反应温度对高纯碳化硅粉体合成的影响
反应温度对高纯碳化硅粉体合成的影响
碳化硅（SiC）单晶是一种具有独特电学、化学和热物理特性的半导体材料，在电子器件制造领域具有重要应用。然而，市售的SiC粉体通常无法满足高质量SiC单晶生长的要求。本文提出了一种高纯度SiC粉体的制备工艺，并系统研究了反应温度对产物相组成、粒径和产率的影响。
实验方法
以粒径小于10μm的高纯碳粉和粒径8μm的硅粉为原料，纯度为99.999%，进行合成反应。具体步骤如下：
- 将高纯Si粉末与碳粉在树脂研磨罐中混合24小时，Si/C的摩尔比为1:1，总重量为600g。
- 将均匀混合物装入坩埚中，并在真空环境（<10^-6 mbar）中以<1400°C的温度预热。
- 升温至1800-2150°C的不同合成温度，同时引入高纯度氩气。
- 保持10小时后冷却至室温。
在不同温度下制备了四个样品：A（1800°C）、B（1950°C）、C（2050°C）、D（2150°C）。
结果与讨论
反应温度对产物相组成的影响
图1显示了不同温度下制备的SiC粉末照片。较低温度（1800和1950°C）下产物呈黄色，主要为β-SiC相；较高温度（2050和2150°C）下产物呈黑色。
图1 四种不同反应温度下 SiC 粉末产品的照片。a 1800°C，b 1950°C，c 2050°C，d 2150°C
XRD分析进一步证实了这一相变过程（图2）。在1800°C时观察到碳、硅和β-SiC的峰；1950°C时产物由β-SiC和α-SiC组成；2050和2150°C时由于硅蒸发，碳峰再次出现。
图2 SiC粉末产品的X射线衍射图。这些SiC粉末中残留的碳和硅没有被去除
反应温度对产物粒径的影响
图3显示了四个样品的粒径分布。随着温度从1800°C升高到1950°C，粒径从20μm增加到45μm；而2050和2150°C时粒径分别减小到40μm和34μm。
图3 SiC粉体产品的粒度分布。这些SiC粉末中残留的碳和硅被去除
SEM观察结果（图4）与XRD和粒度分析一致。1800°C时可见小颗粒粘附形成大颗粒；1950°C时颗粒尺寸增大且形状从圆形转变为六边形；2050和2150°C时分解速度超过合成速度，导致大颗粒分解。
图 4 四种不同反应温度下 SiC 粉末产品的扫描电子显微镜图像。a 1800°C，b 1950°C，c 2050°C，d 2150°C
反应温度对产物收率的影响
通过酸洗和加热去除残留碳和硅后，发现1950°C时合成反应完成，残留杂质最少（图5）。
图5 酸洗加热过程计算的残留硅和碳对四种不同反应温度的依赖性
合成产品的GDMS分析和SiC单晶生长
对合成粉末进行GDMS分析，结果显示其纯度满足半绝缘SiC单晶生长要求。使用样品B工艺合成的SiC粉末成功生长出3英寸半绝缘4H-SiC单晶（图6）。
图6 使用我们实验室合成的 SiC 粉末生长的半绝缘 4H-SiC 单晶
晶圆的(0004)反射摇摆曲线显示单峰和窄半峰宽（图7a），电阻率大于10^10 Ω·cm（图7b），表明晶片质量很高。
图7 半绝缘4H-SiC单晶晶片的(0004)反射摇摆曲线，显示出唯一的单峰和窄的半峰宽，表明晶片的质量非常高。b 从晶圆上获取的电阻率图显示电阻率大于 1010 Ω•cm
结论
研究发现，随着反应温度升高，产物出现从β到α的相变，粒径和产率先增加后减小。在1950°C下10小时可获得高产率和高纯度的碳化硅粉末，可用于生长高质量的3英寸半绝缘4H-SiC单晶。