تأثير درجات الحرارة المختلفة على نمو طبقة كربيد السيليكون المترسبة كيميائياً من البخار

ما هو طلاء كربيد السيليكون بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD SiC)؟

الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) هو عملية ترسيب فراغي تُستخدم لإنتاج مواد صلبة عالية النقاء. تُستخدم هذه العملية بكثرة في مجال تصنيع أشباه الموصلات لتشكيل أغشية رقيقة على سطح الرقائق. في عملية تحضير كربيد السيليكون باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار، تُعرَّض الركيزة لمادة أو أكثر من المواد الأولية المتطايرة، والتي تتفاعل كيميائيًا على سطح الركيزة لترسيب طبقات كربيد السيليكون المطلوبة. من بين الطرق العديدة لتحضير مواد كربيد السيليكون، تتميز المنتجات المُحضَّرة بالترسيب الكيميائي للبخار بتجانس ونقاء أعلى، كما تتميز هذه الطريقة بإمكانية تحكم دقيقة في العملية. تتميز مواد كربيد السيليكون المُصنّعة بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) بمزيج فريد من الخصائص الحرارية والكهربائية والكيميائية الممتازة، مما يجعلها مناسبة جدًا للاستخدام في صناعة أشباه الموصلات التي تتطلب مواد عالية الأداء. تُستخدم مكونات كربيد السيليكون المُصنّعة بتقنية CVD على نطاق واسع في معدات الحفر، ومعدات الترسيب الكيميائي للبخار العضوي المعدني (MOCVD)، ومعدات الترسيب الطبقي للسيليكون (Si) وكربيد السيليكون (SiC)، ومعدات المعالجة الحرارية السريعة، وغيرها من المجالات.

تركز هذه المقالة على تحليل جودة الأغشية الرقيقة التي يتم إنتاجها عند درجات حرارة معالجة مختلفة أثناء تحضيرهاطلاء كربيد السيليكون المترسب كيميائياً من البخاروذلك لاختيار درجة حرارة المعالجة الأنسب. تستخدم التجربة الجرافيت كركيزة وثلاثي كلورو ميثيل سيلان (MTS) كغاز مصدر للتفاعل. يتم ترسيب طبقة كربيد السيليكون (SiC) بواسطة عملية الترسيب الكيميائي للبخار تحت ضغط منخفض، ويتم دراسة المورفولوجيا المجهرية لـطلاء كربيد السيليكون المترسب كيميائياً من البخارتتم ملاحظته بواسطة المجهر الإلكتروني الماسح لتحليل كثافته الهيكلية.

نظرًا لارتفاع درجة حرارة سطح ركيزة الجرافيت، ينطلق الغاز الوسيط من سطح الركيزة، وفي النهاية، يتشكل كربيد السيليكون (SiC) الصلب من الكربون والسيليكون المتبقيين على سطح الركيزة، مكونًا طبقة من كربيد السيليكون. وبناءً على عملية نمو كربيد السيليكون بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD)، يتضح أن درجة الحرارة تؤثر على انتشار الغاز، وتحلل مادة MTS، وتكوين القطرات، وانطلاق الغاز الوسيط، لذا تلعب درجة حرارة الترسيب دورًا محوريًا في مورفولوجيا طبقة كربيد السيليكون. وتُعد المورفولوجيا المجهرية للطبقة أوضح مؤشر على كثافتها. لذلك، من الضروري دراسة تأثير درجات حرارة الترسيب المختلفة على المورفولوجيا المجهرية لطبقة كربيد السيليكون بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار. بما أن مادة MTS قادرة على تحليل وترسيب طبقة SiC عند درجات حرارة تتراوح بين 900 و1600 درجة مئوية، فقد تم اختيار خمس درجات حرارة للترسيب (900، 1000، 1100، 1200، و1300 درجة مئوية) لتحضير طبقة SiC ودراسة تأثير درجة الحرارة على طبقة CVD-SiC. تُبين الجدول 3 المعايير المحددة. ويُظهر الشكل 2 المورفولوجيا المجهرية لطبقة CVD-SiC المُرسبة عند درجات حرارة الترسيب المختلفة.

