中國粉體網(wǎng)訊  碳化硅以其優(yōu)異的物理化學(xué)性能在很多領(lǐng)域都有著廣泛的應(yīng)用前景，作為第三代半導(dǎo)體材料，碳化硅單晶是制作高頻、大功率電子器件的理想材料。針對用于單晶生長的高純碳化硅粉料的合成方法與合成工藝的研究現(xiàn)狀，中國電子科技集團(tuán)公司第二研究所的研究人員曾進(jìn)行了專門的評述與總結(jié)。

高純SiC粉料合成方法

目前，用于生長單晶的高純SiC粉料的合成方法主要有：CVD法和改進(jìn)的自蔓延合成法（又稱為高溫合成法或燃燒法）。其中CVD法合成SiC粉體的Si源一般包括硅烷和四氯化硅等，C源一般選用四氯化碳、甲烷、乙烯、乙炔和丙烷等，而二甲基二氯硅烷和四甲基硅烷等可以同時(shí)提供Si源和C源。

以往的自蔓延合成法是以外加熱源點(diǎn)燃反應(yīng)物坯體，然后利用自身物質(zhì)的化學(xué)反應(yīng)熱使得后續(xù)的化學(xué)反應(yīng)過程自發(fā)地持續(xù)進(jìn)行，從而合成材料的一種方法。該法大都以硅粉和碳黑為原料，并填加其他活化劑，在1000～1150℃以顯著的速度直接發(fā)生反應(yīng)，生成SiC粉體，活化劑的引入勢必影響合成產(chǎn)物的純度和質(zhì)量。因此，很多研究者在此基礎(chǔ)上提出了改進(jìn)的自蔓延合成法，改進(jìn)之處主要是避免活化劑的引入，通過提高合成溫度和持續(xù)供應(yīng)加熱來保證合成反應(yīng)持續(xù)有效地進(jìn)行。

高純SiC粉料合成工藝

目前實(shí)驗(yàn)室中普遍采用改進(jìn)的自蔓延法合成SiC，且合成過程中發(fā)現(xiàn)，不同的合成工藝參數(shù)對合成產(chǎn)物有一定影響。

合成溫度的影響

中電科二所的研究人員發(fā)現(xiàn)，隨著碳化硅合成反應(yīng)溫度的升高，合成的粉料顏色會逐漸變深，可能原因?yàn)闇囟冗^高會造成SiC分解，顏色變深可能與粉料中過多Si的揮發(fā)導(dǎo)致。

此外，他們發(fā)現(xiàn)當(dāng)合成溫度為1920℃時(shí)合成的β-SiC晶型相對較好。然而當(dāng)合成溫度大于2000℃之后，合成產(chǎn)物中C的比例明顯增大，說明合成產(chǎn)物的物相受合成溫度的影響。

實(shí)驗(yàn)中還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)在一定溫度范圍內(nèi)隨著合成溫度的增加，合成的SiC粉料的粒度也隨之增加。然而當(dāng)合成溫度繼續(xù)升高，超過一定溫度范圍，合成的SiC粉體的粒度將會逐漸減小。當(dāng)合成溫度高于2000℃時(shí)，合成的SiC粉體的粒度將趨于一恒定值。

綜上所述，不同的合成溫度會對合成產(chǎn)物的物相組成造成一定影響，從而導(dǎo)致產(chǎn)物出現(xiàn)顏色差異。此外，合成溫度對合成產(chǎn)物的粒徑也有一定影響。

硅粉與碳粉形貌對合成SiC粉末的影響

山東大學(xué)的研究人員等研究發(fā)現(xiàn)，不同的硅粉形貌會影響合成產(chǎn)物的物相組成，其分別使用粒度＞500μm的Si粉和粒度＜20μm的Si粉進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，當(dāng)使用粒度＞500μm的Si粉作為反應(yīng)物時(shí)，合成的產(chǎn)物中包含有無法研碎的堅(jiān)硬固體。

實(shí)驗(yàn)中使用粒度>500μm的球狀Si粉，合成溫度1500℃進(jìn)行反應(yīng)時(shí)，合成產(chǎn)物中存在堅(jiān)硬固體，無法研碎，并且通過顏色判斷，合成產(chǎn)物中只有外表面生長了一薄層SiC。

然而當(dāng)使用粒度<20μm的Si粉同條件下進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)前述無法研碎的堅(jiān)硬固體消失，此外，通過XRD分析發(fā)現(xiàn)產(chǎn)物中全部為β-SiC。

另有研究也發(fā)現(xiàn)不同的碳源形貌和種類對合成產(chǎn)物也有一定影響，由此可見，不同形貌的硅粉與碳粉對Si、C合成SiC反應(yīng)有一定影響，選擇合適形貌的硅粉與碳粉有助于Si、C的充分反應(yīng)，從而提高合成SiC的產(chǎn)率。

合成壓強(qiáng)的影響

中科院上海硅酸鹽研究所的研究人員發(fā)現(xiàn)不同生長壓強(qiáng)對SiC粉料的合成有一定的影響。其中當(dāng)生長壓強(qiáng)在13.330～39.990kPa時(shí)合成的碳化硅粉料有著較好的一致性；但當(dāng)生長壓強(qiáng)大于39.990kPa時(shí)，會出現(xiàn)原料反應(yīng)不完全的現(xiàn)象。合成壓強(qiáng)對合成SiC粉料結(jié)晶質(zhì)量以及粒徑大小有一定影響。

合成時(shí)間的影響

有研究人員研究了不同合成時(shí)間對SiC粉料合成的影響，實(shí)驗(yàn)結(jié)果發(fā)現(xiàn)，隨著合成時(shí)間的延長，粉料的粒度會逐漸變大，這種現(xiàn)象充分說明不同的合成溫度決定了不同晶型SiC的成核，而不同合成時(shí)間則決定了晶核生長的程度。此外，當(dāng)合成時(shí)間較短時(shí)，容易使得C和Si的反應(yīng)不充分，從而使得合成產(chǎn)物中存在Si的殘余物。

原料配比對合成的影響

有研究人員研究了不同Si、C摩爾比對合成SiC粉料的影響，實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)當(dāng)摩爾比x(Si)∶x(C)=1.05∶1.00時(shí)比較合適，合成粉料中物相基本均為SiC，沒有其他雜相，而當(dāng)摩爾比x(Si)∶x(C)＞1.05∶1.00時(shí)，合成粉料中會出現(xiàn)Si剩余。

小結(jié)

目前，雖然SiC粉體的合成方法很多，但是專門用于單晶生長的高純SiC粉料的制備方法還比較少，CVD法雖然可以合成純度很高的SiC粉料，但是其后續(xù)處理工藝復(fù)雜，成本較高。改進(jìn)的自蔓延法工藝相對簡單，成本較低，已經(jīng)可以用來生長SiC單晶，然而其合成產(chǎn)物純度還達(dá)不到CVD法的水平。此外，用改進(jìn)自蔓延法合成SiC粉料，不同合成工藝參數(shù)對SiC粉料的質(zhì)量有一定影響。

參考來源：

馬康夫，等：生長單晶用SiC粉料合成工藝研究進(jìn)展

寧麗娜，等：硅粉形貌對人工合成高純碳化硅粉料的影響

高攀，等：用于SiC晶體生長的高純原料的合成及性能研究

田牧，等：溫度對碳化硅粉料合成的影響

注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除！