SiC单晶生长用高纯SiC粉体制备技术

SiC粉体是用于SiC单晶生长的上游原料，其纯度高低将会直接影响到SiC 单晶杂质含量，进而影响SiC单晶的电学性质。因此，高纯度SiC粉体的合成是制备高性能SiC衬底的关键。高纯度SiC粉体的杂质含量应至少低于 0.001%，合成方法主要包括气相法、液相法和固相法，其中：

（1）气相法制备高纯SiC粉体

CVD 法是通过气体的高温反应得到超细、高纯的 SiC 粉体，其中 Si 源一般选择 SiH4 和 SiCl4 等，C 源则一般选择 CH4、C2H2 和 CCl4 等，而(CH3)2SiCl2、Si(CH3)4 等气体可以同时提供 Si 源和 C 源，这些气体的纯度均在 99.9999%以上。CVD法的主要特点是对有机气源和内部石墨件的纯度要求非常高，会增加生产成本，另合成的SiC粉体为纳米级的超细粉体，收集较为困难，同时合成速率较低，目前无法用于大批量生产高纯 SiC 粉体。

等离子体法是将反应气体通入由射频电源激发的等离子体容器中，气体在高速电子的碰撞下相互反应，最后得到高纯的 SiC 粉体。等离子体法使用的气源与 CVD 法相同，纯度也在 99.9999%以上。等离子体法的优点在于通过高能电子碰撞得到高纯 SiC 粉体，有效降低了 SiC 粉体的合成温度，同时通过增加气体流量以及等离子腔的尺寸可以提高 SiC 粉体的产率。但是合成的粉体粒径太小，需要进一步处理才能用于晶体生长。

（2）液相法制备高纯SiC粉体

目前液相法中只有溶胶-凝胶法可以合成高纯的 SiC 粉体，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。溶胶-凝胶法最初用于碳化硅陶瓷烧结，但随着工艺的改进，合成粉体的纯度不断提升，可以制备出高纯度，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。

（3）固相法制备高纯SiC粉体

固相法是目前工业制备SiC粉体最常用的方法，相较气相法、液相法优势突出。自蔓延高温合成法属于固相法，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，但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，可以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，原料便宜，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。

在改进的自蔓延高温合成法中，通过控制 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。但如果为了制备半绝缘型SiC衬底，SiC 粉体中 N 元素的含量也必须尽可能降低，而 Si 粉和 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。

β-SiC 的反应示意图

来源：CNKI

三种 SiC 粉体制备方法的优劣点

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