የተለያዩ የሙቀት መጠኖች በሲቪዲ ሲሲ ሽፋን እድገት ላይ ያላቸው ተጽእኖ

የCVD SiC ሽፋን ምንድን ነው?

የኬሚካል ትነት ክምችት (CVD) ከፍተኛ ንፁህ የሆኑ ጠንካራ ቁሳቁሶችን ለማምረት የሚያገለግል የቫኩም ክምችት ሂደት ነው። ይህ ሂደት ብዙውን ጊዜ በሴሚኮንዳክተር ማምረቻ መስክ ውስጥ በዋፈር ወለል ላይ ቀጭን ፊልሞችን ለመፍጠር ጥቅም ላይ ይውላል። በሲቪዲ ሲሊኮን ካርቦይድ በማዘጋጀት ሂደት ውስጥ፣ ንጣፉ ለአንድ ወይም ከዚያ በላይ ተለዋዋጭ ቅድመ-ተለዋዋጭ ነገሮች የተጋለጠ ሲሆን፣ እነዚህም የሚፈለጉትን የሲሊኮን ካርቦይድ ክምችቶችን ለማስቀመጥ በንጣፉ ወለል ላይ በኬሚካላዊ ምላሽ ይሰጣሉ። የሲሊኮን ካርቦይድ ቁሳቁሶችን ለማዘጋጀት ከብዙ ዘዴዎች መካከል፣ በኬሚካል ትነት ክምችት የተዘጋጁ ምርቶች ከፍተኛ ወጥነት እና ንፅህና አላቸው፣ እና ይህ ዘዴ ጠንካራ የሂደት ቁጥጥር አቅም አለው። የሲቪዲ ሲሊከን ካርቦይድ ቁሳቁሶች እጅግ በጣም ጥሩ የሙቀት፣ የኤሌክትሪክ እና የኬሚካል ባህሪያት ጥምረት ያላቸው ሲሆን ይህም ከፍተኛ አፈጻጸም ያላቸው ቁሳቁሶች በሚያስፈልጉበት በሴሚኮንዳክተር ኢንዱስትሪ ውስጥ ለመጠቀም በጣም ተስማሚ ያደርጋቸዋል። የሲቪዲ ሲሊከን ካርቦይድ ክፍሎች በቅርጫት መሳሪያዎች፣ በMOCVD መሳሪያዎች፣ በSi ኤፒታክሲያል መሳሪያዎች እና በSiC ኤፒታክሲያል መሳሪያዎች፣ በፍጥነት በሚሰራ የሙቀት ማቀነባበሪያ መሳሪያዎች እና በሌሎች መስኮች በስፋት ጥቅም ላይ ይውላሉ።

ይህ ጽሑፍ የሚያተኩረው በተለያዩ የሂደት ሙቀቶች የሚበቅሉ ቀጭን ፊልሞችን ጥራት በመተንተን ላይ ነውየሲቪዲ ሲሲ ሽፋንበጣም ተገቢውን የሂደት ሙቀት ለመምረጥ። ሙከራው ግራፋይትን እንደ ንጣፍ እና ትሪክሎሮሜቲልሲላን (MTS) እንደ ምላሽ ምንጭ ጋዝ ይጠቀማል። የSiC ሽፋን የሚቀመጠው በዝቅተኛ ግፊት CVD ሂደት ሲሆን ማይክሮሞርፎሎጂ ደግሞየሲቪዲ ሲሲ ሽፋንየኤሌክትሮን ማይክሮስኮፒን በመቃኘት መዋቅራዊ ጥግግቱን ለመተንተን ይታያል።

