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这种碳化硅为什么堪称“万金之躯”!

这种碳化硅为什么堪称“万金之躯”!

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碳化硅是个神奇的材料,无论是低品质还是高品质,都有它的用武之地,甚至在很多领域中还是首选材料。

例如,在冶炼方面,低品质碳化硅是一种优秀的脱氧剂;在加工领域,它是应用最广泛的磨削材料;在高温领域,它是一种性能优异的耐火材料;在陶瓷方面,碳化硅是两种应用最为广泛的陶瓷材料之一(另一种是氧化铝);更重要的是,作为第三代半导体的代表,碳化硅俨然已经成为了当下最火热的“明星材料”。
 
应用领域不同,对碳化硅的品质要求也不尽相同,其价格也千差万别,我们先来看一组数据。下面是中国粉体网本周对碳化硅微粉的价格调研情况(数据截止到11月底)。
 

(中粉资讯/碳化硅周报)

 
以上是部分磨料、陶瓷用碳化硅的价格,最贵也在5万元/吨左右。那半导体领域用的碳化硅价格是多少呢?据了解,用于单晶生长的碳化硅微粉价格为2000~12000元/kg,注意,其价格单位是元每千克

单晶生长用碳化硅为何有如此天价?

据了解,生长单晶用碳化硅粉体的粒径约为300~500μm,粒度要求不是很高,但它的纯度却需要达到99.999%-99.9999%!
 
现如今碳化硅微粉的生产大多采用将碳热还原法合成的块状碳化硅,经粗破、磨粉等工序生产而成,在生产过程中由于原料的不完全反应以及加工设备和外界环境的影响,使得加工成的碳化硅微粉存在游离的碳、石墨、及Fe、Al等金属单质及其氧化物等很多杂质。而现有的碳化硅提纯工艺有一定的局限性及不稳定性,很难将其提纯至单晶生长所需的纯度,这势必会对其生产工艺提出了更苛刻的要求。尤其涉及到大批量生产,很少企业能做出来,目前可以大批量生产高纯SiC粉体的公司有中国的天科合达、法国圣戈班、日本太平洋等,不同公司合成的SiC粉体的纯度不同,价格也不同。

普通SiC粉料合成方法

普通SiC粉料的合成方法多种多样,总体来说,大致可以分为三种方法。第一种方法是固相法,其中具有代表性的有碳热还原法、自蔓延高温合成法和机械粉碎法;第二种方法是液相法,其中具有代表性的方法主要是溶胶—凝胶法和聚合物热分解法;第三种方法是气相法,其中包括化学气相沉积法(CVD)、等离子体法和激光诱导法等。
 
 
采用固相法合成的碳化硅粉料较为经济,原料来源广泛且价格较低,易于工业化生产,然而用此种方法合成的碳化硅粉料杂质含量高,质量较低;高温自蔓延方法是利用高温给予反应物初始热开始发生化学反应,然后利用自身的化学反应热,使得未发生反应的物质继续完成化学反应。然而由于Si和C的化学反应放出的热量较小,必须加入其他的添加剂才能维持自蔓延反应的进行,这样就不可避免地引入了杂质元素,并且这种方法很容易造成反应的不均匀。
 
目前液相法合成碳化硅粉体的技术已经较为成熟,利用液相法合成的碳化硅粉体纯度高且为纳米级的微粉,然而工序较为复杂,且易产生对人体有害的物质。
 
气相法合成的碳化硅粉体纯度较高,颗粒尺寸小,是目前合成高纯碳化硅粉料常见的方法,然而这种合成方法成本高且产量较低,不适合批量化的生产。

高纯SiC粉体的合成方法

在众多SiC粉合成方法中,气相法通过控制气源中的杂质含量可以获得纯度较高的SiC粉体;液相法中只有溶胶-凝胶法可以合成纯度满足单晶生长需要的SiC粉体;固相法中的改进自蔓延高温合成法是目前使用范围最广,合成工艺最成熟的SiC粉体的制备方法。
 
1、气相法制备高纯SiC粉体
 
(1)CVD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源一般选择CH4、C2H2和CCl4等,而(CH3)2SiCl2、Si(CH3)4等气体既可以同时提供Si源和C源,这些气体的纯度均在99.9999%以上。
 
(2)等离子体法制备高纯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,气体纯度也在99.9999%以上。
 
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-凝胶法合成的碳化硅粉体最早用于烧结碳化硅陶瓷,随着工艺的不断改善,合成粉体的纯度也不断提升。目前溶胶-凝胶法制备的SiC粉体已经可以用于单晶的生长。
 
3、固相法制备高纯SiC粉体
 
自蔓延高温合成法属于固相合成法,该方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。然而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,研究人员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,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。
 
目前,在改进的自蔓延合成法中,研究人员通过控制起始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。然而,为了制备半绝缘SiC单晶衬底,SiC粉体中N元素的含量也必须尽可能降低,而无论是Si粉还是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。

总结

生长单晶用高纯碳化硅的价格高,主要是因为对它的纯度要求高,制备工艺异常复杂。其中固相法是目前合成高纯 SiC 粉体的主要方法,而液相法如溶胶凝胶法也能制备高纯的碳化硅粉体,但由于制备成本高,合成工艺复杂等原因无法满足工业生产需求。目前对于气相法制备高纯 SiC 粉体只有少部分的研究报道,气相法可以较好地控制 SiC 粉体中的杂质含量,尤其是 N 元素的含量,然而气相法合成的粉体多为纳米级,生产效率低,无法满足工业需求。因此,如何增大气相法制备高纯 SiC 粉体的粒径,提高其生产效率会成为一个全新的研究方向。

参考来源:

[1]罗昊等.碳化硅单晶生长用高纯碳化硅粉体的研究进展

[2]马康夫等.生长单晶用SiC粉料合成工艺研究进展

[3]中国粉体网

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