當前，以SiC為代表的第三代寬禁帶半導體越來越受到人們的關注，SiC具有寬帶隙、高臨界擊穿場強、高熱導率、高載流子飽和遷移率等優點，特別適合于制造高頻、大功率、抗輻射、抗腐蝕的電子器件，是半導體材料領域中較有前景的材料之一。

碳化硅粉在碳化硅晶圓生產中的應用

碳化硅晶圓的生產，是先要制備碳化硅襯底，目前其制備多采用改進Lely法、高溫CVD法和溶液法，其中以改進Lely法為主流。

Lely法，又稱升華法，其基本原理是：在空心圓筒狀石墨坩堝中（最外層石墨坩堝，內置多孔石墨環），將具有工業級純度的碳化硅粉料投入坩堝與多孔石墨環之間加熱到2500℃，碳化硅在此溫度下分解與升華，產生一系列氣相物質比如硅單晶、Si₂C和SiC₂等。由于坩堝內壁與多孔石墨環之間存在溫度梯度，這些氣相物質在多孔石墨環內壁隨機生成晶核。但Lely法產率低，晶核難以控制，而且會形成不同結構，尺寸也有限制。

隨著研究的深入，研究者提出了改進Lely法，也稱為物理氣相傳輸(PVT)法，在Lely法的基礎上進行改進，將升華生長爐中引入籽晶，設計合適的溫度梯度以控制SiC源到籽晶的物質運輸，可以控制控制晶核和晶向，這種方法可以獲得更大直徑和較低擴展缺陷密度的SiC晶體。隨著生長工藝的不斷改進，采用該方法已實現產業化的公司有美國的Cree、Dowcorning、Ⅱ-Ⅵ，德國的SiCrystal，日本的Nippon Steel，中國的山東天岳、天科合達等。

PVT法

SiC粉料用于制備SiC單晶

在PVT法中，影響SiC晶體合成的因素有很多，其中SiC粉體作為合成原料會直接影響SiC單晶的生長質量和電學性質。因此，近年來制備高純的SiC粉體逐漸成為SiC單晶生長領域的研究熱點。目前行業內合成SiC粉體的方法主要有三種：第一種是固相法，固相法中最具代表性的是Acheson法和自蔓延高溫合成法；第

二種是液相法，液相法中最具代表性的是溶膠-凝膠法和聚合物熱分解法；第三種是氣相法，氣相法中最具代表性的是化學氣相沉積法、等離子體法。

高純SiC粉體的制備方法

生長SiC單晶用的SiC粉體純度要求很高，其中雜質含量應至少低于0.001%。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。

一、氣相法

1. 化學氣相沉積法（CVD法）

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。

化學氣相沉積法制備粉體

CVD法利用有機氣源合成高純的SiC粉體，但該方法對有機氣源以及內部石墨件的純度要求非常高，增加了生產成本。另外，合成的粉體為納米級的超細粉體，不易收集，同時合成速率較低，目前無法用于生產大批量的高純SiC粉體。

2. 等離子體法

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。

等離子體法制備粉體

等離子體法通過高能電子碰撞得到高純的SiC粉體，降低了SiC粉體的合成溫度，通過增加氣體流量以及等離子腔的尺寸可以提高SiC粉體的產率。但是合成的粉體粒徑太小，需要進一步處理才能用于晶體生長。

二、溶膠-凝膠法

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。

溶膠凝膠法

溶膠-凝膠法可以制備高純度、超細SiC粉體，但是制備成本較高，合成過程復雜，不適合工業化生產。

三、自蔓延高溫合成法

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。

自蔓延高溫合成法（SHS）

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。

三種SiC粉體制備方法的優缺點

總結

目前合成單晶生長用高純SiC的方法并不多，以CVD法和改進的自蔓延合成法為主，其中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；同時，固相法制備過程的眾多雜質中，N元素的含量一直居高不下。后續應該在高純SiC 粉體粒徑和晶型對晶體生長的影響方面進行深入研究，從而加強對高純SiC粉體形狀、粒度、粒徑分布等參數的有效控制，并且對如何減少高純SiC粉體中N元素的含量還需進一步的研究。

參考來源：

1.碳化硅單晶生長用高純碳化硅粉體的研究進展，羅昊、張序清、楊德仁、皮孝東（人工晶體學報）；

2.用于SiC晶體生長的高純原料的合成及性能研究，高攀、劉熙、嚴成鋒、忻雋、陳建軍、孔海寬、鄭燕青、施爾畏（人工晶體學報）；

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