Hvad er CVD SiC-belægning?
Kemisk dampaflejring (CVD) er en vakuumaflejringsproces, der bruges til at producere faste materialer med høj renhed. Denne proces bruges ofte inden for halvlederfremstilling til at danne tynde film på overfladen af wafere. I processen med at fremstille siliciumcarbid ved CVD udsættes substratet for en eller flere flygtige forstadier, som reagerer kemisk på substratets overflade for at aflejre de ønskede siliciumcarbidaflejringer. Blandt de mange metoder til fremstilling af siliciumcarbidmaterialer har produkterne fremstillet ved kemisk dampaflejring højere ensartethed og renhed, og denne metode har stærk processtyrbarhed. CVD-siliciumcarbidmaterialer har en unik kombination af fremragende termiske, elektriske og kemiske egenskaber, hvilket gør dem meget velegnede til brug i halvlederindustrien, hvor der kræves højtydende materialer. CVD-siliciumcarbidkomponenter anvendes i vid udstrækning i ætseudstyr, MOCVD-udstyr, epitaksialt Si-udstyr og epitaksialt SiC-udstyr, udstyr til hurtig termisk behandling og andre områder.
Denne artikel fokuserer på at analysere kvaliteten af tyndfilm dyrket ved forskellige procestemperaturer under fremstillingen afCVD SiC-belægning, for at vælge den mest passende procestemperatur. Eksperimentet bruger grafit som substrat og trichlormethylsilan (MTS) som reaktionskildegas. SiC-belægningen aflejres ved lavtryks-CVD-processen, og mikromorfologien afCVD SiC-belægningobserveres ved scanningselektronmikroskopi for at analysere dens strukturelle tæthed.
Fordi overfladetemperaturen på grafitsubstratet er meget høj, vil den mellemliggende gas blive desorberet og udledt fra substratoverfladen, og til sidst vil C og Si, der er tilbage på substratoverfladen, danne fastfase SiC, der danner en SiC-belægning. I henhold til ovenstående CVD-SiC-vækstproces kan det ses, at temperaturen vil påvirke diffusionen af gas, nedbrydningen af MTS, dannelsen af dråber samt desorptionen og udledning af den mellemliggende gas, så aflejringstemperaturen vil spille en nøglerolle i SiC-belægningens morfologi. Belægningens mikroskopiske morfologi er den mest intuitive manifestation af belægningens densitet. Derfor er det nødvendigt at undersøge effekten af forskellige aflejringstemperaturer på den mikroskopiske morfologi af CVD SiC-belægning. Da MTS kan nedbryde og aflejre SiC-belægning mellem 900~1600 ℃, vælger dette eksperiment fem aflejringstemperaturer på 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃ og 1300 ℃ til fremstilling af SiC-belægning for at undersøge temperaturens effekt på CVD-SiC-belægning. De specifikke parametre er vist i tabel 3. Figur 2 viser den mikroskopiske morfologi af CVD-SiC-belægning dyrket ved forskellige aflejringstemperaturer.
Når aflejringstemperaturen er 900 ℃, vokser al SiC til fiberformer. Det kan ses, at diameteren af en enkelt fiber er omkring 3,5 μm, og dens aspektforhold er omkring 3 (<10). Desuden er den sammensat af utallige nano-SiC-partikler, så den tilhører en polykrystallinsk SiC-struktur, som er forskellig fra traditionelle SiC-nanotråde og enkeltkrystal SiC-whiskers. Denne fibrøse SiC er en strukturel defekt forårsaget af urimelige procesparametre. Det kan ses, at strukturen af denne SiC-belægning er relativt løs, og der er et stort antal porer mellem den fibrøse SiC, og densiteten er meget lav. Derfor er denne temperatur ikke egnet til fremstilling af tætte SiC-belægninger. Normalt skyldes fibrøse SiC-strukturelle defekter en for lav aflejringstemperatur. Ved lave temperaturer har de små molekyler, der adsorberes på overfladen af substratet, lav energi og dårlig migrationsevne. Derfor har små molekyler en tendens til at migrere og vokse til den laveste overfladefri energi af SiC-korn (såsom spidsen af kornet). Kontinuerlig retningsbestemt vækst danner til sidst fibrøse SiC-strukturelle defekter.
Fremstilling af CVD SiC-belægning:
Først placeres grafitsubstratet i en højtemperaturvakuumovn og holdes ved 1500 ℃ i 1 time i en Ar-atmosfære for at fjerne aske. Derefter skæres grafitblokken til en blok på 15x15x5 mm, og overfladen af grafitblokken poleres med 1200 mesh sandpapir for at fjerne overfladeporer, der påvirker SiC-aflejringen. Den behandlede grafitblok vaskes med vandfri ethanol og destilleret vand og placeres derefter i en ovn ved 100 ℃ for at tørre. Endelig placeres grafitsubstratet i den rørformede ovns hovedtemperaturzone til SiC-aflejring. Det skematiske diagram over det kemiske dampaflejringssystem er vist i figur 1.
