碳化硅生长过程的化学反应公式

碳化硅生长过程的化学反应公式

碳化硅系列第50篇

一般来说，碳化硅在1200-2977℃区间内，主要的升华产物是Si、Si2C、SiC2、SiC，对应的化学反应方程式及其平衡常数如下：

生成的Si、Si2C、SiC2的占所有气体的摩尔分数仍旧大于SiC的摩尔分数：

尽管如此，因为SiC的饱和蒸汽压要比Si、Si2C、SiC2小，所以只需要一定的分压就能够饱和，能生长：

对应的凝华的化学反应方程式和平衡常数：

而反应式中的平衡常数可以通过自由能计算——范特霍夫方程：恒温恒压条件下△G=-RTInK，也就是K=exp(-△G/RT)。K＞10^5或者K＜10^-5基本上可以认为是完全反应。其中，对于碳化硅固体、生成的Si、Si2C、SiC2气体的吉布斯自由能都可以上热力学数据库（NIST-JANAF Thermochemical Tables，https://janaf.nist.gov/）查阅。

实际使用会再添加其他的假设。

1.固溶体假设

碳化硅固体可以看成硅和碳的混合。

2.气体成分的假设

生成气体只有Si、SiC2、Si2C。气体成分条件使得气体分压式子减少。

根据物质的量守恒，反应2、3、4分别进行了nx次：

3.凝聚假设

凝聚系数γ=1。

依据这些假设，文章 A first step toward bridging silicon carbide crystal properties and physical chemistry of crystal growth 计算了硅活性aSi和碳活性aC，由此说明低温（1800-1900℃）、低压（1mbar）、高温度梯度容易制造富硅条件。而富硅条件下，容易生长3C-SiC；富碳条件下，容易生长4H/6H-SiC。

具体数据如下：

增大籽晶与原料温度差（籽晶温度2225 °C），容易制造富硅条件；减少气压（籽晶温度2225 °C），容易制造富硅条件。

增大籽晶温度（气压6mbar=600Pa），容易制造富硅条件，对碳活性影响不大。

条件相同（气压为500Pa, 籽晶温度2225 °C, 籽晶与原料温度差59 °C），在籽晶中部容易富硅，而两边容易富碳。其实可以都调节成富碳环境，就是中间会比两边碳活性低。那么，可以通过中间的温度梯度的方式来调节。

参考文献

1. A first step toward bridging silicon carbide crystal properties and physical chemistry of crystal growth

1.1 1978年 cree PVT INVESTIGATION OF GROWTH PROCESSES OF INGOTS OF SILICON CARBIDE SINGLE CRYSTALS

1.14 生成气体 Thermodynamic Study of SiC Utilizing a Mass Spectrometer

1.22 分压 Study of the equilibrium processes in the gas phase during silicon carbide sublimation

1.23 分压 Integrated process modeling and experimental validation of silicon carbide sublimation growth

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鸿 Rad

兼修碳化硅的晶体博士生