Effaith Tymheredd Gwahanol ar Dwf Gorchudd SiC CVD

Beth yw Gorchudd SiC CVD?

Mae dyddodiad anwedd cemegol (CVD) yn broses dyddodiad gwactod a ddefnyddir i gynhyrchu deunyddiau solet purdeb uchel. Defnyddir y broses hon yn aml ym maes gweithgynhyrchu lled-ddargludyddion i ffurfio ffilmiau tenau ar wyneb wafferi. Yn y broses o baratoi silicon carbid gan CVD, mae'r swbstrad yn agored i un neu fwy o ragflaenwyr anweddol, sy'n adweithio'n gemegol ar wyneb y swbstrad i ddyddodi'r dyddodion silicon carbid a ddymunir. Ymhlith y nifer o ddulliau ar gyfer paratoi deunyddiau silicon carbid, mae gan y cynhyrchion a baratoir gan ddyddodiad anwedd cemegol unffurfiaeth a phurdeb uwch, ac mae gan y dull hwn reolaeth broses gref. Mae gan ddeunyddiau carbid silicon CVD gyfuniad unigryw o briodweddau thermol, trydanol a chemegol rhagorol, gan eu gwneud yn addas iawn i'w defnyddio yn y diwydiant lled-ddargludyddion lle mae angen deunyddiau perfformiad uchel. Defnyddir cydrannau carbid silicon CVD yn helaeth mewn offer ysgythru, offer MOCVD, offer epitacsial Si ac offer epitacsial SiC, offer prosesu thermol cyflym a meysydd eraill.

Mae'r erthygl hon yn canolbwyntio ar ddadansoddi ansawdd ffilmiau tenau a dyfir ar dymheredd proses gwahanol yn ystod y broses baratoiGorchudd SiC CVD, er mwyn dewis y tymheredd proses mwyaf priodol. Mae'r arbrawf yn defnyddio graffit fel y swbstrad a thrichloromethylsilane (MTS) fel nwy ffynhonnell yr adwaith. Mae'r haen SiC yn cael ei dyddodi trwy broses CVD pwysedd isel, a micromorffoleg yGorchudd SiC CVDyn cael ei arsylwi trwy ficrosgopeg electron sganio i ddadansoddi ei ddwysedd strwythurol.

Gan fod tymheredd wyneb y swbstrad graffit yn uchel iawn, bydd y nwy canolradd yn cael ei ddadsorbio a'i ryddhau o wyneb y swbstrad, ac yn olaf bydd y C a'r Si sy'n weddill ar wyneb y swbstrad yn ffurfio SiC cyfnod solet i ffurfio cotio SiC. Yn ôl y broses dyfu CVD-SiC uchod, gellir gweld y bydd tymheredd yn effeithio ar drylediad nwy, dadelfennu MTS, ffurfio diferion a dadsorbio a rhyddhau nwy canolradd, felly bydd tymheredd y dyddodiad yn chwarae rhan allweddol ym morffoleg cotio SiC. Morffoleg microsgopig y cotio yw'r amlygiad mwyaf greddfol o ddwysedd y cotio. Felly, mae angen astudio effaith gwahanol dymheredd dyddodiad ar forffoleg microsgopig cotio SiC CVD. Gan y gall MTS ddadelfennu a dyddodi cotio SiC rhwng 900 ~ 1600 ℃, mae'r arbrawf hwn yn dewis pum tymheredd dyddodiad o 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃ a 1300 ℃ ar gyfer paratoi cotio SiC i astudio effaith tymheredd ar orchudd CVD-SiC. Dangosir y paramedrau penodol yn Nhabl 3. Mae Ffigur 2 yn dangos morffoleg microsgopig cotio CVD-SiC a dyfir ar dymheredd dyddodiad gwahanol.

