CVD SiC örtüyü nədir?
Kimyəvi buxar çökdürmə (KQÇ) yüksək təmizlikli bərk materiallar istehsal etmək üçün istifadə olunan vakuum çökdürmə prosesidir. Bu proses tez-tez yarımkeçirici istehsal sahəsində lövhələrin səthində nazik təbəqələr əmələ gətirmək üçün istifadə olunur. KQÇ ilə silikon karbid hazırlamaq prosesində substrat bir və ya daha çox uçucu prekursora məruz qalır və bu prekursorlar substratın səthində kimyəvi reaksiyaya girərək istənilən silikon karbid çöküntülərini əmələ gətirir. Silikon karbid materiallarının hazırlanması üçün bir çox üsul arasında kimyəvi buxar çökdürmə ilə hazırlanan məhsullar daha yüksək vahidliyə və təmizliyə malikdir və bu üsul güclü proses idarəolunmasına malikdir. CVD silikon karbid materialları əla istilik, elektrik və kimyəvi xüsusiyyətlərin unikal birləşməsinə malikdir və bu da onları yüksək performanslı materialların tələb olunduğu yarımkeçirici sənayesində istifadə üçün çox əlverişli edir. CVD silikon karbid komponentləri aşındırma avadanlıqlarında, MOCVD avadanlıqlarında, Si epitaksial avadanlıqlarında və SiC epitaksial avadanlıqlarında, sürətli istilik emalı avadanlıqlarında və digər sahələrdə geniş istifadə olunur.
Bu məqalə, hazırlanması zamanı müxtəlif proses temperaturlarında yetişdirilən nazik təbəqələrin keyfiyyətinin təhlilinə yönəlmişdirCVD SiC örtüyü, ən uyğun proses temperaturunu seçmək üçün. Təcrübədə substrat kimi qrafit və reaksiya mənbəyi qazı kimi trixlormetilsilan (MTS) istifadə olunur. SiC örtüyü aşağı təzyiqli CVD prosesi ilə çökdürülür və mikromorfologiyasıCVD SiC örtüyüstruktur sıxlığını təhlil etmək üçün skanedici elektron mikroskopiyası ilə müşahidə olunur.
Qrafit substratının səth temperaturu çox yüksək olduğundan, aralıq qaz desorbsiya olunaraq substrat səthindən axıdılacaq və nəhayət, substrat səthində qalan C və Si bərk fazalı SiC əmələ gətirərək SiC örtüyü əmələ gətirəcək. Yuxarıda göstərilən CVD-SiC böyümə prosesinə əsasən, temperaturun qazın diffuziyasına, MTS-in parçalanmasına, damcıların əmələ gəlməsinə və aralıq qazın desorbsiyası və axıdılmasına təsir edəcəyi görülür, buna görə də çökmə temperaturu SiC örtüyünün morfologiyasında əsas rol oynayacaq. Örtüyün mikroskopik morfologiyası örtüyün sıxlığının ən intuitiv təzahürüdür. Buna görə də, müxtəlif çökmə temperaturlarının CVD SiC örtüyünün mikroskopik morfologiyasına təsirini öyrənmək lazımdır. MTS SiC örtüyünü 900-1600℃ arasında parçalaya və çökdürə bildiyindən, bu təcrübə temperaturun CVD-SiC örtüyünə təsirini öyrənmək üçün SiC örtüyünün hazırlanması üçün 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ və 1300℃ olmaqla beş çökmə temperaturu seçir. Xüsusi parametrlər Cədvəl 3-də göstərilmişdir. Şəkil 2 müxtəlif çökmə temperaturlarında yetişdirilən CVD-SiC örtüyünün mikroskopik morfologiyasını göstərir.
