Étant donné que la poudre de SiC joue un rôle important dans la croissance des monocristaux, ces dernières années, la préparation de poudre de SiC-de haute pureté est progressivement devenue un point chaud de la recherche dans le domaine de la croissance des monocristaux de SiC.
Il existe principalement trois méthodes de synthèse de poudre de SiC : la première est la méthode en phase solide-, qui comprend principalement la méthode de réduction carbothermique, la méthode d'alliage mécanique et la méthode de synthèse à haute température-auto-propagation ; la seconde est la méthode en phase liquide-dont les plus représentatives sont la méthode sol-gel et la méthode de pyrolyse des polymères ; et la troisième est la méthode en phase gazeuse-, dont les plus représentatives sont le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) et la méthode plasma.
Méthode de phase-solide
Méthode de réduction carbothermique
La méthode de réduction carbothermique utilise généralement de la poudre de silice comme source de silicium et du noir de carbone et du coke de pétrole comme source de carbone. La source de carbone et la source de silicium sont uniformément mélangées dans une certaine proportion puis chauffées, et après maintien à une certaine température pendant un certain temps, une poudre de carbure de silicium est formée. En raison de son processus simple et du faible coût des matières premières, il s’agit actuellement de la méthode la plus couramment utilisée pour la production industrielle de carbure de silicium.
À l'heure actuelle, la préparation de poudre de SiC par la méthode traditionnelle de réduction carbothermique souffre encore de problèmes tels qu'une faible pureté de la poudre, une teneur élevée en impuretés, une consommation d'énergie élevée et une finesse insuffisante de la poudre. Cependant, cette méthode présente des avantages tels que des matières premières bon marché, une opération simple et une technologie mature, de sorte qu'elle conserve toujours une position dominante dans la préparation de carbure de silicium-de faible qualité.
Méthode d'alliage mécanique
La préparation de poudre de carbure de silicium par alliage mécanique utilise généralement l'énergie générée par le broyage à billes à haute -énergie pour favoriser la collision et la diffusion mutuelles entre les réactifs et former le produit souhaité. Au cours du processus de broyage à billes, sous l'impact local et la compression extrêmement élevés générés par la rotation à grande vitesse-des billes de broyage à haute-énergie, les surfaces de particules nouvellement exposées se combinent les unes avec les autres. Le broyage à billes à haute-énergie amène les particules à générer un grand nombre de défauts. Poussés par l’énergie libre, les atomes situés entre les surfaces des particules se diffusent les uns dans les autres, formant ainsi une nouvelle phase.
Le procédé d'alliage mécanique présente des avantages tels qu'une technologie de production simple, un faible coût et la capacité de réaliser une production en série de poudre de carbure de silicium. Cependant, étant donné que la synthèse de poudre de SiC par alliage mécanique est réalisée par un mouvement de collision aléatoire, les particules du produit ont généralement une large distribution granulométrique et une technologie de classification est toujours nécessaire pour filtrer le matériau. Dans le même temps, pendant le processus de broyage à boulets, les impuretés provenant des supports de broyage et des bols de broyage sont très facilement introduites, et comme la poudre de matière première réagit généralement par des réactions de surface-à-surface, une réaction incomplète est susceptible de se produire. En résumé, l'alliage mécanique n'est pas une méthode idéale pour synthétiser de la poudre de SiC de haute -pureté.
Méthode de synthèse à haute-auto-propagation à température élevée
La méthode de synthèse à haute température-auto-propagée appartient à la méthode de synthèse en phase solide-. Dans cette méthode, sous la condition d'une source de chauffage externe, des activateurs sont ajoutés afin que la réaction chimique des réactifs se déroule de manière spontanée et continue. Cependant, l'ajout d'activateurs introduit inévitablement d'autres impuretés. Afin de garantir la pureté du produit, les chercheurs choisissent d’augmenter la température de réaction et de continuer à chauffer pour maintenir la réaction. Cette méthode est appelée méthode améliorée de synthèse à haute température à auto-propagation-.
La méthode de synthèse améliorée à -auto-propagation à haute-température présente un processus de préparation simple et une efficacité de synthèse élevée. Elle est largement utilisée dans l'industrie pour produire de la poudre de SiC de haute-pureté. Cette méthode utilise des sources de Si solides et des sources de C comme matières premières, les faisant réagir en continu à une température élevée de 1400-2000 degrés C, et obtenant finalement une poudre de SiC de haute-pureté. À l'heure actuelle, l'objectif de recherche du procédé de synthèse auto-propagation amélioré pour préparer la poudre de SiC est de savoir comment réduire la teneur en éléments N dans la poudre de SiC.