Pan fydd tymheredd y dyddodiad yn 900℃, mae'r holl SiC yn tyfu i siapiau ffibr. Gellir gweld bod diamedr un ffibr tua 3.5μm, a'i gymhareb agwedd tua 3 (<10). Ar ben hynny, mae'n cynnwys nifer dirifedi o ronynnau nano-SiC, felly mae'n perthyn i strwythur SiC polygrisialog, sy'n wahanol i'r nanowifrau SiC traddodiadol a'r mwstas SiC un grisial. Mae'r SiC ffibrog hwn yn ddiffyg strwythurol a achosir gan baramedrau proses afresymol. Gellir gweld bod strwythur yr haen SiC hon yn gymharol rhydd, ac mae nifer fawr o mandyllau rhwng y SiC ffibrog, ac mae'r dwysedd yn isel iawn. Felly, nid yw'r tymheredd hwn yn addas ar gyfer paratoi haenau SiC trwchus. Fel arfer, mae diffygion strwythurol SiC ffibrog yn cael eu hachosi gan dymheredd dyddodiad rhy isel. Ar dymheredd isel, mae gan y moleciwlau bach sy'n cael eu hamsugno ar wyneb y swbstrad egni isel a gallu mudo gwael. Felly, mae moleciwlau bach yn tueddu i fudo a thyfu i'r egni rhydd arwyneb isaf o ronynnau SiC (megis blaen y grawn). Yn y pen draw, mae twf cyfeiriadol parhaus yn ffurfio diffygion strwythurol SiC ffibrog.

Paratoi Gorchudd SiC CVD:

Yn gyntaf, rhoddir y swbstrad graffit mewn ffwrnais gwactod tymheredd uchel a'i gadw ar 1500℃ am 1 awr mewn awyrgylch Ar i gael gwared â lludw. Yna, torrir y bloc graffit yn floc o 15x15x5mm, ac mae wyneb y bloc graffit yn cael ei sgleinio â phapur tywod 1200-rhwyllog i gael gwared ar y mandyllau wyneb sy'n effeithio ar ddyddodiad SiC. Golchir y bloc graffit wedi'i drin ag ethanol anhydrus a dŵr distyll, ac yna ei roi mewn popty ar 100℃ i sychu. Yn olaf, rhoddir y swbstrad graffit yn y prif barth tymheredd o'r ffwrnais tiwbaidd ar gyfer dyddodiad SiC. Dangosir y diagram sgematig o'r system dyddodiad anwedd cemegol yn Ffigur 1.