የግራፋይት ንጣፍ ወለል የሙቀት መጠን በጣም ከፍተኛ ስለሆነ፣ መካከለኛው ጋዝ ከንጣፉ ወለል ላይ ይሟሟል እና ይለቀቃል፣ እና በመጨረሻም በንጣፉ ወለል ላይ የሚቀሩት C እና Si ጠንካራ የደረጃ SiC ይፈጥራሉ ይህም የSiC ሽፋን ይፈጥራሉ። ከላይ በተጠቀሰው የCVD-SiC የእድገት ሂደት መሠረት፣ የሙቀት መጠኑ የጋዝ ስርጭትን፣ የMTS መበስበስን፣ የጠብታዎችን መፈጠር እና የመካከለኛ ጋዝ መሟጠጥን እና መፍሰስን እንደሚጎዳ ማየት ይቻላል፣ ስለዚህ የማስቀመጫ ሙቀት በSiC ሽፋን ሞርፎሎጂ ውስጥ ቁልፍ ሚና ይጫወታል። የሽፋኑ ጥቃቅን ሞርፎሎጂ የሽፋኑ ጥግግት በጣም በቀላሉ የሚታወቅ መገለጫ ነው። ስለዚህ፣ የተለያዩ የማስቀመጫ ሙቀቶች በCVD SiC ሽፋን ጥቃቅን ሞርፎሎጂ ላይ ያላቸውን ተጽእኖ ማጥናት አስፈላጊ ነው። ኤምቲኤስ የSiC ሽፋንን በ900~1600℃ መካከል መበስበስ እና ማስቀመጥ ስለሚችል፣ ይህ ሙከራ የሙቀት መጠን በCVD-SiC ሽፋን ላይ ያለውን ተጽእኖ ለማጥናት የSiC ሽፋን ለማዘጋጀት 900℃፣ 1000℃፣ 1100℃፣ 1200℃ እና 1300℃ አምስት የማስቀመጫ ሙቀትን ይመርጣል። የተወሰኑት መለኪያዎች በሰንጠረዥ 3 ውስጥ ይታያሉ። ምስል 2 በተለያዩ የማስቀመጫ የሙቀት መጠኖች የሚበቅለውን የCVD-SiC ሽፋን ጥቃቅን ሞርፎሎጂ ያሳያል።

የመያዣው የሙቀት መጠን 900℃ ሲሆን ሁሉም SiC ወደ ፋይበር ቅርጾች ያድጋል። የአንድ ፋይበር ዲያሜትር 3.5μm አካባቢ ሲሆን የገጽታ ጥምሩም 3 (<10) ያህል እንደሆነ ማየት ይቻላል። ከዚህም በላይ ስፍር ቁጥር ከሌላቸው ናኖ-ሲሲ ቅንጣቶች የተዋቀረ ስለሆነ ከባህላዊው የSiC ናኖዋሮች እና ከነጠላ-ክሪስታል SiC ጢም የተለየ የፖሊክሪስታሊን SiC መዋቅር ነው። ይህ ፋይበር SiC ምክንያታዊ ባልሆነ የሂደት መለኪያዎች የተፈጠረ የመዋቅር ጉድለት ነው። የዚህ SiC ሽፋን አወቃቀር በአንጻራዊነት ልቅ እንደሆነ እና በፋይበር ሲሲ መካከል ብዙ ቀዳዳዎች እንዳሉ እና ጥግግቱ በጣም ዝቅተኛ እንደሆነ ማየት ይቻላል። ስለዚህ፣ ይህ የሙቀት መጠን ጥቅጥቅ ያሉ የSiC ሽፋኖችን ለማዘጋጀት ተስማሚ አይደለም። ብዙውን ጊዜ ፋይበር SiC መዋቅራዊ ጉድለቶች የሚከሰቱት በጣም ዝቅተኛ የመያዣ ሙቀት ምክንያት ነው። በዝቅተኛ የሙቀት መጠን፣ በንዑስ ወለል ላይ የተዋሃዱ ትናንሽ ሞለኪውሎች ዝቅተኛ ኃይል እና ደካማ የፍልሰት አቅም አላቸው። ስለዚህ፣ ትናንሽ ሞለኪውሎች ወደ ዝቅተኛው የገጽታ ነፃ የSiC እህሎች (እንደ የእህል ጫፍ) ለመዛወር እና ለማደግ ይቀናጃሉ። ቀጣይነት ያለው የአቅጣጫ እድገት በመጨረሻ ፋይበር ሲሲ መዋቅራዊ ጉድለቶችን ይፈጥራል።

የCVD SiC ሽፋን ዝግጅት፡

በመጀመሪያ፣ የግራፋይት ንጣፍ በከፍተኛ ሙቀት ባለው የቫክዩም ምድጃ ውስጥ ይቀመጣል እና አመድ ለማስወገድ በAr ከባቢ አየር ውስጥ ለ1 ሰዓት በ1500℃ ይቀመጣል። ከዚያም የግራፋይት ብሎክ በ15x15x5ሚሜ ብሎክ ተቆርጦ የግራፋይት ብሎክ ወለል በ1200-ሜሽ የአሸዋ ወረቀት ይወለወላል። የታከመው የግራፋይት ብሎክ በንፁህ ኤታኖል እና በተጣራ ውሃ ይታጠባል፣ ከዚያም ለማድረቅ በ100℃ ምድጃ ውስጥ ይቀመጣል። በመጨረሻም፣ የግራፋይት ንጣፍ ለSiC ክምችት በቱቦው ምድጃ ዋና የሙቀት ዞን ውስጥ ይቀመጣል። የኬሚካል ትነት ማስቀመጫ ስርዓት ንድፍ ንድፍ በምስል 1 ላይ ይታያል።

