تأثير درجات الحرارة المختلفة على نمو طلاء كربيد السيليكون الترسيبي الكيميائي

ما هو طلاء CVD SiC؟

الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) هو عملية ترسيب فراغي تُستخدم لإنتاج مواد صلبة عالية النقاء. تُستخدم هذه العملية غالبًا في مجال تصنيع أشباه الموصلات لتكوين أغشية رقيقة على سطح الرقاقات. في عملية تحضير كربيد السيليكون باستخدام الترسيب الكيميائي للبخار، تُعرَّض الطبقة السفلية لواحدة أو أكثر من المواد الأولية المتطايرة، والتي تتفاعل كيميائيًا على سطح الطبقة السفلية لترسيب رواسب 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 عالية في العملية. تتميز مواد كربيد السيليكون 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 CVD على نطاق واسع في معدات الحفر، ومعدات MOCVD، ومعدات Si epitaxial، ومعدات SiC epitaxial، ومعدات المعالجة الحرارية السريعة، وغيرها من المجالات.

ترتكز هذه المقالة على تحليل جودة الأغشية الرقيقة المزروعة في درجات حرارة مختلفة أثناء تحضيرطلاء CVD SiCلاختيار درجة حرارة العملية الأنسب. تستخدم التجربة الجرافيت كركيزة، وثلاثي كلورو ميثيل سيلان (MTS) كغاز مصدر للتفاعل. يُرسَّب طلاء كربيد السيليكون (SiC) بعملية ترسيب بخاري منخفض الضغط، وتُوضَّح البنية المجهرية لـطلاء CVD SiCيتم ملاحظتها باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح لتحليل كثافتها البنيوية.

نظرًا لارتفاع درجة حرارة سطح ركيزة الجرافيت، يُمتص الغاز الوسيط ويُفرّغ من سطح الركيزة، وأخيرًا، يُشكّل الكربون والسيليكون المتبقيان على سطح الركيزة كربيد السيليكون في طوره الصلب، مُشكّلين بذلك طلاء كربيد السيليكون. ووفقًا لعملية نمو كربيد الترسيب الكيميائي للبخار السائل (CVD-SiC) المذكورة أعلاه، يتضح أن درجة الحرارة تؤثر على انتشار الغاز، وتحلل مادة MTS، وتكوين القطرات، وامتصاص الغاز الوسيط وتصريفه، لذا تلعب درجة حرارة الترسيب دورًا رئيسيًا في مورفولوجيا طلاء كربيد السيليكون. يُعدّ الشكل المجهري للطلاء المظهر الأكثر وضوحًا لكثافته. لذلك، من الضروري دراسة تأثير درجات حرارة الترسيب المختلفة على الشكل المجهري لطلاء كربيد السيليكون الترسيب الكيميائي للبخار السائل (CVD). بما أن مادة MTS قادرة على تحلل وترسيب طلاء كربيد السيليكون (SiC) بين 900 و1600 درجة مئوية، فقد اختارت هذه التجربة خمس درجات حرارة ترسيب هي 900، 1000، 1100، 1200، و1300 درجة مئوية لتحضير طلاء كربيد السيليكون لدراسة تأثير درجة الحرارة على طلاء كربيد السيليكون (CVD-SiC). وتوضح الجدول 3 المعايير المحددة. ويوضح الشكل 2 الشكل المجهري لطلاء كربيد السيليكون (CVD-SiC) المزروع عند درجات حرارة ترسيب مختلفة.