YGorchudd SiC CVDfe'i harsylwyd drwy ficrosgopeg electron sganio i ddadansoddi maint a dwysedd ei ronynnau. Yn ogystal, cyfrifwyd cyfradd dyddodiad yr haen SiC yn ôl y fformiwla isod: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = Cyfradd dyddodiad; m2–màs y sampl cotio (mg); m1–màs y swbstrad (mg); Arwynebedd S y swbstrad (mm2); t-yr amser dyddodiad (h).   Mae CVD-SiC yn gymharol gymhleth, a gellir crynhoi'r broses fel a ganlyn: ar dymheredd uchel, bydd MTS yn cael ei ddadelfennu'n thermol i ffurfio moleciwlau bach ffynhonnell carbon a ffynhonnell silicon. Mae'r moleciwlau bach ffynhonnell carbon yn cynnwys CH3, C2H2 a C2H4 yn bennaf, ac mae'r moleciwlau bach ffynhonnell silicon yn cynnwys SiCI2, SiCI3, ac ati yn bennaf; yna bydd y moleciwlau bach ffynhonnell carbon a ffynhonnell silicon hyn yn cael eu cludo i wyneb y swbstrad graffit gan y nwy cludwr a'r nwy teneuach, ac yna bydd y moleciwlau bach hyn yn cael eu hamsugno ar wyneb y swbstrad ar ffurf amsugno, ac yna bydd adweithiau cemegol yn digwydd rhwng y moleciwlau bach i ffurfio diferion bach sy'n tyfu'n raddol, a bydd y diferion hefyd yn uno, a bydd yr adwaith yn cyd-fynd â ffurfio sgil-gynhyrchion canolradd (nwy HCl); Pan fydd y tymheredd yn codi i 1000 ℃, mae dwysedd yr haen SiC yn gwella'n fawr. Gellir gweld bod y rhan fwyaf o'r haen wedi'i gwneud o ronynnau SiC (tua 4μm o ran maint), ond mae rhai diffygion SiC ffibrog hefyd i'w cael, sy'n dangos bod twf cyfeiriadol SiC o hyd ar y tymheredd hwn, ac nad yw'r haen yn ddigon trwchus o hyd. Pan fydd y tymheredd yn codi i 1100 ℃, gellir gweld bod yr haen SiC yn drwchus iawn, ac mae'r diffygion SiC ffibrog wedi diflannu'n llwyr. Mae'r haen wedi'i gwneud o ronynnau SiC siâp diferion gyda diamedr o tua 5 ~ 10μm, sydd wedi'u cyfuno'n dynn. Mae wyneb y gronynnau'n arw iawn. Mae'n cynnwys nifer dirifedi o ronynnau SiC nano-raddfa. Mewn gwirionedd, mae'r broses twf CVD-SiC ar 1100 ℃ wedi dod yn broses reoli trosglwyddo màs. Mae gan y moleciwlau bach sy'n cael eu hamsugno ar wyneb y swbstrad ddigon o egni ac amser i niwcleo a thyfu i mewn i ronynnau SiC. Mae'r ronynnau SiC yn ffurfio diferion mawr yn unffurf. O dan weithred ynni arwyneb, mae'r rhan fwyaf o'r diferion yn ymddangos yn sfferig, ac mae'r diferion wedi'u cyfuno'n dynn i ffurfio haen SiC drwchus. Pan fydd y tymheredd yn codi i 1200℃, mae'r haen SiC hefyd yn drwchus, ond mae morffoleg y SiC yn dod yn aml-grib ac mae wyneb y haen yn ymddangos yn fwy garw. Pan fydd y tymheredd yn codi i 1300℃, ceir nifer fawr o ronynnau sfferig rheolaidd gyda diamedr o tua 3μm ar wyneb y swbstrad graffit. Mae hyn oherwydd ar y tymheredd hwn, mae SiC wedi'i drawsnewid yn niwcleiad cyfnod nwy, ac mae'r gyfradd dadelfennu MTS yn gyflym iawn. Mae moleciwlau bach wedi adweithio a niwcleiadu i ffurfio gronynnau SiC cyn iddynt gael eu hamsugno ar wyneb y swbstrad. Ar ôl i'r gronynnau ffurfio gronynnau sfferig, byddant yn cwympo islaw, gan arwain yn y pen draw at haen gronynnau SiC rhydd gyda dwysedd gwael. Yn amlwg, ni ellir defnyddio 1300℃ fel tymheredd ffurfio haen SiC dwys. Mae cymhariaeth gynhwysfawr yn dangos, os yw haen SiC dwys i'w pharatoi, mai'r tymheredd dyddodiad CVD gorau posibl yw 1100℃.

Mae Ffigur 3 yn dangos cyfradd dyddodiad haenau SiC CVD ar dymheredd dyddodiad gwahanol. Wrth i'r tymheredd dyddodiad gynyddu, mae cyfradd dyddodiad yr haen SiC yn gostwng yn raddol. Y gyfradd dyddodiad ar 900°C yw 0.352 mg·h-1/mm2, ac mae twf cyfeiriadol y ffibrau yn arwain at y gyfradd dyddodiad gyflymaf. Cyfradd dyddodiad yr haen gyda'r dwysedd uchaf yw 0.179 mg·h-1/mm2. Oherwydd dyddodiad rhai gronynnau SiC, y gyfradd dyddodiad ar 1300°C yw'r isaf, dim ond 0.027 mg·h-1/mm2.   Casgliad: Y tymheredd dyddodiad CVD gorau yw 1100℃. Mae tymheredd isel yn hyrwyddo twf cyfeiriadol SiC, tra bod tymheredd uchel yn achosi i SiC gynhyrchu dyddodiad anwedd ac arwain at orchudd gwasgaredig. Gyda chynnydd tymheredd y dyddodiad, mae cyfradd dyddodiadGorchudd SiC CVDyn lleihau'n raddol.