中国粉体网讯 碳化硅以其优异的物理化学性能在很多领域都有着广泛的应用前景，作为第三代半导体材料，碳化硅单晶是制作高频、大功率电子器件的理想材料。针对用于单晶生长的高纯碳化硅粉料的合成方法与合成工艺的研究现状，中国电子科技集团公司第二研究所的研究人员曾进行了专门的评述与总结。
高纯SiC粉料合成方法
目前，用于生长单晶的高纯SiC粉料的合成方法主要有：CVD法和改进的自蔓延合成法（又称为高温合成法或燃烧法）。其中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。
以往的自蔓延合成法是以外加热源点燃反应物坯体，然后利用自身物质的化学反应热使得后续的化学反应过程自发地持续进行，从而合成材料的一种方法。该法大都以硅粉和碳黑为原料，并填加其他活化剂，在1000～1150℃以显著的速度直接发生反应，生成SiC粉体，活化剂的引入势必影响合成产物的纯度和质量。因此，很多研究者在此基础上提出了改进的自蔓延合成法，改进之处主要是避免活化剂的引入，通过提高合成温度和持续供应加热来保证合成反应持续有效地进行。
高纯SiC粉料合成工艺
目前实验室中普遍采用改进的自蔓延法合成SiC，且合成过程中发现，不同的合成工艺参数对合成产物有一定影响。
合成温度的影响
中电科二所的研究人员发现，随着碳化硅合成反应温度的升高，合成的粉料颜色会逐渐变深，可能原因为温度过高会造成SiC分解，颜色变深可能与粉料中过多Si的挥发导致。
此外，他们发现当合成温度为1920℃时合成的β-SiC晶型相对较好。然而当合成温度大于2000℃之后，合成产物中C的比例明显增大，说明合成产物的物相受合成温度的影响。
实验中还发现，当在一定温度范围内随着合成温度的增加，合成的SiC粉料的粒度也随之增加。然而当合成温度继续升高，超过一定温度范围，合成的SiC粉体的粒度将会逐渐减小。当合成温度高于2000℃时，合成的SiC粉体的粒度将趋于一恒定值。
综上所述，不同的合成温度会对合成产物的物相组成造成一定影响，从而导致产物出现颜色差异。此外，合成温度对合成产物的粒径也有一定影响。
硅粉与碳粉形貌对合成SiC粉末的影响
山东大学的研究人员等研究发现，不同的硅粉形貌会影响合成产物的物相组成，其分别使用粒度＞500μm的Si粉和粒度＜20μm的Si粉进行了对比实验，实验中发现，当使用粒度＞500μm的Si粉作为反应物时，合成的产物中包含有无法研碎的坚硬固体。
实验中使用粒度>500μm的球状Si粉，合成温度1500℃进行反应时，合成产物中存在坚硬固体，无法研碎，并且通过颜色判断，合成产物中只有外表面生长了一薄层SiC。
然而当使用粒度<20μm的Si粉同条件下进行实验时发现前述无法研碎的坚硬固体消失，此外，通过XRD分析发现产物中全部为β-SiC。
另有研究也发现不同的碳源形貌和种类对合成产物也有一定影响，由此可见，不同形貌的硅粉与碳粉对Si、C合成SiC反应有一定影响，选择合适形貌的硅粉与碳粉有助于Si、C的充分反应，从而提高合成SiC的产率。
合成压强的影响
中科院上海硅酸盐研究所的研究人员发现不同生长压强对SiC粉料的合成有一定的影响。其中当生长压强在13.330～39.990kPa时合成的碳化硅粉料有着较好的一致性；但当生长压强大于39.990kPa时，会出现原料反应不完全的现象。合成压强对合成SiC粉料结晶质量以及粒径大小有一定影响。
合成时间的影响
有研究人员研究了不同合成时间对SiC粉料合成的影响，实验结果发现，随着合成时间的延长，粉料的粒度会逐渐变大，这种现象充分说明不同的合成温度决定了不同晶型SiC的成核，而不同合成时间则决定了晶核生长的程度。此外，当合成时间较短时，容易使得C和Si的反应不充分，从而使得合成产物中存在Si的残余物。
原料配比对合成的影响
有研究人员研究了不同Si、C摩尔比对合成SiC粉料的影响，实验中发现当摩尔比x(Si)∶x(C)=1.05∶1.00时比较合适，合成粉料中物相基本均为SiC，没有其他杂相，而当摩尔比x(Si)∶x(C)＞1.05∶1.00时，合成粉料中会出现Si剩余。
小结
目前，虽然SiC粉体的合成方法很多，但是专门用于单晶生长的高纯SiC粉料的制备方法还比较少，CVD法虽然可以合成纯度很高的SiC粉料，但是其后续处理工艺复杂，成本较高。改进的自蔓延法工艺相对简单，成本较低，已经可以用来生长SiC单晶，然而其合成产物纯度还达不到CVD法的水平。此外，用改进自蔓延法合成SiC粉料，不同合成工艺参数对SiC粉料的质量有一定影响。
参考来源：
马康夫，等：生长单晶用SiC粉料合成工艺研究进展
宁丽娜，等：硅粉形貌对人工合成高纯碳化硅粉料的影响
高攀，等：用于SiC晶体生长的高纯原料的合成及性能研究
田牧，等：温度对碳化硅粉料合成的影响
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