Çökmə temperaturu 900℃ olduqda, bütün SiC lif formalarına çevrilir. Tək bir lifin diametrinin təxminən 3,5μm, aspekt nisbətinin isə təxminən 3 (<10) olduğu görülür. Üstəlik, saysız-hesabsız nano-SiC hissəciklərindən ibarətdir, buna görə də ənənəvi SiC nanotellərindən və tək kristal SiC bığlarından fərqli olan polikristal SiC strukturuna aiddir. Bu lifli SiC, əsassız proses parametrlərindən qaynaqlanan struktur qüsurudur. Göründüyü kimi, bu SiC örtüyünün strukturu nisbətən boşdur və lifli SiC arasında çox sayda məsamə var və sıxlıq çox aşağıdır. Buna görə də, bu temperatur sıx SiC örtüklərinin hazırlanması üçün uyğun deyil. Adətən, lifli SiC struktur qüsurları çox aşağı çökmə temperaturundan qaynaqlanır. Aşağı temperaturda substratın səthində adsorbsiya olunmuş kiçik molekullar aşağı enerjiyə və zəif miqrasiya qabiliyyətinə malikdir. Buna görə də, kiçik molekullar SiC dənələrinin (məsələn, dənə ucu) ən aşağı səth sərbəst enerjisinə qədər miqrasiya etməyə və böyüməyə meyllidirlər. Davamlı istiqamətli böyümə nəticədə lifli SiC struktur qüsurlarını əmələ gətirir.
CVD SiC örtüyünün hazırlanması:
Əvvəlcə qrafit substratı yüksək temperaturlu vakuum sobasına yerləşdirilir və külün təmizlənməsi üçün Ar atmosferində 1 saat ərzində 1500℃ temperaturda saxlanılır. Daha sonra qrafit bloku 15x15x5 mm ölçülü blok şəklində kəsilir və SiC çöküntüsünə təsir edən səth məsamələrini aradan qaldırmaq üçün qrafit blokunun səthi 1200 mesh zımpara ilə cilalanır. İşlənmiş qrafit bloku susuz etanol və distillə edilmiş su ilə yuyulur və sonra qurudulmaq üçün 100℃ temperaturda sobaya qoyulur. Nəhayət, qrafit substratı SiC çöküntüsü üçün boruşəkilli sobanın əsas temperatur zonasına yerləşdirilir. Kimyəvi buxar çöküntü sisteminin sxematik diaqramı Şəkil 1-də göstərilmişdir.
TheCVD SiC örtüyühissəcik ölçüsünü və sıxlığını təhlil etmək üçün skanlama elektron mikroskopiyası ilə müşahidə edilmişdir. Bundan əlavə, SiC örtüyünün çökmə sürəti aşağıdakı düstura əsasən hesablanmışdır: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Çökmə sürəti; m2–örtük nümunəsinin kütləsi (mq); m1–substratın kütləsi (mq); S-substratın səth sahəsi (mm2); t-çökmə müddəti (saat). CVD-SiC nisbətən mürəkkəbdir və prosesi aşağıdakı kimi ümumiləşdirmək olar: yüksək temperaturda MTS karbon mənbəyi və silikon mənbəyi kiçik molekullar əmələ gətirmək üçün termal parçalanmaya məruz qalacaq. Karbon mənbəyi kiçik molekullarına əsasən CH3, C2H2 və C2H4, silikon mənbəyi kiçik molekullarına isə əsasən SiCI2, SiCI3 və s. daxildir; bu karbon mənbəyi və silikon mənbəyi kiçik molekulları daha sonra daşıyıcı qaz və durulaşdırıcı qaz vasitəsilə qrafit substratının səthinə daşınacaq və sonra bu kiçik molekullar substratın səthində adsorbsiya şəklində adsorbsiya olunacaq və sonra tədricən böyüyən kiçik damcılar əmələ gətirmək üçün kiçik molekullar arasında kimyəvi