CVD SiC আবরণের বৃদ্ধিতে বিভিন্ন তাপমাত্রার প্রভাব

CVD SiC কোটিং বলতে কী বোঝায়?

কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন (CVD) হলো একটি ভ্যাকুয়াম ডিপোজিশন প্রক্রিয়া যা উচ্চ-বিশুদ্ধ কঠিন পদার্থ উৎপাদন করতে ব্যবহৃত হয়। এই প্রক্রিয়াটি প্রায়শই সেমিকন্ডাক্টর উৎপাদন ক্ষেত্রে ওয়েফারের পৃষ্ঠে পাতলা ফিল্ম তৈরি করতে ব্যবহৃত হয়। CVD পদ্ধতিতে সিলিকন কার্বাইড প্রস্তুত করার প্রক্রিয়ায়, সাবস্ট্রেটকে এক বা একাধিক উদ্বায়ী প্রিকার্সরের সংস্পর্শে আনা হয়, যা সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে রাসায়নিকভাবে বিক্রিয়া করে কাঙ্ক্ষিত সিলিকন কার্বাইডের স্তর জমা করে। সিলিকন কার্বাইড পদার্থ প্রস্তুত করার অনেক পদ্ধতির মধ্যে, কেমিক্যাল ভেপার ডিপোজিশন পদ্ধতিতে প্রস্তুতকৃত পণ্যগুলির সমরূপতা ও বিশুদ্ধতা বেশি থাকে এবং এই পদ্ধতির প্রক্রিয়া নিয়ন্ত্রণযোগ্যতাও শক্তিশালী। CVD সিলিকন কার্বাইড উপাদানগুলিতে চমৎকার তাপীয়, বৈদ্যুতিক এবং রাসায়নিক বৈশিষ্ট্যের এক অনন্য সমন্বয় রয়েছে, যা এগুলিকে সেমিকন্ডাক্টর শিল্পে ব্যবহারের জন্য অত্যন্ত উপযুক্ত করে তোলে, যেখানে উচ্চ-কার্যক্ষমতাসম্পন্ন উপাদানের প্রয়োজন হয়। CVD সিলিকন কার্বাইড উপাদানগুলি এচিং সরঞ্জাম, MOCVD সরঞ্জাম, Si এপিটেক্সিয়াল সরঞ্জাম এবং SiC এপিটেক্সিয়াল সরঞ্জাম, র‍্যাপিড থার্মাল প্রসেসিং সরঞ্জাম এবং অন্যান্য ক্ষেত্রে ব্যাপকভাবে ব্যবহৃত হয়।

এই নিবন্ধটি প্রস্তুতির সময় বিভিন্ন প্রক্রিয়াকরণ তাপমাত্রায় তৈরি পাতলা ফিল্মের গুণমান বিশ্লেষণের উপর আলোকপাত করে।CVD SiC আবরণযাতে সবচেয়ে উপযুক্ত প্রক্রিয়াকরণ তাপমাত্রা নির্বাচন করা যায়। এই পরীক্ষায় সাবস্ট্রেট হিসেবে গ্রাফাইট এবং বিক্রিয়ার উৎস গ্যাস হিসেবে ট্রাইক্লোরোমিথাইলসিলেন (MTS) ব্যবহার করা হয়। নিম্নচাপের CVD প্রক্রিয়ার মাধ্যমে SiC কোটিং জমা করা হয়, এবং এর মাইক্রোমর্ফোলজি...CVD SiC আবরণএর গাঠনিক ঘনত্ব বিশ্লেষণ করার জন্য স্ক্যানিং ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপের মাধ্যমে পর্যবেক্ষণ করা হয়।