عند درجة حرارة ترسيب تبلغ 900 درجة مئوية، تنمو جميع جزيئات كربيد السيليكون (SiC) على شكل ألياف. يبلغ قطر الليف الواحد حوالي 3.5 ميكرومتر، ونسبة أبعاده حوالي 3 (أقل من 10). يتكون هذا الليف من عدد لا يحصى من جزيئات نانوية من كربيد السيليكون، مما يجعله ينتمي إلى بنية كربيد السيليكون متعددة البلورات، والتي تختلف عن أسلاك كربيد السيليكون النانوية التقليدية وشعيرات كربيد السيليكون أحادية البلورة. يُعدّ هذا الليف عيبًا بنيويًا ناتجًا عن معايير عملية غير مناسبة. يتضح أن بنية طبقة كربيد السيليكون هذه فضفاضة نسبيًا، مع وجود عدد كبير من المسامات بين ألياف كربيد السيليكون، وكثافة منخفضة جدًا. لذلك، لا تُناسب هذه الدرجة من الحرارة تحضير طبقات كربيد السيليكون الكثيفة. عادةً ما تنتج عيوب بنية كربيد السيليكون الليفي عن انخفاض درجة حرارة الترسيب. عند درجات الحرارة المنخفضة، تتميز الجزيئات الصغيرة الممتصة على سطح الركيزة بطاقة منخفضة وقدرة ضعيفة على الهجرة. لذلك، تميل الجزيئات الصغيرة إلى الهجرة والنمو نحو أدنى طاقة سطحية حرة لحبيبات كربيد السيليكون (مثل طرف الحبيبة). ويؤدي النمو الاتجاهي المستمر في النهاية إلى تكوين عيوب هيكلية ليفية في كربيد السيليكون.

تحضير طلاء كربيد السيليكون بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار:

أولًا، تُوضع ركيزة الجرافيت في فرن تفريغ عالي الحرارة وتُحفظ عند 1500 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة في جو من غاز الأرجون لإزالة الرماد. ثم تُقطع كتلة الجرافيت إلى مكعب بأبعاد 15×15×5 مم، ويُصقل سطحها بورق صنفرة ذي حبيبات 1200 لإزالة المسام السطحية التي تؤثر على ترسيب كربيد السيليكون. يُغسل مكعب الجرافيت المُعالج بالإيثانول اللامائي والماء المقطر، ثم يُوضع في فرن عند 100 درجة مئوية للتجفيف. أخيرًا، تُوضع ركيزة الجرافيت في منطقة درجة الحرارة الرئيسية للفرن الأنبوبي لترسيب كربيد السيليكون. يوضح الشكل 1 المخطط التوضيحي لنظام الترسيب الكيميائي للبخار.