عندما تكون درجة حرارة الترسيب 900 درجة مئوية، ينمو كل SiC إلى أشكال ليفية. يمكن ملاحظة أن قطر الألياف الفردية يبلغ حوالي 3.5 ميكرومتر، ونسبة العرض إلى الارتفاع حوالي 3 (<10). علاوة على ذلك، يتكون من عدد لا يحصى من جزيئات SiC النانوية، لذلك ينتمي إلى بنية SiC متعددة البلورات، والتي تختلف عن أسلاك SiC النانوية التقليدية وشعيرات SiC أحادية البلورة. هذا SiC الليفي هو عيب هيكلي ناتج عن معلمات عملية غير معقولة. يمكن ملاحظة أن بنية طلاء SiC هذا فضفاضة نسبيًا، وهناك عدد كبير من المسام بين SiC الليفي، والكثافة منخفضة جدًا. لذلك، فإن هذه درجة الحرارة غير مناسبة لإعداد طلاءات SiC الكثيفة. عادةً ما تحدث العيوب الهيكلية في SiC الليفي بسبب درجة حرارة الترسيب المنخفضة جدًا. في درجات الحرارة المنخفضة، تكون الجزيئات الصغيرة الممتصة على سطح الركيزة منخفضة الطاقة وقدرة ضعيفة على الهجرة. لذلك، تميل الجزيئات الصغيرة إلى الهجرة والنمو إلى أدنى مستوى طاقة سطحية حرة لحبيبات كربيد السيليكون (مثل طرف الحبيبة). يؤدي النمو الاتجاهي المستمر في النهاية إلى تكوين عيوب هيكلية ليفية في كربيد السيليكون.

تحضير طلاء CVD SiC:

أولاً، تُوضع طبقة الجرافيت في فرن تفريغ عالي الحرارة، وتُحفظ عند درجة حرارة 1500 درجة مئوية لمدة ساعة في جو من الأرجون لإزالة الرماد. بعد ذلك، تُقطع كتلة الجرافيت إلى كتلة بأبعاد 15x15x5 مم، ويُصقل سطحها بورق صنفرة 1200 شبكة لإزالة المسام السطحية التي تؤثر على ترسب كربيد السيليكون. تُغسل كتلة الجرافيت المعالجة بالإيثانول اللامائي والماء المقطر، ثم توضع في فرن على درجة حرارة 100 درجة مئوية للتجفيف. وأخيراً، تُوضع طبقة الجرافيت في منطقة درجة الحرارة الرئيسية للفرن الأنبوبي لترسيب كربيد السيليكون. يوضح الشكل 1 الرسم التخطيطي لنظام الترسيب الكيميائي للبخار.