যেহেতু গ্রাফাইট সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠের তাপমাত্রা খুব বেশি, তাই মধ্যবর্তী গ্যাস সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠ থেকে অপশোষিত ও নির্গত হবে এবং অবশেষে সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে অবশিষ্ট থাকা C এবং Si মিলে কঠিন দশার SiC গঠন করে SiC কোটিং তৈরি করবে। উপরোক্ত CVD-SiC বৃদ্ধি প্রক্রিয়া অনুসারে, দেখা যায় যে তাপমাত্রা গ্যাসের ব্যাপন, MTS-এর বিয়োজন, ফোঁটা গঠন এবং মধ্যবর্তী গ্যাসের অপশোষণ ও নির্গমনকে প্রভাবিত করে, তাই SiC কোটিং-এর গঠনবিন্যাসে জমাট বাঁধার তাপমাত্রা একটি গুরুত্বপূর্ণ ভূমিকা পালন করে। কোটিং-এর আণুবীক্ষণিক গঠনবিন্যাস হলো কোটিং-এর ঘনত্বের সবচেয়ে সুস্পষ্ট প্রকাশ। অতএব, CVD SiC কোটিং-এর আণুবীক্ষণিক গঠনবিন্যাসের উপর বিভিন্ন জমাট বাঁধার তাপমাত্রার প্রভাব অধ্যয়ন করা প্রয়োজন। যেহেতু MTS ৯০০~১৬০০℃ তাপমাত্রার মধ্যে বিয়োজিত হয়ে SiC কোটিং জমা করতে পারে, তাই CVD-SiC কোটিং-এর উপর তাপমাত্রার প্রভাব অধ্যয়নের জন্য এই পরীক্ষায় SiC কোটিং তৈরির উদ্দেশ্যে ৯০০℃, ১০০০℃, ১১০০℃, ১২০০℃ এবং ১৩০০℃—এই পাঁচটি জমা করার তাপমাত্রা নির্বাচন করা হয়েছে। নির্দিষ্ট প্যারামিটারগুলো সারণি ৩-এ দেখানো হয়েছে। চিত্র ২-এ বিভিন্ন জমা করার তাপমাত্রায় গঠিত CVD-SiC কোটিং-এর আণুবীক্ষণিক গঠন দেখানো হয়েছে।

যখন ডিপোজিশন তাপমাত্রা ৯০০℃ হয়, তখন সমস্ত SiC তন্তুর আকার ধারণ করে। দেখা যায় যে, একটি একক তন্তুর ব্যাস প্রায় ৩.৫μm এবং এর অ্যাসপেক্ট রেশিও প্রায় ৩ (<১০)। অধিকন্তু, এটি অগণিত ন্যানো-SiC কণা দ্বারা গঠিত, তাই এটি একটি পলিক্রিস্টালাইন SiC কাঠামোর অন্তর্গত, যা প্রচলিত SiC ন্যানোওয়্যার এবং একক-স্ফটিক SiC হুইস্কার থেকে ভিন্ন। এই তন্তুময় SiC হলো অযৌক্তিক প্রসেস প্যারামিটারের কারণে সৃষ্ট একটি কাঠামোগত ত্রুটি। দেখা যায় যে, এই SiC আবরণের কাঠামো তুলনামূলকভাবে শিথিল, তন্তুময় SiC-এর মধ্যে প্রচুর ছিদ্র থাকে এবং এর ঘনত্ব খুব কম। অতএব, এই তাপমাত্রা ঘন SiC আবরণ তৈরির জন্য উপযুক্ত নয়। সাধারণত, তন্তুময় SiC কাঠামোগত ত্রুটিগুলো খুব কম ডিপোজিশন তাপমাত্রার কারণে ঘটে থাকে। কম তাপমাত্রায়, সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে শোষিত ছোট অণুগুলোর শক্তি কম থাকে এবং তাদের স্থানান্তরের ক্ষমতা দুর্বল হয়। তাই, ছোট অণুগুলো SiC কণার সর্বনিম্ন পৃষ্ঠ মুক্ত শক্তির স্থানে (যেমন কণার অগ্রভাগে) স্থানান্তরিত হয়ে বৃদ্ধি পেতে থাকে। এই অবিচ্ছিন্ন দিকনির্দেশক বৃদ্ধির ফলে অবশেষে তন্তুময় SiC গাঠনিক ত্রুটি তৈরি হয়।

CVD SiC কোটিং প্রস্তুতি:

প্রথমে, গ্রাফাইট সাবস্ট্রেটটিকে একটি উচ্চ-তাপমাত্রার ভ্যাকুয়াম ফার্নেসে রাখা হয় এবং ছাই অপসারণের জন্য আর্গন (Ar) পরিবেশে ১৫০০℃ তাপমাত্রায় ১ ঘণ্টা ধরে রাখা হয়। তারপর গ্রাফাইট ব্লকটিকে কেটে ১৫x১৫x৫ মিমি আকারের একটি ব্লকে পরিণত করা হয় এবং SiC-এর অধঃক্ষেপণে বাধা সৃষ্টিকারী পৃষ্ঠের ছিদ্রগুলো দূর করার জন্য ব্লকটির পৃষ্ঠতল ১২০০-মেশ স্যান্ডপেপার দিয়ে পালিশ করা হয়। প্রক্রিয়াজাত গ্রাফাইট ব্লকটিকে অ্যানহাইড্রাস ইথানল এবং পাতিত জল দিয়ে ধুয়ে, তারপর শুকানোর জন্য ১০০℃ তাপমাত্রার একটি ওভেনে রাখা হয়। সবশেষে, SiC অধঃক্ষেপণের জন্য গ্রাফাইট সাবস্ট্রেটটিকে টিউবুলার ফার্নেসের প্রধান তাপমাত্রা অঞ্চলে স্থাপন করা হয়। রাসায়নিক বাষ্প অধঃক্ষেপণ সিস্টেমের নকশা চিত্র ১-এ দেখানো হয়েছে।

