中國粉體網訊 碳化硅是個神奇的材料，無論是低品質還是高品質，都有它的用武之地，甚至在很多領域中還是首選材料。
例如，在冶煉方面，低品質碳化硅是一種優秀的脫氧劑；在加工領域，它是應用最廣泛的磨削材料；在高溫領域，它是一種性能優異的耐火材料；在陶瓷方面，碳化硅是兩種應用最為廣泛的陶瓷材料之一（另一種是氧化鋁）；更重要的是，作為第三代半導體的代表，碳化硅儼然已經成為了當下最火熱的“明星材料”。
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應用領域不同，對碳化硅的品質要求也不盡相同，其價格也千差萬別，我們先來看一組數據。下面是中國粉體網本周對碳化硅微粉的價格調研情況（數據截止到11月底）。
（中粉資訊/碳化硅周報）
以上是部分磨料、陶瓷用碳化硅的價格，最貴也在5萬元/噸左右。那半導體領域用的碳化硅價格是多少呢？據了解，用于單晶生長的碳化硅微粉價格為2000～12000元/kg，注意，其價格單位是元每千克。
單晶生長用碳化硅為何有如此天價？
據了解，生長單晶用碳化硅粉體的粒徑約為300～500μm，粒度要求不是很高，但它的純度卻需要達到99.999%-99.9999%！
現如今碳化硅微粉的生產大多采用將碳熱還原法合成的塊狀碳化硅，經粗破、磨粉等工序生產而成，在生產過程中由于原料的不完全反應以及加工設備和外界環境的影響，使得加工成的碳化硅微粉存在游離的碳、石墨、及Fe、Al等金屬單質及其氧化物等很多雜質。而現有的碳化硅提純工藝有一定的局限性及不穩定性，很難將其提純至單晶生長所需的純度，這勢必會對其生產工藝提出了更苛刻的要求。尤其涉及到大批量生產，很少企業能做出來，目前可以大批量生產高純SiC粉體的公司有中國的天科合達、法國圣戈班、日本太平洋等，不同公司合成的SiC粉體的純度不同，價格也不同。
普通SiC粉料合成方法
普通SiC粉料的合成方法多種多樣，總體來說，大致可以分為三種方法。第一種方法是固相法，其中具有代表性的有碳熱還原法、自蔓延高溫合成法和機械粉碎法；第二種方法是液相法，其中具有代表性的方法主要是溶膠—凝膠法和聚合物熱分解法；第三種方法是氣相法，其中包括化學氣相沉積法（CVD）、等離子體法和激光誘導法等。
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采用固相法合成的碳化硅粉料較為經濟，原料來源廣泛且價格較低，易于工業化生產，然而用此種方法合成的碳化硅粉料雜質含量高，質量較低；高溫自蔓延方法是利用高溫給予反應物初始熱開始發生化學反應，然后利用自身的化學反應熱，使得未發生反應的物質繼續完成化學反應。然而由于Si和C的化學反應放出的熱量較小，必須加入其他的添加劑才能維持自蔓延反應的進行，這樣就不可避免地引入了雜質元素，并且這種方法很容易造成反應的不均勻。
目前液相法合成碳化硅粉體的技術已經較為成熟，利用液相法合成的碳化硅粉體純度高且為納米級的微粉，然而工序較為復雜，且易產生對人體有害的物質。
氣相法合成的碳化硅粉體純度較高，顆粒尺寸小，是目前合成高純碳化硅粉料常見的方法，然而這種合成方法成本高且產量較低，不適合批量化的生產。
高純SiC粉體的合成方法
在眾多SiC粉合成方法中，氣相法通過控制氣源中的雜質含量可以獲得純度較高的SiC粉體；液相法中只有溶膠-凝膠法可以合成純度滿足單晶生長需要的SiC粉體；固相法中的改進自蔓延高溫合成法是目前使用范圍最廣，合成工藝最成熟的SiC粉體的制備方法。
1、氣相法制備高純SiC粉體
（1）CVD法制備高純SiC粉體
CVD法是通過氣體的高溫反應得到超細、高純的SiC粉體，其中Si源一般選擇SiH4和SiCl4等，C源一般選擇CH4、C2H2和CCl4等，而(CH3)2SiCl2、Si(CH3)4等氣體既可以同時提供Si源和C源，這些氣體的純度均在99.9999%以上。
（2）等離子體法制備高純SiC粉體
等離子體法是將反應氣體通入由射頻電源激發的等離子體容器中，氣體在高速電子的碰撞下相互反應，最后得到高純的SiC粉體。等離子體法使用的氣源與CVD法相同，氣體純度也在99.9999%以上。
2、液相法制備高純SiC粉體
目前液相法中只有溶膠-凝膠法可以合成高純的SiC粉體，其制備過程是將無機鹽或醇鹽溶于溶劑(水或醇)中形成均勻溶液，得到均勻的溶膠，經過干燥或脫水轉化成凝膠，再經過熱處理得到所需要的超細粉體。溶膠-凝膠法合成的碳化硅粉體最早用于燒結碳化硅陶瓷，隨著工藝的不斷改善，合成粉體的純度也不斷提升。目前溶膠-凝膠法制備的SiC粉體已經可以用于單晶的生長。
3、固相法制備高純SiC粉體
自蔓延高溫合成法屬于固相合成法，該方法是在外加熱源的條件下，通過添加活化劑使反應物的化學反應自發持續的進行。然而活化劑的添加勢必會引入其他雜質，為了保證生成物的純度，研究人員選擇提高反應溫度以及持續加熱的方式來維持反應的進行，這種方法被稱為改進的自蔓延高溫合成法。改進的自蔓延高溫合成法制備過程簡單，合成效率高，在工業上被廣泛用于生產高純SiC粉體。該方法將固態的Si源和C源作為原料，使其在1400～2000℃的高溫下持續反應，最后得到高純SiC粉體。
目前，在改進的自蔓延合成法中，研究人員通過控制起始Si源和C源中雜質含量以及對合成的SiC粉體進行提純處理，可以將大部分雜質如B、Fe、Al、Cu、P等控制在1×10-6以下。然而，為了制備半絕緣SiC單晶襯底，SiC粉體中N元素的含量也必須盡可能降低，而無論是Si粉還是C粉，都極易吸附空氣中大量的N元素，導致合成的SiC粉體中N元素含量較高，無法滿足半絕緣單晶襯底的使用要求。因此，目前改進的自蔓延合成法制備SiC粉體的研究重點在于如何降低SiC粉體中N元素的含量。
總結
生長單晶用高純碳化硅的價格高，主要是因為對它的純度要求高，制備工藝異常復雜。其中固相法是目前合成高純 SiC 粉體的主要方法，而液相法如溶膠凝膠法也能制備高純的碳化硅粉體，但由于制備成本高，合成工藝復雜等原因無法滿足工業生產需求。目前對于氣相法制備高純 SiC 粉體只有少部分的研究報道，氣相法可以較好地控制 SiC 粉體中的雜質含量，尤其是 N 元素的含量，然而氣相法合成的粉體多為納米級，生產效率低，無法滿足工業需求。因此，如何增大氣相法制備高純 SiC 粉體的粒徑，提高其生產效率會成為一個全新的研究方向。
參考來源：
[1]羅昊等.碳化硅單晶生長用高純碳化硅粉體的研究進展
[2]馬康夫等.生長單晶用SiC粉料合成工藝研究進展
[3]中國粉體網
（中國粉體網編輯整理/山川）
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