الطلاء CVD SiCتم رصده باستخدام المجهر الإلكتروني الماسح لتحليل حجم جسيماته وكثافته. بالإضافة إلى ذلك، تم حساب معدل ترسب طلاء كربيد السيليكون وفقًا للمعادلة التالية: VSiC=(م2-م1)/(Sxt)x100% VSiC=معدل الترسيب؛ م2-كتلة عينة الطلاء (مجم)؛ م1-كتلة الركيزة (مجم)؛ مساحة سطح الركيزة S (مم2)؛ t- زمن الترسيب (h).   CVD-SiC معقد نسبيًا، ويمكن تلخيص العملية على النحو التالي: عند درجة حرارة عالية، سيخضع MTS للتحلل الحراري لتكوين جزيئات صغيرة من مصدر الكربون ومصدر السيليكون. تشمل جزيئات مصدر الكربون الصغيرة بشكل أساسي CH3 وC2H2 وC2H4، وتشمل جزيئات مصدر السيليكون الصغيرة بشكل أساسي SiCI2 وSiCI3، إلخ؛ ثم سيتم نقل هذه الجزيئات الصغيرة من مصدر الكربون ومصدر السيليكون إلى سطح ركيزة الجرافيت بواسطة الغاز الناقل والغاز المخفف، ثم سيتم امتصاص هذه الجزيئات الصغيرة على سطح الركيزة في شكل امتزاز، ثم ستحدث تفاعلات كيميائية بين الجزيئات الصغيرة لتكوين قطرات صغيرة تنمو تدريجيًا، وستندمج القطرات أيضًا، وسيصاحب التفاعل تكوين نواتج ثانوية وسيطة (غاز HCl)؛ عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 1000 درجة مئوية، تتحسن كثافة طلاء SiC بشكل كبير. يمكن ملاحظة أن معظم الطلاء يتكون من حبيبات SiC (حوالي 4 ميكرومتر في الحجم)، ولكن تم العثور أيضًا على بعض عيوب SiC الليفية، مما يدل على أنه لا يزال هناك نمو اتجاهي لـ SiC عند هذه درجة الحرارة، ولا يزال الطلاء غير كثيف بدرجة كافية. عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 1100 درجة مئوية، يمكن ملاحظة أن طلاء SiC كثيف للغاية، وقد اختفت عيوب SiC الليفية تمامًا. يتكون الطلاء من جزيئات SiC على شكل قطرات يبلغ قطرها حوالي 5 ~ 10 ميكرومتر، وهي متحدة بإحكام. سطح الجسيمات خشن للغاية. وهو يتكون من عدد لا يحصى من حبيبات SiC النانوية. في الواقع، أصبحت عملية نمو CVD-SiC عند 1100 درجة مئوية متحكمًا في نقل الكتلة. تتمتع الجزيئات الصغيرة الممتصة على سطح الركيزة بطاقة ووقت كافٍ لتكوين نواة وتكوين حبيبات كربيد السيليكون. تُشكل حبيبات كربيد السيليكون قطرات كبيرة بشكل موحد. تحت تأثير طاقة السطح، تبدو معظم القطرات كروية، وتتحد القطرات بإحكام لتكوين طبقة كثيفة من كربيد السيليكون. عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 1200 درجة مئوية، يكون طلاء SiC كثيفًا أيضًا، ولكن يصبح مورفولوجيا SiC متعدد التلال ويبدو سطح الطلاء أكثر خشونة. عندما ترتفع درجة الحرارة إلى 1300 درجة مئوية، يوجد عدد كبير من الجسيمات الكروية المنتظمة التي يبلغ قطرها حوالي 3 ميكرومتر على سطح ركيزة الجرافيت. وذلك لأنه عند هذه الدرجة من الحرارة، يتحول SiC إلى نواة في الطور الغازي، ويكون معدل تحلل MTS سريعًا جدًا. تتفاعل الجزيئات الصغيرة وتتكون لتكوين حبيبات SiC قبل أن يتم امتصاصها على سطح الركيزة. بعد أن تشكل الحبيبات جزيئات كروية، فإنها ستسقط إلى ما دون ذلك، مما يؤدي في النهاية إلى طلاء جزيئات SiC فضفاض بكثافة ضعيفة. ومن الواضح أنه لا يمكن استخدام 1300 درجة مئوية كدرجة حرارة تشكيل طلاء SiC الكثيف. تُظهر المقارنة الشاملة أنه إذا كان سيتم تحضير طلاء SiC الكثيف، فإن درجة حرارة ترسيب الترسيب الكيميائي البخاري المثلى هي 1100 درجة مئوية.

يوضح الشكل 3 معدل ترسيب طلاءات كربيد السيليكون المُرَشَّحة بالبخار الكيميائي (CVD) عند درجات حرارة ترسيب مختلفة. مع ارتفاع درجة حرارة الترسيب، ينخفض ​​معدل ترسيب طلاء كربيد السيليكون تدريجيًا. يبلغ معدل الترسيب عند 900 درجة مئوية 0.352 ملغم/ساعة/مم²، ويؤدي النمو الاتجاهي للألياف إلى أسرع معدل ترسيب. يبلغ معدل ترسيب الطلاء ذي الكثافة الأعلى 0.179 ملغم/ساعة/مم². ونظرًا لترسيب بعض جزيئات كربيد السيليكون، فإن معدل الترسيب عند 1300 درجة مئوية هو الأقل، حيث يبلغ 0.027 ملغم/ساعة/مم² فقط.   الاستنتاج: أفضل درجة حرارة لترسيب الترسيب الكيميائي البخاري هي 1100 درجة مئوية. تُعزز درجة الحرارة المنخفضة النمو الاتجاهي لـ SiC، بينما تُسبب درجة الحرارة المرتفعة ترسيبًا بخاريًا لـ SiC، مما يُؤدي إلى طبقة رقيقة. مع زيادة درجة حرارة الترسيب، يزداد معدل ترسيبطلاء CVD SiCيتناقص تدريجيا.