الطلاء كربيد السيليكون المترسب كيميائياً من البخارتمت معاينة المادة باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح لتحليل حجم الجسيمات وكثافتها. بالإضافة إلى ذلك، تم حساب معدل ترسيب طبقة كربيد السيليكون وفقًا للصيغة التالية: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=معدل الترسيب؛ m2–كتلة عينة الطلاء (ملغ)؛ m1–كتلة الركيزة (ملغ)؛ S- مساحة سطح الركيزة (مم2)؛ t- زمن الترسيب (ساعة).   تُعدّ عملية ترسيب السيليكون كاربيد (CVD-SiC) معقدة نسبيًا، ويمكن تلخيصها كما يلي: عند درجة حرارة عالية، يخضع مركب MTS للتحلل الحراري لتكوين جزيئات صغيرة مصدرة للكربون وأخرى مصدرة للسيليكون. تشمل جزيئات الكربون الصغيرة بشكل رئيسي CH3 وC2H2 وC2H4، بينما تشمل جزيئات السيليكون الصغيرة بشكل رئيسي SiCl2 وSiCl3، وما إلى ذلك. تُنقل هذه الجزيئات الصغيرة إلى سطح ركيزة الجرافيت بواسطة الغاز الحامل والغاز المخفف، ثم تُمتص على سطح الركيزة. بعد ذلك، تحدث تفاعلات كيميائية بين هذه الجزيئات الصغيرة لتكوين قطرات صغيرة تنمو تدريجيًا، وتندمج هذه القطرات أيضًا، ويصاحب التفاعل تكوين نواتج ثانوية وسيطة (غاز HCl). عند ارتفاع درجة الحرارة إلى 1000 درجة مئوية، تتحسن كثافة طبقة كربيد السيليكون (SiC) بشكل ملحوظ. يُلاحظ أن معظم الطبقة يتكون من حبيبات SiC (بحجم 4 ميكرومتر تقريبًا)، ولكن توجد أيضًا بعض عيوب SiC الليفية، مما يدل على استمرار نمو SiC الموجه عند هذه الدرجة، وأن الطبقة لا تزال غير كثيفة بما يكفي. عند ارتفاع درجة الحرارة إلى 1100 درجة مئوية، تصبح طبقة SiC كثيفة للغاية، وتختفي عيوب SiC الليفية تمامًا. تتكون الطبقة من جزيئات SiC على شكل قطرات بقطر يتراوح بين 5 و10 ميكرومتر، وهي متماسكة بإحكام. سطح الجزيئات خشن للغاية، ويتكون من عدد لا يحصى من حبيبات SiC النانوية. في الواقع، أصبحت عملية نمو SiC بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) عند 1100 درجة مئوية خاضعة لسيطرة انتقال الكتلة. تمتلك الجزيئات الصغيرة الممتصة على سطح الركيزة طاقة ووقتًا كافيين للتنوي والنمو إلى حبيبات SiC. تتشكل حبيبات كربيد السيليكون بشكل منتظم على هيئة قطرات كبيرة. وبفعل طاقة السطح، تبدو معظم القطرات كروية الشكل، وتتحد القطرات بإحكام لتشكل طبقة كثيفة من كربيد السيليكون. عند ارتفاع درجة الحرارة إلى 1200 درجة مئوية، يصبح طلاء كربيد السيليكون كثيفًا، لكن شكله يصبح متعدد الحواف، ويبدو سطح الطلاء أكثر خشونة. وعند ارتفاع درجة الحرارة إلى 1300 درجة مئوية، يُلاحظ وجود عدد كبير من الجسيمات الكروية المنتظمة بقطر حوالي 3 ميكرومتر على سطح ركيزة الجرافيت. ويعود ذلك إلى أن كربيد السيليكون يتحول عند هذه الدرجة إلى طور غازي، ويكون معدل تحلل MTS سريعًا جدًا. تتفاعل الجزيئات الصغيرة وتتشكل لتكوين حبيبات كربيد السيليكون قبل امتصاصها على سطح الركيزة. بعد أن تُشكّل الحبيبات جسيمات كروية، تتساقط، مما يؤدي في النهاية إلى طلاء جسيمات كربيد السيليكون غير متماسك وقليل الكثافة. من الواضح أن 1300 درجة مئوية لا تصلح كدرجة حرارة لتكوين طلاء كربيد السيليكون الكثيف. تُظهر المقارنة الشاملة أن درجة حرارة الترسيب الكيميائي للبخار المثلى لتحضير طلاء كربيد السيليكون الكثيف هي 1100 درجة مئوية.

يوضح الشكل 3 معدل ترسيب طبقات كربيد السيليكون (SiC) بتقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) عند درجات حرارة ترسيب مختلفة. مع ارتفاع درجة حرارة الترسيب، يتناقص معدل ترسيب طبقة كربيد السيليكون تدريجيًا. يبلغ معدل الترسيب عند 900 درجة مئوية 0.352 ملغم/ساعة/مم²، ويؤدي النمو الاتجاهي للألياف إلى أعلى معدل ترسيب. ويبلغ معدل ترسيب الطبقة ذات الكثافة الأعلى 0.179 ملغم/ساعة/مم². أما عند 1300 درجة مئوية، فيكون معدل الترسيب هو الأدنى، حيث يبلغ 0.027 ملغم/ساعة/مم² فقط، وذلك بسبب ترسيب بعض جزيئات كربيد السيليكون.   الخلاصة: درجة الحرارة المثلى للترسيب الكيميائي للبخار هي 1100 درجة مئوية. تعمل درجات الحرارة المنخفضة على تعزيز النمو الموجه لكربيد السيليكون، بينما تؤدي درجات الحرارة المرتفعة إلى ترسيب كربيد السيليكون على شكل بخار، مما ينتج عنه طبقة رقيقة. مع زيادة درجة حرارة الترسيب، يزداد معدل الترسيب.طلاء كربيد السيليكون المترسب كيميائياً من البخاريتناقص تدريجياً.