上目的，本专利技术提供以下技术方案：
[0007]根据各组分物理和化学性质的差异，除杂的顺序为：除碳
→
除微量杂质
→
除硅。
[0008]本专利技术首先提供一种高温氧化法除去碳化硅晶体生长及加工过程产生废料中碳杂质和有机杂质的方法，该方法原理是:有机杂质易挥发，不能挥发的在高温条件下会碳化，形成碳质。碳质与晶体生长中富集的碳性质基本相同。而碳化硅废料中含有的主体SiC
及主要杂质是C和Si，由于高温下它们的氧化温度不同，碳的氧化最低温度为400℃，硅的氧化最低温度为600℃，碳化硅的氧化温度在1000℃以上，可以通过控制温度在400℃
‑
600℃氧化，把夹杂的固态碳粉氧化成气态的二氧化碳而除去碳。反应如下：
[0009]C
(S)
+O
2(g)
→
CO
2(g)
[0010]该方法具体包括以下步骤：
[0011](1)碳化硅废料破碎。把碳化硅晶体生长及加工过程产生的碳化硅废料用锤子和凿子分成拳头大小的小块，然后把它放入管式研磨机中，并加入几块生长的碳化硅晶锭作为研磨球。设定研磨机的转速300r/min
‑
500r/min，时间5h
‑
10h，进行充分的研磨，把废料磨成粒径小于200微米的粉料。
[0012](2)把碳化硅废料装入石英舟中，盖上盖子。一般装料装到石英舟总体积的1/3
‑
2/3处,优选1/3。
[0013](3)把带有注气孔和抽气孔的管式炉，安装在千级洁净间中。准备一瓶纯度在99.99％以上的高纯氧气，并通过气管把气瓶与管式炉连接在一起。
[0014](4)把装好料盖上盖子的石英舟，放入管式炉中加热到400℃
‑
600℃，恒温2h
‑
5h进行高温氧化除碳。该步骤优选恒温除碳温度为500℃，优选恒温除碳时间为3h。
[0015](5)在加热即恒温过程中，设定气瓶的通气速率：以100kPa
‑
200kPa的压力值注入，边加热边通入高纯氧气进行氧化除碳，优选通入氧气的压力值为150kPa。
[0016](6)冷却后取出石英舟。
[0017]其次，提供一种酸处理除去碳化硅废料中微量金属杂质元素的方法。由于碳化硅废料中的微量元素主要是Na、Mg、Al、Fe等金属元素，通过用去离子水，8％
‑
15％的电子级稀硝酸和3％
‑
5％的电子级稀盐酸按5：2：1的体积比配成的混酸水溶液进行酸处理，可以把金属杂质通过化学反应，溶于酸中，形成液体通过过滤，洗涤除去。该方法的具体步骤如下：
[0018](1)配制混合酸水溶液。把去离子水，8％
‑
15％的电子级稀硝酸和3％
‑
5％的电子级稀盐酸按5：2：1的体积比配成混合酸水溶液。其中优选电子级稀硝酸浓度12％，电子级稀盐酸浓度3％。
[0019](2)把上一步除碳后的碳化硅废料和混合酸水溶液，按1：6的质量体积比放入洗涤容器内浸泡。
[0020](3)在浸泡除杂时，还需用搅拌装置以30r/min
‑
50r/min的转速对它进行搅拌，控制温度在35℃以下，浸泡1h
‑
5h。这一步优选搅拌速度40r/min，浸泡时间2h。(3)除杂完成后，把碳化硅废料和溶液进行过滤分离，然后再用去离子水洗涤碳化硅废料3
‑
5次。这一步优选洗涤次数5次。
[0021](4)对洗涤好的碳化硅废料进行干燥处理。
[0022]最后，提供一种碱氧化处理除去碳化硅单晶生长中硅杂质的方法。通过用15％的电子级氨水和8％的电子级过氧化氢的混合水溶液对上面除碳和除微量元素后的碳化硅废料进行硅的去除。在碱氧化除杂过程中，反应过程是分步进行的，首先是通过过氧化氢把硅氧化成二氧化硅，再通过二氧化硅与碱反应的特性，利用氨水溶液除去二氧化硅，最终达到脱除硅的目的。由于硅只能氧化表面层，采用混合水溶液可以做到氧化
‑
脱除的循环，这样除杂就更彻底。具体反应方程为：
[0023]Si
(s)
+2H2O
2(l)
→
SiO
2(S)
+2H2O
(l)
ꢀꢀ
(1)
[0024]SiO
2(S)
+2NH3·
H2O
(l)
→
(NH4)2SiO
3(l)
+H2O
(l)
ꢀꢀ
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅单晶生长中废料的回收处理方法，其特征在于，具体包括按顺序依次焙烧脱除碳单质、混酸洗脱除微量元素和碱氧化脱除硅单质三个步骤，所述除碳单质具体包括以下步骤：（1）将废料磨成粒径小于200微米的粉料；（2）将磨好的粉料装入石英舟中，将石英舟送入带有注气孔和抽气孔的管式炉，安装在千级洁净间中，准备高纯氧通过气管与管式炉注气孔连接；（3）管式炉加热到400℃
‑
600℃，恒温2h
‑
5h，设定氧气瓶的通气速率以100kPa
‑
200kPa的压力值注入；（4）冷却取出石英舟，获得除去碳单质的余料。2.根据权利要求1所述的一种碳化硅单晶生长中废料的回收处理方法，其特征在于，所述步骤（1）中粉料的制备方法为：把长晶剩余的整块的废料，先用锤子和凿子分成小块，然后把它放入管式研磨机中，并加入几块生长的碳化硅晶锭作为研磨球，设定研磨机的转速为300 r/min
ꢀ‑
500 r/min，研磨5h
‑
10h。3.根据权利要求1所述的一种碳化硅单晶生长中废料的回收处理方法，其特征在于，所述步骤（2）中，磨好的粉料装到石英舟总体积的1/3
‑
2/3处。4.根据权利要求1所述的一种碳化硅单晶生长中废料的回收处理方法，其特征在于，所述步骤（3）中管式炉中的温度为500℃，恒温时间为3h，注入压力值为150kPa。5.根据权利要求1、2、3或4所述的一种碳化硅单晶生长中废料的回收处理方法，其特征在于，所述的除微量元素具体包括以下步骤：将除去碳单质的余料置于8%
‑
15%的电子级稀硝酸与3%
‑
5%的电子级盐酸的混合水溶液中浸泡1h
‑
5h,同时进行搅拌，控制温度在35...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄四江，普世坤，刘得伟，王美春，惠峰，沙智勇，殷云川，尹归，杨海平，王东，
申请(专利权)人：云南鑫耀半导体材料有限公司云南中科鑫圆晶体材料有限公司，
类型：发明
国别省市：