የየሲቪዲ ሲሲ ሽፋንየክፍሉን መጠን እና ጥግግት ለመተንተን የኤሌክትሮን ማይክሮስኮፒን በመቃኘት ታይቷል። በተጨማሪም፣ የSiC ሽፋን የማስቀመጫ መጠን በሚከተለው ቀመር መሰረት ተሰልቷል፡ VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=የማስቀመጫ መጠን፤ m2–የሽፋን ናሙና ክብደት (mg); m1–የንጥረ ነገሩ ክብደት (mg); የንጣፉ S-ገጽታ ስፋት (ሚሜ 2); t - የማስያዣ ጊዜ (ሰ)።   ሲቪዲ-ሲሲ በአንጻራዊነት ውስብስብ ሲሆን ሂደቱ እንደሚከተለው ሊጠቃለል ይችላል፡ በከፍተኛ ሙቀት፣ ኤምቲኤስ የሙቀት መበስበስን በማለፍ የካርቦን ምንጭ እና የሲሊኮን ምንጭ ትናንሽ ሞለኪውሎችን ይፈጥራል። የካርቦን ምንጭ ትናንሽ ሞለኪውሎች በዋናነት CH3፣ C2H2 እና C2H4ን ያካትታሉ፣ እና የሲሊኮን ምንጭ ትናንሽ ሞለኪውሎች በዋናነት SiCI2፣ SiCI3፣ ወዘተ ያካትታሉ፤ እነዚህ የካርቦን ምንጭ እና የሲሊኮን ምንጭ ትናንሽ ሞለኪውሎች ከዚያም በተሸካሚው ጋዝ እና በሟሟ ጋዝ ወደ ግራፋይት ንጣፍ ወለል ይጓጓዛሉ፣ ከዚያም እነዚህ ትናንሽ ሞለኪውሎች በመምጠጥ መልክ በንጥረ ነገሩ ወለል ላይ ይዋሃዳሉ፣ ከዚያም በትናንሽ ሞለኪውሎች መካከል የኬሚካል ግብረመልሶች ይከሰታሉ፣ ቀስ በቀስ የሚያድጉ ትናንሽ ጠብታዎችን ይፈጥራሉ፣ እና ጠብታዎቹም ይዋሃዳሉ፣ እና ምላሹ በመካከለኛ ምርቶች (HCl ጋዝ) መፈጠር አብሮ ይመጣል፤ የሙቀት መጠኑ ወደ 1000 ℃ ሲጨምር የSiC ሽፋን ጥግግት በእጅጉ ይሻሻላል። አብዛኛው ሽፋን ከSiC እህሎች (መጠኑ 4 μm አካባቢ) የተዋቀረ መሆኑን ማየት ይቻላል፣ ነገር ግን አንዳንድ የፋይበር SiC ጉድለቶችም ተገኝተዋል፣ ይህም በዚህ የሙቀት መጠን የSiC አቅጣጫዊ እድገት እንዳለ እና ሽፋኑ አሁንም በቂ ጥቅጥቅ ያለ እንዳልሆነ ያሳያል። የሙቀት መጠኑ ወደ 1100 ℃ ሲጨምር፣ የSiC ሽፋን በጣም ጥቅጥቅ ያለ እና የፋይበር SiC ጉድለቶች ሙሉ በሙሉ ጠፍተዋል። ሽፋኑ ከ5~10 μm ዲያሜትር ያላቸው ጠብታ ቅርጽ ያላቸው የSiC ቅንጣቶችን ያቀፈ ሲሆን እነዚህም በጥብቅ የተጣመሩ ናቸው። የቅንጣቶቹ ወለል በጣም ሻካራ ነው። ስፍር ቁጥር ከሌላቸው ናኖ-ስኬል SiC እህሎች የተዋቀረ ነው። እንደ እውነቱ ከሆነ፣ በ1100 ℃ ላይ ያለው የCVD-SiC እድገት ሂደት የጅምላ ዝውውር ቁጥጥር ተደርጎበታል። በንጥረ ነገሩ ወለል ላይ የተዋሃዱት ትናንሽ ሞለኪውሎች ወደ ሲሲ እህሎች ኒውክሊየስ ለማድረግ እና ለማደግ በቂ ኃይል እና ጊዜ አላቸው። የSiC እህሎች በእኩል መጠን ትላልቅ ጠብታዎችን ይፈጥራሉ። የገጽታ ኃይል በሚሰራበት ጊዜ፣ አብዛኛዎቹ ጠብታዎች ክብ ቅርጽ ያላቸው ይመስላሉ፣ እና ጠብታዎቹ በጥብቅ ተጣምረው ጥቅጥቅ ያለ የSiC ሽፋን ይፈጥራሉ። የሙቀት መጠኑ ወደ 1200℃ ሲጨምር የSiC ሽፋንም ጥቅጥቅ ያለ ነው፣ ነገር ግን የSiC ሞርፎሎጂ ባለብዙ ጠርዞችን ይይዛል እና የሽፋኑ ወለል የበለጠ ሻካራ ይመስላል። የሙቀት መጠኑ ወደ 1300℃ ሲጨምር፣ ወደ 3μm የሚጠጋ ዲያሜትር ያላቸው ብዙ መደበኛ የሉላዊ ቅንጣቶች በግራፊት ንጣፍ ወለል ላይ ይገኛሉ። ይህ የሆነበት ምክንያት በዚህ የሙቀት መጠን፣ SiC ወደ ጋዝ ደረጃ ኒውክሊየሽን ስለተለወጠ እና የኤምቲኤስ የመበስበስ ፍጥነት በጣም ፈጣን ስለሆነ ነው። ትናንሽ ሞለኪውሎች ምላሽ ሰጥተው ኑክሊየሮች በመሆናቸው በንዑስ ወለል ላይ ከመዋጣቸው በፊት የSiC እህሎችን ይፈጥራሉ። እህሎቹ ክብ ቅንጣቶችን ከፈጠሩ በኋላ፣ ከታች ይወድቃሉ፣ በመጨረሻም ደካማ ጥግግት ያለው ልቅ የሆነ የSiC ቅንጣት ሽፋን ያስከትላል። በግልጽ ለማየት እንደሚቻለው፣ 1300℃ ጥቅጥቅ ያለ የSiC ሽፋን እንደ ምስረታ ሙቀት ሊያገለግል አይችልም። አጠቃላይ ንፅፅር እንደሚያሳየው ጥቅጥቅ ያለ የSiC ሽፋን መዘጋጀት ካለበት፣ በጣም ጥሩው የCVD ማስቀመጫ የሙቀት መጠን 1100℃ ነው።