Méthode de phase liquide-
Sol-Méthode Gel
À l'heure actuelle, parmi les méthodes en phase liquide-, seule la méthode sol-gel peut synthétiser de la poudre SiC de haute-pureté. Son processus de préparation consiste à dissoudre des sels inorganiques ou des alcoxydes dans un solvant (eau ou alcool) pour former une solution uniforme, obtenant un sol uniforme, qui est ensuite converti en gel par séchage ou déshydratation, puis soumis à un traitement thermique pour obtenir la poudre ultrafine requise.
La poudre de carbure de silicium synthétisée par la méthode sol-gel a été utilisée pour la première fois pour le frittage de céramiques en carbure de silicium. Avec l’amélioration continue du procédé, la pureté de la poudre synthétisée a également continué d’augmenter. À l'heure actuelle, la poudre de SiC préparée par la méthode sol-gel peut déjà être utilisée pour la croissance de monocristaux. La méthode sol-gel peut préparer une poudre de SiC ultrafine de haute-pureté, mais le coût de préparation est relativement élevé et le processus de synthèse est complexe, il n'est donc pas adapté à la production industrielle.
Méthode de pyrolyse des polymères
La méthode de pyrolyse des polymères produit principalement de la poudre de SiC en décomposant des polymères organiques à haute température. Cette méthode de synthèse est principalement divisée en deux catégories : l'une consiste à chauffer un précurseur pour subir une réaction de décomposition et libérer de petits monomères, formant du SiO2 et du C, puis à préparer de la poudre de SiC par réaction de réduction carbothermique ; l'autre chauffe un précurseur pour libérer un squelette monomère Si-C, formant finalement une poudre de SiC. Il y a eu de nombreuses études sur la méthode de pyrolyse des polymères dans les années 1990, mais ces dernières années, peu de chercheurs concernés l'ont mentionnée, principalement en raison de son faible taux de conversion de produit, du coût très élevé des matières premières et de sa pollution relativement importante.
Méthode de phase gazeuse-
Méthode de dépôt chimique en phase vapeur (CVD)
La méthode CVD permet d'obtenir une poudre de Si ultrafine-de haute pureté grâce à la réaction des gaz à haute-température. La source de Si est généralement choisie parmi SiH4 et SiCl4, etc., et la source de C est généralement choisie parmi CH4, C2H2 et CCl4, etc., tandis que des gaz tels que (CH3)2SiCl2 et Si(CH3)4 peuvent fournir à la fois la source de Si et la source de C en même temps. La pureté de ces gaz est supérieure à 99,9999 %.
À l'heure actuelle, la méthode CVD utilise principalement des sources de gaz organiques comme matières premières. Cette méthode nécessite un contrôle précis du débit d'admission de l'équipement et présente des exigences extrêmement élevées en matière de pureté des sources de gaz de synthèse et des pièces internes en graphite. Dans le même temps, comme il existe de nombreux sous-produits-de la réaction chimique, des gaz corrosifs et toxiques tels que les chlorures sont très facilement produits, ce qui impose des exigences élevées aux opérateurs et aux équipements, et les coûts de production restent donc également élevés. De plus, la poudre synthétisée par cette méthode est une poudre ultrafine à l’échelle nanométrique, difficile à collecter. De plus, en raison des limites du dépôt chimique en phase vapeur lui-même, le taux de synthèse est relativement lent et, à l'heure actuelle, il ne permet pas de produire à grande échelle-une poudre de SiC de haute-pureté.
Méthode plasma
La méthode plasma consiste à faire passer des gaz de réaction dans un récipient à plasma excité par une source d'énergie radio-. Les gaz réagissent les uns avec les autres lors de collisions avec des électrons à grande vitesse-, pour finalement obtenir une poudre de SiC de haute-pureté. Les sources de gaz utilisées dans la méthode plasma sont les mêmes que celles de la méthode CVD et la pureté du gaz est également supérieure à 99,9999 %.
La méthode plasma permet de synthétiser de la poudre de SiC-de haute pureté, et la distribution granulométrique de la poudre est uniforme, sans problème de pollution. Cependant, la taille des particules de poudre synthétisée est trop petite pour répondre aux exigences de la croissance des monocristaux, et un traitement supplémentaire est nécessaire avant de pouvoir être utilisé pour la croissance des cristaux. De plus, l'équipement a une durée de vie courte et un coût élevé.