中國(guó)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(duì)用于單晶生長(zhǎng)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(guó)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(píng)述與總結(jié)。
高純SiC粉料合成方法
目前，用于生長(zhǎng)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(guò)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(shì)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(guò)提高合成溫度和持續(xù)供應(yīng)加熱來(lái)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(guò)程中發(fā)現(xiàn)，不同的合成工藝參數(shù)對(duì)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(huì)逐漸變深，可能原因?yàn)闇囟冗^(guò)高會(huì)造成SiC分解，顏色變深可能與粉料中過(guò)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(duì)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(shuō)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(guò)一定溫度范圍，合成的SiC粉體的粒度將會(huì)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(huì)對(duì)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(duì)合成產(chǎn)物的粒徑也有一定影響。
硅粉與碳粉形貌對(duì)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(huì)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(duì)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(wú)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(wú)法研碎，并且通過(guò)顏色判斷，合成產(chǎn)物中只有外表面生長(zhǎng)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(wú)法研碎的堅(jiān)硬固體消失，此外，通過(guò)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(duì)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(duì)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(zhǎng)壓強(qiáng)對(duì)SiC粉料的合成有一定的影響。其中當(dāng)生長(zhǎng)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(zhǎng)壓強(qiáng)大于39.990kPa時(shí)，會(huì)出現(xiàn)原料反應(yīng)不完全的現(xiàn)象。合成壓強(qiáng)對(duì)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(duì)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(zhǎng)，粉料的粒度會(huì)逐漸變大，這種現(xiàn)象充分說(shuō)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(zhǎng)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(duì)合成的影響
有研究人員研究了不同Si、C摩爾比對(duì)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(méi)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(huì)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(zhǎng)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(duì)簡(jiǎn)單，成本較低，已經(jīng)可以用來(lái)生長(zhǎng)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(duì)SiC粉料的質(zhì)量有一定影響。
參考來(lái)源：
馬康夫，等：生長(zhǎng)單晶用SiC粉料合成工藝研究進(jìn)展
寧麗娜，等：硅粉形貌對(duì)人工合成高純碳化硅粉料的影響
高攀，等：用于SiC晶體生長(zhǎng)的高純?cè)系暮铣杉靶阅苎芯?br/>
田牧，等：溫度對(duì)碳化硅粉料合成的影響
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