中國粉體網訊 碳化硅以其優異的物理化學性能在很多領域都有著廣泛的應用前景，作為第三代半導體材料，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狀，中國電子科技集團公司第二研究所的研究人員曾進行了專門的評述與總結。
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提供Si源和C源。
以往的自蔓延合成法是以外加熱源點燃反應物坯體，然后利用自身物質的化學反應熱使得后續的化學反應過程自發地持續進行，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生反應，生成SiC粉體，活化劑的引入勢必影響合成產物的純度和質量。因此，很多研究者在此基礎上提出了改進的自蔓延合成法，改進之處主要是避免活化劑的引入，通過提高合成溫度和持續供應加熱來保證合成反應持續有效地進行。
高純SiC粉料合成工藝
目前實驗室中普遍采用改進的自蔓延法合成SiC，且合成過程中發現，不同的合成工藝參數對合成產物有一定影響。
合成溫度的影響
中電科二所的研究人員發現，隨著碳化硅合成反應溫度的升高，合成的粉料顏色會逐漸變深，可能原因為溫度過高會造成SiC分解，顏色變深可能與粉料中過多Si的揮發導致。
此外，他們發現當合成溫度為1920℃時合成的β-SiC晶型相對較好。然而當合成溫度大于2000℃之后，合成產物中C的比例明顯增大，說明合成產物的物相受合成溫度的影響。
實驗中還發現，當在一定溫度范圍內隨著合成溫度的增加，合成的SiC粉料的粒度也隨之增加。然而當合成溫度繼續升高，超過一定溫度范圍，合成的SiC粉體的粒度將會逐漸減小。當合成溫度高于2000℃時，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物的物相組成造成一定影響，從而導致產物出現顏色差異。此外，合成溫度對合成產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
山東大學的研究人員等研究發現，不同的硅粉形貌會影響合成產物的物相組成，其分別使用粒度＞500μm的Si粉和粒度＜20μm的Si粉進行了對比實驗，實驗中發現，當使用粒度＞500μm的Si粉作為反應物時，合成的產物中包含有無法研碎的堅硬固體。
實驗中使用粒度>500μm的球狀Si粉，合成溫度1500℃進行反應時，合成產物中存在堅硬固體，無法研碎，并且通過顏色判斷，合成產物中只有外表面生長了一薄層SiC。
然而當使用粒度<20μm的Si粉同條件下進行實驗時發現前述無法研碎的堅硬固體消失，此外，通過XRD分析發現產物中全部為β-SiC。
另有研究也發現不同的碳源形貌和種類對合成產物也有一定影響，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，從而提高合成SiC的產率。
合成壓強的影響
中科院上海硅酸鹽研究所的研究人員發現不同生長壓強對SiC粉料的合成有一定的影響。其中當生長壓強在13.330～39.990kPa時合成的碳化硅粉料有著較好的一致性；但當生長壓強大于39.990kPa時，會出現原料反應不完全的現象。合成壓強對合成SiC粉料結晶質量以及粒徑大小有一定影響。
合成時間的影響
有研究人員研究了不同合成時間對SiC粉料合成的影響，實驗結果發現，隨著合成時間的延長，粉料的粒度會逐漸變大，這種現象充分說明不同的合成溫度決定了不同晶型SiC的成核，而不同合成時間則決定了晶核生長的程度。此外，當合成時間較短時，容易使得C和Si的反應不充分，從而使得合成產物中存在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，實驗中發現當摩爾比x(Si)∶x(C)=1.05∶1.00時比較合適，合成粉料中物相基本均為SiC，沒有其他雜相，而當摩爾比x(Si)∶x(C)＞1.05∶1.00時，合成粉料中會出現Si剩余。
小結
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，但是其后續處理工藝復雜，成本較高。改進的自蔓延法工藝相對簡單，成本較低，已經可以用來生長SiC單晶，然而其合成產物純度還達不到CVD法的水平。此外，用改進自蔓延法合成SiC粉料，不同合成工藝參數對SiC粉料的質量有一定影響。
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
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