ምስል 3 የሲቪዲ ሲሲ ሽፋኖችን በተለያዩ የማጠራቀሚያ የሙቀት መጠኖች የመቀነስ መጠን ያሳያል። የማጠራቀሚያ ሙቀት እየጨመረ ሲሄድ የሲሲ ሽፋን የመቀነስ መጠን ቀስ በቀስ ይቀንሳል። በ900°ሴ ያለው የመቀነስ መጠን 0.352 mg·h-1/mm2 ሲሆን የፋይበሮቹ አቅጣጫዊ እድገት ወደ ፈጣኑ የመቀነስ መጠን ይመራል። ከፍተኛ ጥግግት ያለው የሽፋኑ የመቀነስ መጠን 0.179 mg·h-1/mm2 ነው። አንዳንድ የሲሲ ቅንጣቶች በመቀነስ ምክንያት፣ በ1300°ሴ ያለው የመቀነስ መጠን ዝቅተኛው ነው፣ 0.027 mg·h-1/mm2 ብቻ ነው።   ማጠቃለያ፡- በጣም ጥሩው የሲቪዲ ማከማቻ የሙቀት መጠን 1100℃ ነው። ዝቅተኛ የሙቀት መጠን የሲሲ አቅጣጫዊ እድገትን ያበረታታል፣ ከፍተኛ የሙቀት መጠን ደግሞ ሲሲ የእንፋሎት ክምችት እንዲፈጥር እና ትንሽ ሽፋን እንዲፈጠር ያደርጋል። የማጠራቀሚያ ሙቀት መጨመር ሲጨምር የማጠራቀሚያ መጠንየሲቪዲ ሲሲ ሽፋንቀስ በቀስ ይቀንሳል።