中國粉體網訊 近年來，制備高純SiC粉料逐漸成為SiC單晶生長領域的研究熱點。生長SiC單晶用的SiC粉體純度要求很高，雜質含量應至少低於0.001%，此外，碳化矽粉料的各項參數都直接影響單晶生長的品質以及電學效能。
碳化矽單晶生長工藝路線中，物理氣相傳輸法（PVT）是目前主流的產業化方式，對於PVT法生長方式而言，碳化矽粉料對生長工藝有很大的影響。 合成高純的SiC粉體是PVT法生長高品質SiC單晶的關鍵 。
目前工業套用中，普遍采用的碳化矽粉料合成工藝為 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、速度快、汙染小、純度高、成本低等優點，是一種目前常見的制備SiC粉體的方法，通常被用做合成高純SiC粉。
高真空下合成碳化矽粉料及晶體生長
來源：【李斌等，高真空下合成生長單晶用高純碳化矽粉料】
據統計，用於碳化矽長晶的SiC粉體的粒徑約為 300～500μm ，純度（品質分數，下同）在 99.95%～99.9999% 之間，價格在 2000～12000元/kg 之間。目前可以大批次生產高純SiC粉體的公司有中國的天科合達、法國聖戈班、日本太平洋等，不同公司合成的SiC粉體的純度不同，價格也不同。
碳化矽長晶的SiC粉體價格堪比鉆石，原因在於：純！ 而現有的碳化矽提純技術有一定的局限性，且在生產工藝過程中，有多重因素影響，要求極為苛刻。
SiC粉料對長晶的影響
1.粉料粒度
PVT法生長SiC單晶主要透過改變氣相組分中Si和C的莫耳比來實作，而氣相組分中的矽碳莫耳比與SiC粉料的粒度有關 。生長系統的總壓力、矽碳比隨顆粒尺寸的減小而增大，當顆粒尺寸從2～3 mm減小到0.06 mm時，矽碳比從1.3增加到4.0。當顆粒小到一定程度時，Si分壓增大，在生長晶體表面形成一層Si膜，誘發氣液固生長，對晶體中的多型、點缺陷和線缺陷產生影響。
另外， SiC粉料顆粒尺寸較小，粉料分解速率較快，會導致SiC單晶生長速度過快 。在SiC單晶生長的高溫環境中合成與分解兩個過程同時進行，碳化矽粉料會發生分解形成Si、Si2C、SiC2等氣相及固相的碳，導致多晶粉料的碳化比較嚴重，形成晶體的碳包裹物；而當粉料分解速率過快時，生長的SiC單晶晶型結構容易發生變化，使得生長的SiC單晶品質不容易控制。
2.粉料晶型
PTV法生長SiC單晶是在高溫下進行的昇華-重結晶過程，SiC原料晶型對晶體生長有重要影響 。碳化矽晶型較多，包括200多種不同晶型，但生產一般僅需一種晶型。在生產過程中，一方面，SiC晶型較多，溫度控制範圍較窄，生長過程中易產生晶型轉變造成多型夾雜缺陷，單一特定晶型難以穩定控制；另一方面，在單晶生長過程中，溫度升高，坩堝中發生相轉變，此時氣相中的莫耳比變大，不利於晶體生長。此外，在相變過程中，容易產生其他氣相雜質，包括碳、矽、二氧化矽等，這些雜質的存在令晶體滋生出微管、空洞的缺陷。
不同溫度下合成的SiC粉體實物圖
3.粉料雜質
SiC粉料中的雜質會影響晶體生長過程中的自發成核 。雜質含量越高對於晶體自發成核的可能性越小，對SiC來說，主要的金屬雜質包括B、Al、V、Ni，可能是在加工矽粉和碳粉的過程中由加工工具引入的。其中，B、Al是SiC中主要的淺能階受主雜質，導致SiC電阻率的降低。其他的金屬雜質會引入很多的能階，導致SiC單晶在高溫下的電學效能不穩定，對高純半絕緣單晶襯底的電學性質特別是電阻率造成較大的影響，因此必須盡可能合成高純的碳化矽粉料。
4.粉料氮氣含量
氮氣含量的高低決定了單晶襯底的電阻率大小 ，各大廠家進行粉料合成中需要根據成熟的長晶工藝來調整合成料中氮氣摻雜濃度。高純半絕緣碳化矽單晶襯底是軍用核心電子元器件的最有潛力的材料，要生長高電阻率電學性質優良的高純半絕緣單晶襯底，必須將襯底中主雜質氮的含量控制在較低的水平。導電型單晶襯底需要氮含量控制在較高的濃度。
如何控制？
碳化矽襯底使用環境的不同，生長用粉料合成技術也存在工藝不同，對於N型導電性單晶生長用粉料，要求雜質純度高、物相單一；而對於半絕緣型單晶生長用粉料，則需要對氮含量進行嚴格的控制。
為解決傳統自蔓延合成SiC粉體存在的氮雜質濃度過高的問題 。 河北同光 發明了一種可用於高純半絕緣SiC單晶生長用的低氮雜質濃度的碳化矽粉體合成方法，該方法制備的高純碳化矽粉料氮含量低於2×1016個/cm3，該原料尤其適於高純半絕緣SiC單晶的生長。 天科合達 發明了一種低氮含量碳化矽粉料的制備方法及碳化矽單晶，該發明采用易揮發高純有機物在制備碳化矽粉料過程中將原料表面以及晶界處的氮帶走，進而降低產品中氮含量。實驗結果表明：碳化矽粉料和單晶的氮含量均小於5×1016個/cm3。
原料粒徑控制問題 。目前合成使用矽料主要分為顆粒矽及粉末矽，采用塊狀的矽原料，產物中存在大量的Si元素，降矽塊二次破碎後，合成產物中Si元素明顯減小，但仍存在，最後利用矽粉進行合成，產物中只有SiC，這是由於在生產過程中，粒徑大的顆粒矽需要先進行表面的合成反應，碳化矽在表面合成，阻止了內部的Si粉與C粉的進一步結合，因此， 若采用塊狀的矽作為原料時，需要進行破碎後進行二次合成工藝後獲得長晶用碳化矽粉料 。
參考來源：
半導體行業觀察：碳化矽，究竟貴在哪裏？
王殿等：高純度碳化矽單晶粉料合成工藝.半導體技術
羅昊等：碳化矽單晶生長用高純碳化矽粉體的研究進展.人工晶體學報
李斌等，高真空下合成生長單晶用高純碳化矽粉料
粉體網
（中國粉體網編輯整理/空青）
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