中國(guó)粉體網(wǎng)訊 碳化硅是個(gè)神奇的材料，無(wú)論是低品質(zhì)還是高品質(zhì)，都有它的用武之地，甚至在很多領(lǐng)域中還是首選材料。
例如，在冶煉方面，低品質(zhì)碳化硅是一種優(yōu)秀的脫氧劑；在加工領(lǐng)域，它是應(yīng)用最廣泛的磨削材料；在高溫領(lǐng)域，它是一種性能優(yōu)異的耐火材料；在陶瓷方面，碳化硅是兩種應(yīng)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(dǎo)體的代表，碳化硅儼然已經(jīng)成為了當(dāng)下最火熱的“明星材料”。
（圖片來(lái)源：pixabay）
應(yīng)用領(lǐng)域不同，對(duì)碳化硅的品質(zhì)要求也不盡相同，其價(jià)格也千差萬(wàn)別，我們先來(lái)看一組數(shù)據(jù)。下面是中國(guó)粉體網(wǎng)本周對(duì)碳化硅微粉的價(jià)格調(diào)研情況（數(shù)據(jù)截止到11月底）。
（中粉資訊/碳化硅周報(bào)）
以上是部分磨料、陶瓷用碳化硅的價(jià)格，最貴也在5萬(wàn)元/噸左右。那半導(dǎo)體領(lǐng)域用的碳化硅價(jià)格是多少呢？據(jù)了解，用于單晶生長(zhǎng)的碳化硅微粉價(jià)格為2000～12000元/kg，注意，其價(jià)格單位是元每千克。
單晶生長(zhǎng)用碳化硅為何有如此天價(jià)？
據(jù)了解，生長(zhǎng)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(dá)到99.999%-99.9999%！
現(xiàn)如今碳化硅微粉的生產(chǎn)大多采用將碳熱還原法合成的塊狀碳化硅，經(jīng)粗破、磨粉等工序生產(chǎn)而成，在生產(chǎn)過(guò)程中由于原料的不完全反應(yīng)以及加工設(shè)備和外界環(huán)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(zhì)及其氧化物等很多雜質(zhì)。而現(xiàn)有的碳化硅提純工藝有一定的局限性及不穩(wěn)定性，很難將其提純至單晶生長(zhǎng)所需的純度，這勢(shì)必會(huì)對(duì)其生產(chǎn)工藝提出了更苛刻的要求。尤其涉及到大批量生產(chǎn)，很少企業(yè)能做出來(lái)，目前可以大批量生產(chǎn)高純SiC粉體的公司有中國(guó)的天科合達(dá)、法國(guó)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(jià)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(lái)說(shuō)，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(jī)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(xué)氣相沉積法（CVD）、等離子體法和激光誘導(dǎo)法等。
（圖片來(lái)源：pixabay）
采用固相法合成的碳化硅粉料較為經(jīng)濟(jì)，原料來(lái)源廣泛且價(jià)格較低，易于工業(yè)化生產(chǎn)，然而用此種方法合成的碳化硅粉料雜質(zhì)含量高，質(zhì)量較低；高溫自蔓延方法是利用高溫給予反應(yīng)物初始熱開(kāi)始發(fā)生化學(xué)反應(yīng)，然后利用自身的化學(xué)反應(yīng)熱，使得未發(fā)生反應(yīng)的物質(zhì)繼續(xù)完成化學(xué)反應(yīng)。然而由于Si和C的化學(xué)反應(yīng)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(yīng)的進(jìn)行，這樣就不可避免地引入了雜質(zhì)元素，并且這種方法很容易造成反應(yīng)的不均勻。
目前液相法合成碳化硅粉體的技術(shù)已經(jīng)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(jí)的微粉，然而工序較為復(fù)雜，且易產(chǎn)生對(duì)人體有害的物質(zhì)。
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(jiàn)的方法，然而這種合成方法成本高且產(chǎn)量較低，不適合批量化的生產(chǎn)。
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(guò)控制氣源中的雜質(zhì)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(mǎn)足單晶生長(zhǎng)需要的SiC粉體；固相法中的改進(jìn)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(guò)氣體的高溫反應(yīng)得到超細(xì)、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(shí)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(yīng)氣體通入由射頻電源激發(fā)的等離子體容器中，氣體在高速電子的碰撞下相互反應(yīng)，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(guò)程是將無(wú)機(jī)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(jīng)過(guò)干燥或脫水轉(zhuǎn)化成凝膠，再經(jīng)過(guò)熱處理得到所需要的超細(xì)粉體。溶膠-凝膠法合成的碳化硅粉體最早用于燒結(jié)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(jīng)可以用于單晶的生長(zhǎng)。
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(guò)添加活化劑使反應(yīng)物的化學(xué)反應(yīng)自發(fā)持續(xù)的進(jìn)行。然而活化劑的添加勢(shì)必會(huì)引入其他雜質(zhì)，為了保證生成物的純度，研究人員選擇提高反應(yīng)溫度以及持續(xù)加熱的方式來(lái)維持反應(yīng)的進(jìn)行，這種方法被稱(chēng)為改進(jìn)的自蔓延高溫合成法。改進(jìn)的自蔓延高溫合成法制備過(guò)程簡(jiǎn)單，合成效率高，在工業(yè)上被廣泛用于生產(chǎn)高純SiC粉體。該方法將固態(tài)的Si源和C源作為原料，使其在1400～2000℃的高溫下持續(xù)反應(yīng)，最后得到高純SiC粉體。
目前，在改進(jìn)的自蔓延合成法中，研究人員通過(guò)控制起始Si源和C源中雜質(zhì)含量以及對(duì)合成的SiC粉體進(jìn)行提純處理，可以將大部分雜質(zhì)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(wú)論是Si粉還是C粉，都極易吸附空氣中大量的N元素，導(dǎo)致合成的SiC粉體中N元素含量較高，無(wú)法滿(mǎn)足半絕緣單晶襯底的使用要求。因此，目前改進(jìn)的自蔓延合成法制備SiC粉體的研究重點(diǎn)在于如何降低SiC粉體中N元素的含量。
總結(jié)
生長(zhǎng)單晶用高純碳化硅的價(jià)格高，主要是因?yàn)閷?duì)它的純度要求高，制備工藝異常復(fù)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(fù)雜等原因無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)生產(chǎn)需求。目前對(duì)于氣相法制備高純 SiC 粉體只有少部分的研究報(bào)道，氣相法可以較好地控制 SiC 粉體中的雜質(zhì)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(jí)，生產(chǎn)效率低，無(wú)法滿(mǎn)足工業(yè)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(chǎn)效率會(huì)成為一個(gè)全新的研究方向。
參考來(lái)源：
[1]羅昊等.碳化硅單晶生長(zhǎng)用高純碳化硅粉體的研究進(jìn)展
[2]馬康夫等.生長(zhǎng)單晶用SiC粉料合成工藝研究進(jìn)展
[3]中國(guó)粉體網(wǎng)
（中國(guó)粉體網(wǎng)編輯整理/山川）
注：圖片非商業(yè)用途，存在侵權(quán)告知?jiǎng)h除