DeCVD SiC-belægningblev observeret ved scanningselektronmikroskopi for at analysere dens partikelstørrelse og densitet. Derudover blev aflejringshastigheden for SiC-belægningen beregnet i henhold til nedenstående formel: VSiC=(m²-m³)/(Sxt)x100% VSiC = Aflejringshastighed; m2 – masse af belægningsprøve (mg); m1 – substratets masse (mg); S-overfladeareal af substratet (mm2); t - aflejringstiden (t). CVD-SiC er relativt kompliceret, og processen kan opsummeres som følger: Ved høj temperatur vil MTS undergå termisk nedbrydning for at danne små molekyler fra kulstofkilder og siliciumkilder. De små molekyler fra kulstofkilder omfatter hovedsageligt CH3, C2H2 og C2H4, og de små molekyler fra siliciumkilder omfatter hovedsageligt SiCI2, SiCI3 osv.; disse små molekyler fra kulstofkilder og siliciumkilder vil derefter blive transporteret til overfladen af grafitsubstratet via bærergassen og fortyndingsgassen, og derefter vil disse små molekyler blive adsorberet på substratets overflade i form af adsorption, og derefter vil der forekomme kemiske reaktioner mellem de små molekyler for at danne små dråber, der gradvist vokser, og dråberne vil også smelte sammen, og reaktionen vil blive ledsaget af dannelsen af mellemprodukter (HCl-gas); Når temperaturen stiger til 1000 ℃, forbedres densiteten af SiC-belægningen betydeligt. Det kan ses, at det meste af belægningen består af SiC-korn (ca. 4 μm i størrelse), men der findes også nogle fibrøse SiC-defekter, hvilket viser, at der stadig er retningsbestemt vækst af SiC ved denne temperatur, og belægningen er stadig ikke tæt nok. Når temperaturen stiger til 1100 ℃, kan det ses, at SiC-belægningen er meget tæt, og de fibrøse SiC-defekter er fuldstændig forsvundet. Belægningen består af dråbeformede SiC-partikler med en diameter på ca. 5~10 μm, som er tæt forbundet. Partiklernes overflade er meget ru. Den består af utallige nanoskala SiC-korn. Faktisk er CVD-SiC-vækstprocessen ved 1100 ℃ blevet masseoverførselskontrolleret. De små molekyler, der adsorberes på substratets overflade, har tilstrækkelig energi og tid til at danne kim og vokse til SiC-korn. SiC-kornene danner ensartet store dråber. Under påvirkning af overfladeenergi fremstår de fleste dråber sfæriske, og dråberne er tæt forbundet og danner en tæt SiC-belægning. Når temperaturen stiger til 1200 ℃, er SiC-belægningen også tæt, men SiC-morfologien bliver flerkantet, og belægningens overflade fremstår ruere. Når temperaturen stiger til 1300 ℃, findes et stort antal regelmæssige sfæriske partikler med en diameter på ca. 3 μm på overfladen af grafitsubstratet. Dette skyldes, at SiC ved denne temperatur er blevet omdannet til gasfase-nukleering, og MTS-nedbrydningshastigheden er meget hurtig. Små molekyler har reageret og nukleeret for at danne SiC-korn, før de adsorberes på substratoverfladen. Når kornene har dannet sfæriske partikler, vil de falde ned, hvilket i sidste ende resulterer i en løs SiC-partikelbelægning med dårlig densitet. Det er klart, at 1300 ℃ ikke kan bruges som dannelsestemperatur for tæt SiC-belægning. En omfattende sammenligning viser, at hvis der skal fremstilles en tæt SiC-belægning, er den optimale CVD-aflejringstemperatur 1100 ℃.
Figur 3 viser aflejringshastigheden for CVD SiC-belægninger ved forskellige aflejringstemperaturer. Efterhånden som aflejringstemperaturen stiger, falder aflejringshastigheden for SiC-belægningen gradvist. Aflejringshastigheden ved 900 °C er 0,352 mg·h-1/mm2, og fibrenes retningsbestemte vækst fører til den hurtigste aflejringshastighed. Aflejringshastigheden for belægningen med den højeste densitet er 0,179 mg·h-1/mm2. På grund af aflejringen af nogle SiC-partikler er aflejringshastigheden ved 1300 °C den laveste, kun 0,027 mg·h-1/mm2. Konklusion: Den bedste CVD-aflejringstemperatur er 1100 ℃. Lav temperatur fremmer den retningsbestemte vækst af SiC, mens høj temperatur får SiC til at producere dampaflejring og resultere i en sparsom belægning. Med stigende aflejringstemperatur øges aflejringshastigheden forCVD SiC-belægninggradvist aftager.
Opslagstidspunkt: 26. maj 2025