【会议报告】高纯度碳化硅清洁生产

碳化硅的物理化学性能

SiC晶体材料的发展历史已有一百多年，随着生长工艺的不断改进，人们通过多种方法可以获得更大直径和较低扩展缺陷密度的SiC晶体。其中，SiC 粉体作为合成原料会直接影响SiC单晶的生长质量和电学性质，制备高纯的SiC粉体成为晶体生长的关键。

高纯SiC粉体合成方法

生长SiC晶体用的SiC粉体纯度要求：粒径约为300~500μm，纯度在99.95%~99.9999%之间。在众多SiC粉合成方法中，气相法通过控制气源中的杂质含量可以获得纯度较高的SiC粉体; 液相法中只有溶胶-凝胶法可以合成纯度满足单晶生长需要的SiC粉体；固相法中的改进自蔓延高温合成法是目前使用范围最广，合成工艺最成熟的SiC粉体的制备方法。

• CVD法

CVD法合成SiC粉体的Si源一般包括硅烷和四氯化硅等，C源一般选用四氯化碳、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时提供Si源和C源。

采用CVD法，利用有机气源合成了高纯的SiC粉体，但该方法对有机气源以及内部石墨件的纯度要求非常高，增加了生产成本。另外，合成的粉体为纳米级的超细粉体，不易收集，同时合成速率较低，目前无法用于生产大批量的高纯SiC粉体。

• 溶胶-凝胶法

溶胶-凝胶法合成的碳化硅粉体最早用于烧结碳化硅陶瓷，随着工艺的不断改善，合成粉体的纯度也不断提升，目前溶胶-凝胶法制备的SiC粉体已经可以用于单晶的生长。其制备过程是将无机盐或醇盐溶于溶剂( 水或醇) 中形成均匀溶液，得到均匀的溶胶，经过干燥或脱水转化成凝胶，再经过热处理得到所需要的超细粉体。

实验研究表明，溶胶-凝胶法可以制备高纯度、超细SiC粉体，但是制备成本较高，合成过程复杂，不适合工业化生产。

• 自蔓延高温合成法

自蔓延高温合成法属于固相合成法，该方法是在外加热源的条件下，通过添加活化剂使反应物的化学反应自发持续的进行，然而活化剂的添加势必会引入其他杂质，为了保证生成物的纯度，研究人员选择提高反应温度以及持续加热的方式来维持反应的进行，这种方法被称为改进的自蔓延高温合成法。

改进的自蔓延高温合成法制备过程简单，合成效率高，在工业上被广泛用于生产高纯SiC粉体。该方法将固态的Si源和C源作为原料，使其在1400～2000℃的高温下持续反应，最后得到高纯SiC粉体。

目前，在改进的自蔓延合成法中，研究人员通过控制起始Si源和C源中杂质含量以及对合成的SiC粉体进行提纯处理，可以将大部分杂质如B、Fe、Al、Cu、P 等控制在1×10^－6以下。

然而，为了制备半绝缘SiC单晶衬底，SiC粉体中N元素的含量也必须尽可能降低，而无论是Si粉还是C粉，都极易吸附空气中大量的N元素，导致合成的SiC粉体中N元素含量较高，无法满足半绝缘单晶衬底的使用要求。因此，目前改进的自蔓延合成法制备SiC粉体的研究重点在于如何降低SiC粉体中N元素的含量。

中国粉体网将于2024年4月25日在江苏苏州举办“第三届半导体行业用陶瓷材料技术研讨会暨第三代半导体SiC晶体生长技术交流会”，届时，福州大学洪若瑜教授将带来题为《高纯度碳化硅清洁生产》的报告。洪教授基于碳化硅粉体的特性、应用领域，将详细介绍碳化硅粉体的制备方法，并对各种方法进行评述。

来源：

罗昊等：碳化硅单晶生长用高纯碳化硅粉体的研究进展

宽禁带半导体材料：第三代半导体材料之碳化硅（SiC）