দ্যCVD SiC আবরণএর কণার আকার ও ঘনত্ব বিশ্লেষণ করার জন্য স্ক্যানিং ইলেকট্রন মাইক্রোস্কোপের মাধ্যমে পর্যবেক্ষণ করা হয়েছিল। এছাড়াও, নিচের সূত্র অনুযায়ী SiC আবরণের জমা হওয়ার হার গণনা করা হয়েছিল: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = অবক্ষেপণের হার; m2–লেপন নমুনার ভর (mg); m1–সাবস্ট্রেটের ভর (মিলিগ্রাম); S-সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠতলের ক্ষেত্রফল (মিমি²); t-অবক্ষেপণের সময় (ঘণ্টা)।   CVD-SiC তুলনামূলকভাবে জটিল, এবং প্রক্রিয়াটিকে নিম্নরূপে সংক্ষিপ্ত করা যায়: উচ্চ তাপমাত্রায়, MTS তাপীয় বিয়োজনের মাধ্যমে কার্বন উৎস এবং সিলিকন উৎসের ক্ষুদ্র অণু গঠন করে। কার্বন উৎসের ক্ষুদ্র অণুগুলোর মধ্যে প্রধানত CH3, C2H2 এবং C2H4 অন্তর্ভুক্ত, এবং সিলিকন উৎসের ক্ষুদ্র অণুগুলোর মধ্যে প্রধানত SiCI2, SiCI3, ইত্যাদি অন্তর্ভুক্ত; এরপর এই কার্বন উৎস এবং সিলিকন উৎসের ক্ষুদ্র অণুগুলো বাহক গ্যাস এবং তরলীকৃত গ্যাসের মাধ্যমে গ্রাফাইট সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে পরিবাহিত হয়, এবং তারপর এই ক্ষুদ্র অণুগুলো অধিশোষণের আকারে সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে অধিশোষিত হয়, এবং তারপর ক্ষুদ্র অণুগুলোর মধ্যে রাসায়নিক বিক্রিয়ার ফলে ছোট ছোট ফোঁটা তৈরি হয় যা ধীরে ধীরে বড় হতে থাকে, এবং ফোঁটাগুলো একীভূতও হয়, এবং এই বিক্রিয়ার সাথে সাথে অন্তর্বর্তী উপজাত (HCl গ্যাস) তৈরি হয়; যখন তাপমাত্রা ১০০০ ℃-তে পৌঁছায়, তখন SiC আবরণের ঘনত্ব ব্যাপকভাবে উন্নত হয়। দেখা যায় যে, আবরণের বেশিরভাগই SiC দানা (আকারে প্রায় ৪μm) দ্বারা গঠিত, তবে কিছু তন্তুময় SiC ত্রুটিও পাওয়া যায়, যা থেকে বোঝা যায় যে এই তাপমাত্রায় SiC-এর দিকনির্দেশক বৃদ্ধি এখনও ঘটছে এবং আবরণটি এখনও যথেষ্ট ঘন নয়। যখন তাপমাত্রা ১১০০ ℃-তে পৌঁছায়, তখন দেখা যায় যে SiC আবরণটি খুব ঘন হয়ে গেছে এবং তন্তুময় SiC ত্রুটিগুলো সম্পূর্ণরূপে অদৃশ্য হয়ে গেছে। আবরণটি প্রায় ৫~১০μm ব্যাসের ফোঁটার মতো SiC কণা দ্বারা গঠিত, যা একে অপরের সাথে দৃঢ়ভাবে সংযুক্ত। কণাগুলোর পৃষ্ঠ খুব অমসৃণ। এটি অগণিত ন্যানো-স্কেল SiC দানা দ্বারা গঠিত। প্রকৃতপক্ষে, ১১০০ ℃ তাপমাত্রায় CVD-SiC বৃদ্ধির প্রক্রিয়াটি ভর স্থানান্তর দ্বারা নিয়ন্ত্রিত হয়ে যায়। সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে শোষিত ক্ষুদ্র অণুগুলো SiC দানায় পরিণত হওয়ার জন্য পর্যাপ্ত শক্তি এবং সময় পায়। SiC কণাগুলো সুষমভাবে বড় ফোঁটা গঠন করে। পৃষ্ঠশক্তির প্রভাবে বেশিরভাগ ফোঁটা গোলাকার রূপ ধারণ করে এবং ফোঁটাগুলো দৃঢ়ভাবে একত্রিত হয়ে একটি ঘন SiC প্রলেপ তৈরি করে। যখন তাপমাত্রা ১২০০℃-তে পৌঁছায়, তখনও SiC কোটিংটি ঘন হয়, কিন্তু SiC-এর গঠন বহু-খাঁজযুক্ত হয়ে যায় এবং কোটিং-এর পৃষ্ঠভাগ আরও অমসৃণ দেখায়। যখন তাপমাত্রা ১৩০০℃-তে বৃদ্ধি পায়, তখন গ্রাফাইট সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে প্রায় ৩μm ব্যাসের প্রচুর সংখ্যক নিয়মিত গোলাকার কণা পাওয়া যায়। এর কারণ হলো, এই তাপমাত্রায় SiC গ্যাসীয় দশার নিউক্লিয়েশনে রূপান্তরিত হয় এবং MTS-এর বিয়োজন হার খুব দ্রুত হয়। সাবস্ট্রেটের পৃষ্ঠে শোষিত হওয়ার আগেই ক্ষুদ্র অণুগুলো বিক্রিয়া করে এবং নিউক্লিয়েশনের মাধ্যমে SiC দানা গঠন করে। দানাগুলো গোলাকার কণায় পরিণত হওয়ার পর, সেগুলো নিচে ঝরে পড়ে, যার ফলে অবশেষে কম ঘনত্বের একটি আলগা SiC কণার কোটিং তৈরি হয়। স্পষ্টতই, ঘন SiC কোটিং তৈরির তাপমাত্রা হিসেবে ১৩০০℃ ব্যবহার করা যায় না। সামগ্রিক তুলনা থেকে দেখা যায় যে, যদি ঘন SiC কোটিং প্রস্তুত করতে হয়, তবে সর্বোত্তম CVD ডিপোজিশন তাপমাত্রা হলো ১১০০℃।

