高纯碳化硅粉末的合成工艺及展望

碳化硅作为第三代半导体的代表材料之一，适用于生产高温、高频、抗辐射、高功率、高密度的集成电子器件。目前，用于器件生产的碳化硅单晶衬底材料一般采用PVT (Physical Vapor Transport)方法生长。研究表明，SiC粉的纯度以及粒度、晶体类型等参数对PVT法生长SiC单晶的质量甚至后续器件的质量都有一定的影响。本文主要研究了PVT法制备用于单晶生长的高纯SiC粉末的工艺。

碳化硅粉末合成法

有很多方法可以合成SiC粉末。一般来说，它可以大致分为三种方法。第一种方法是固相方法，其中代表性的碳热还原方法，自展开的高温合成方法和机械粉碎方法;第二种方法是液相方法，其中代表方法主要是溶胶 - 凝固胶法和聚合物热分解方法;第三种方法是气相方法，包括化学气相沉积方法，等离子体法和激光诱导方法。

1.各种方法的优点和缺点

通过固相法合成的碳化硅粉末更经济，具有广泛的原材料和低价格，并且易于工业生产。然而，通过该方法合成的碳化硅粉末具有高杂质含量和低质量;高温自展法使用高温使反应物初始热量开始化学反应，然后使用自己的化学反应热量使未反应的物质继续完成化学反应。然而，由于Si和C的化学反应较少发出较少的热量，必须加入其他添加剂以维持自我繁殖的反应，这不可避免地引入杂质元素，并且该方法容易引起不均匀的反应。

目前，通过液相方法合成碳化硅粉的技术相对成熟。由液相方法合成的碳化硅粉末是高纯净和纳米大小的细粉，但该过程更复杂，并且易于为人体产生有害物质。

由气相方法合成的碳化硅粉末具有高纯度和小的粒度，这是合成高纯度碳化硅粉末的常用方法。然而，该合成方法具有高成本和低产量，并且不适合批量生产。

2.碳化硅粉合成设备

碳化硅粉体合成设备用于制备生长碳化硅单晶所需的碳化硅粉体。优质碳化硅粉末在碳化硅的后续生长中起着重要的作用。

碳化硅粉的合成采用高纯碳粉与硅粉直接反应，采用高温合成方法生产。碳化硅粉体合成设备的主要技术难点是高温高真空密封与控制、真空室水冷却、真空与测量系统、电气控制系统、粉体合成坩埚加热与耦合技术。

目前，主要的外国厂商包括Cree，yymont等，合成粉的纯度可达99.9995％。主要国内单位包括第二中国电力研究院，山东天岳，天科河畔田野和中国科学院陶瓷研究所。纯度通常可以达到99.999％，有些单位可达到99.9995％。

高纯度SiC粉末合成方法

1.化学汽相淀积法

目前用于单晶生长的高纯度SiC粉的合成方法主要有:CVD法和改进的自蔓延法(也称高温合成法或燃烧法)。

其中,CVD的硅源合成碳化硅粉一般包括硅烷和四氯化硅,而C源一般用四氯化碳,甲烷、乙烯、乙炔、丙烷,而dimethyldichlorosilane和四甲基硅烷等可以提供硅源和C源在同一时间。

SashiroEzaki等采用CVD法，以鳞片石墨为基材，甲基氯乙烷/氢气为反应气体和载气，在1250~1350℃沉积SiC薄膜，然后经过氧化、酸洗和粉碎等过程得到颗粒。SiC粉末，直径200~1200μm。

虽然这种方法可以生产高纯度的SiC粉，但后续工艺复杂，原料昂贵，收率低。

W.Z.Zhu等采用CVD法，以硅烷和乙炔为反应气体，氢气为载气，在1200-1400℃条件下合成超细高纯SiC粉末。

AparnaGupta等以六甲基硅烷为反应源，氢气和氩气为载气，在1050 ~ 1250℃条件下采用CVD法合成超细高纯SiC粉末。

上述两个课题组的成员都使用了CVD方法，利用有机气源合成了高纯度SiC粉末。而合成的粉末为纳米级超细粉末。虽然纯度高，但不易收集，不适合大规模大批量生产。纯SiC粉的合成不利于以后工业化的发展。

2.自动传输的合成

前一种自蔓延合成方法是利用外部热源点燃反应物，利用其自身物质的化学反应热，使后续化学反应过程自发进行，从而合成材料的方法。

该方法大多以硅粉和炭黑为原料，加入其他活化剂，在1000-1150°C下直接以极快的速度反应生成SiC粉。活化剂的引入必然会影响合成产物的纯度和质量。

因此，许多研究者在此基础上提出了一种改进的自传播合成方法。改进主要是避免了活化剂的引入，通过提高合成温度和持续供热来保证合成反应的持续有效进行。

早在1999年，日本普利司通公司就采用了四乙氧基硅烷作为硅源，苯酚树脂作为碳源。采用燃烧法在1700-2000℃范围内，合成了粒径为10-500μm、杂质含量低于0.5×10-6的SiC粉末。

然而，该方法的反应物使用有机物质，因此原料的成本相对较高，这不利于SiC粉末的批量生产。

中国科学院硅研究所的研究人员利用质量分数为99.9%以上的硅粉和C粉，在Ar气氛中通过高温反应合成了质量分数为99.999%的适合单晶生长的SiC粉。

山东大学宁娜及其他均匀混合的Si粉末和C粉末，摩尔比为1：1。使用二次反应方法，在高温下合成SiC粉末。

LiWANG等以活性炭(粒径20-100μm)和片状石墨(粒径5-25μm)为碳源(质量分数99.9%)，高纯硅(粒径10-270μm，质量分数99.999%)为硅源。

在1900℃的氩气氛下在真空高温烧结炉中制备高纯度SiC粉末。

wang LihuanWANG等采用质量分数为99.999%，颗粒5-10μm的硅粉和质量分数为99.999%，颗粒5-20μm的碳粉，采用中频加热燃烧合成法合成高纯SiC粉。

中国电子技术集团公司第二研究院李斌采用自展式方法合成单晶生长的碳化硅粉末。在实验中，发现在高真空条件下合成的碳化硅粉的纯度优于在开放载气条件下合成的碳化硅粉末的纯度。特别地，高真空条件有助于减少碳化硅粉末中的N浓度。

此外，使用在高真空条件下合成的碳化硅粉末种植碳化硅单晶。结果表明，生长的碳化硅单晶具有高纯度和优异的半绝缘性能，其符合半绝缘基板的相关装置的要求。电气要求。可以看出，在高真空条件下合成的碳化硅粉是有益于高纯度半绝缘碳化硅单晶的生长。

高纯SiC粉末合成工艺的展望

改进后的自蔓延法合成SiC的原料相对较少，工艺相对简单。单晶合成碳化硅粉是目前实验室常用的方法。在合成过程中，发现不同的合成工艺参数对合成产物有一定的影响。

今后，需要在以下方面加强研究:

1.深入研究高纯SiC粉末合成过程的机理，特别是加强对粉末粒度、形状、粒度分布和纯度的有效控制的基础理论研究。

2.进一步加强改善SiC粉末自蔓延合成的特定过程的研究，以制备高纯度SiC粉末，适用于单晶SiC生长的低成本和简单的工艺良好，高纯度因此，它可以有效地提高SiC单晶基板的增长质量，促进我国基于国家的地区的设备行业的发展。