reaksiyalar baş verəcək və damcılar da birləşəcək və reaksiya aralıq yan məhsulların (HCl qazı) əmələ gəlməsi ilə müşayiət olunacaq; Temperatur 1000 ℃-ə yüksəldikdə, SiC örtüyünün sıxlığı xeyli artır. Göründüyü kimi, örtüyün əksəriyyəti SiC dənəciklərindən (təxminən 4μm ölçüdə) ibarətdir, lakin bəzi lifli SiC qüsurları da aşkar edilir ki, bu da bu temperaturda SiC-nin istiqamətli böyüməsinin davam etdiyini və örtükün hələ də kifayət qədər sıx olmadığını göstərir. Temperatur 1100 ℃-ə yüksəldikdə, SiC örtüyünün çox sıx olduğu və lifli SiC qüsurlarının tamamilə yoxa çıxdığı görünür. Örtük, diametri təxminən 5~10μm olan damcı şəkilli SiC hissəciklərindən ibarətdir və onlar sıx birləşir. Hissəciklərin səthi çox kobuddur. Saysız-hesabsız nano ölçülü SiC dənəciklərindən ibarətdir. Əslində, 1100 ℃-də CVD-SiC böyümə prosesi kütlə ötürülməsi ilə idarə olunur. Substratın səthində adsorbsiya olunmuş kiçik molekullar nüvələşmək və SiC dənəciklərinə çevrilmək üçün kifayət qədər enerjiyə və vaxta malikdir. SiC dənəcikləri bərabər şəkildə böyük damcılar əmələ gətirir. Səth enerjisinin təsiri altında damcıların əksəriyyəti sferik görünür və damcılar sıx bir SiC örtüyü əmələ gətirmək üçün sıx birləşir. Temperatur 1200℃-ə yüksəldikdə, SiC örtüyü də sıx olur, lakin SiC morfologiyası çoxqalın olur və örtüyün səthi daha kobud görünür. Temperatur 1300℃-ə yüksəldikdə, qrafit substratının səthində diametri təxminən 3μm olan çox sayda müntəzəm sferik hissəciklər olur. Bunun səbəbi, bu temperaturda SiC qaz fazalı nüvələşməyə çevrilməsi və MTS parçalanma sürətinin çox sürətli olmasıdır. Kiçik molekullar substrat səthində adsorbsiya olunmazdan əvvəl SiC dənəciklərini əmələ gətirmək üçün reaksiyaya girib nüvələşiblər. Dənəciklər sferik hissəciklər əmələ gətirdikdən sonra onlar aşağı düşəcək və nəticədə zəif sıxlığa malik boş SiC hissəcik örtüyü ilə nəticələnəcək. Aydındır ki, 1300℃ sıx SiC örtüyünün əmələ gəlmə temperaturu kimi istifadə edilə bilməz. Hərtərəfli müqayisə göstərir ki, sıx SiC örtüyü hazırlanacaqsa, optimal CVD çökmə temperaturu 1100℃-dir.
Şəkil 3, müxtəlif çökmə temperaturlarında CVD SiC örtüklərinin çökmə sürətini göstərir. Çökmə temperaturu artdıqca SiC örtüyünün çökmə sürəti tədricən azalır. 900°C-də çökmə sürəti 0,352 mq·saat-1/mm2-dir və liflərin istiqamətli böyüməsi ən sürətli çökmə sürətinə gətirib çıxarır. Ən yüksək sıxlığa malik örtüyün çökmə sürəti 0,179 mq·saat-1/mm2-dir. Bəzi SiC hissəciklərinin çökməsi səbəbindən 1300°C-də çökmə sürəti ən aşağı, yalnız 0,027 mq·saat-1/mm2-dir. Nəticə: Ən yaxşı CVD çökmə temperaturu 1100℃-dir. Aşağı temperatur SiC-nin istiqamətli böyüməsini təşviq edir, yüksək temperatur isə SiC-nin buxar çöküntüsünə səbəb olur və seyrək örtüklə nəticələnir. Çökmə temperaturunun artması ilə çökmə sürəti də artır.CVD SiC örtüyütədricən azalır.
Yayımlanma vaxtı: 26 may 2025