চিত্র ৩-এ বিভিন্ন জমাট বাঁধার তাপমাত্রায় সিভিডি এসআইসি (SiC) আবরণের জমাট বাঁধার হার দেখানো হয়েছে। জমাট বাঁধার তাপমাত্রা বাড়ার সাথে সাথে এসআইসি (SiC) আবরণের জমাট বাঁধার হার ক্রমান্বয়ে হ্রাস পায়। ৯০০°C তাপমাত্রায় জমাট বাঁধার হার হলো ০.৩৫২ মিলিগ্রাম·ঘণ্টা⁻¹/মিমি², এবং তন্তুগুলোর দিকনির্দেশক বৃদ্ধির কারণে জমাট বাঁধার হার সবচেয়ে দ্রুত হয়। সর্বোচ্চ ঘনত্বযুক্ত আবরণটির জমাট বাঁধার হার হলো ০.১৭৯ মিলিগ্রাম·ঘণ্টা⁻¹/মিমি²। কিছু এসআইসি (SiC) কণার জমাট বাঁধার কারণে, ১৩০০°C তাপমাত্রায় জমাট বাঁধার হার সর্বনিম্ন, মাত্র ০.০২৭ মিলিগ্রাম·ঘণ্টা⁻¹/মিমি²।   উপসংহার: সিভিডির জন্য সর্বোত্তম জমাট বাঁধার তাপমাত্রা হলো ১১০০℃। নিম্ন তাপমাত্রা SiC-এর দিকনির্দেশিত বৃদ্ধিকে উৎসাহিত করে, অপরদিকে উচ্চ তাপমাত্রা SiC-কে বাষ্পীয় জমাট বাঁধায় এবং এর ফলে একটি বিক্ষিপ্ত প্রলেপ তৈরি হয়। জমাট বাঁধার তাপমাত্রা বৃদ্ধির সাথে সাথে, জমাট বাঁধার হার...CVD SiC আবরণধীরে ধীরে কমে যায়।