Einfluss unterschiedlicher Temperaturen auf das Wachstum der CVD-SiC-Beschichtung

Was ist eine CVD-SiC-Beschichtung?

Die chemische Gasphasenabscheidung (CVD) ist ein Vakuumabscheidungsverfahren zur Herstellung hochreiner Feststoffe. Dieses Verfahren wird häufig in der Halbleiterfertigung eingesetzt, um dünne Schichten auf Waferoberflächen zu erzeugen. Bei der Herstellung von Siliziumkarbid mittels CVD wird das Substrat einem oder mehreren flüchtigen Vorläufern ausgesetzt, die chemisch auf der Substratoberfläche reagieren und die gewünschten Siliziumkarbidschichten abscheiden. Unter den vielen Verfahren zur Herstellung von Siliziumkarbidmaterialien zeichnen sich die durch chemische Gasphasenabscheidung hergestellten Produkte durch eine höhere Gleichmäßigkeit und Reinheit aus und bieten eine hohe Prozesskontrolle. CVD-Siliziumkarbid-Werkstoffe zeichnen sich durch eine einzigartige Kombination hervorragender thermischer, elektrischer und chemischer Eigenschaften aus und eignen sich daher hervorragend für den Einsatz in der Halbleiterindustrie, wo Hochleistungsmaterialien benötigt werden. CVD-Siliziumkarbid-Komponenten finden breite Anwendung in Ätzanlagen, MOCVD-Anlagen, Si- und SiC-Epitaxieanlagen, Schnellwärmebehandlungsanlagen und anderen Bereichen.

Dieser Artikel konzentriert sich auf die Analyse der Qualität von Dünnschichten, die bei unterschiedlichen Prozesstemperaturen während der Herstellung vonCVD-SiC-Beschichtung, um die optimale Prozesstemperatur zu wählen. Das Experiment verwendet Graphit als Substrat und Trichlormethylsilan (MTS) als Reaktionsgas. Die SiC-Beschichtung wird im Niederdruck-CVD-Verfahren abgeschieden, und die Mikromorphologie derCVD-SiC-Beschichtungwird mittels Rasterelektronenmikroskopie beobachtet, um seine Strukturdichte zu analysieren.

Da die Oberflächentemperatur des Graphitsubstrats sehr hoch ist, wird das Zwischengas von der Substratoberfläche desorbiert und abgegeben, und schließlich bilden das auf der Substratoberfläche verbleibende C und Si eine feste SiC-Phase, die eine SiC-Beschichtung bildet. Gemäß dem obigen CVD-SiC-Wachstumsprozess kann man erkennen, dass die Temperatur die Gasdiffusion, die Zersetzung von MTS, die Tröpfchenbildung und die Desorption und Abgabe von Zwischengas beeinflusst, sodass die Abscheidungstemperatur eine Schlüsselrolle für die Morphologie der SiC-Beschichtung spielt. Die mikroskopische Morphologie der Beschichtung ist der intuitivste Ausdruck der Dichte der Beschichtung. Daher ist es notwendig, die Wirkung unterschiedlicher Abscheidungstemperaturen auf die mikroskopische Morphologie der CVD-SiC-Beschichtung zu untersuchen. Da MTS SiC-Beschichtungen zwischen 900 und 1600 °C zersetzen und abscheiden kann, wurden in diesem Experiment fünf Abscheidungstemperaturen – 900 °C, 1000 °C, 1100 °C, 1200 °C und 1300 °C – für die Herstellung der SiC-Beschichtung ausgewählt, um den Einfluss der Temperatur auf die CVD-SiC-Beschichtung zu untersuchen. Die spezifischen Parameter sind in Tabelle 3 dargestellt. Abbildung 2 zeigt die mikroskopische Morphologie der bei verschiedenen Abscheidungstemperaturen gewachsenen CVD-SiC-Beschichtung.

Bei einer Abscheidungstemperatur von 900 °C wächst das gesamte SiC faserförmig. Der Durchmesser einer einzelnen Faser beträgt etwa 3,5 μm und das Aspektverhältnis liegt bei etwa 3 (<10). Die Faser besteht aus zahllosen Nano-SiC-Partikeln und weist somit eine polykristalline SiC-Struktur auf, die sich von herkömmlichen SiC-Nanodrähten und einkristallinen SiC-Whiskern unterscheidet. Dieses faserförmige SiC weist einen Strukturfehler auf, der durch ungünstige Prozessparameter verursacht wird. Die Struktur dieser SiC-Beschichtung ist erkennbar relativ locker, zwischen den faserförmigen SiC-Strukturen befinden sich viele Poren, und die Dichte ist sehr gering. Daher ist diese Temperatur für die Herstellung dichter SiC-Beschichtungen nicht geeignet. Strukturfehler bei faserförmigem SiC werden normalerweise durch eine zu niedrige Abscheidungstemperatur verursacht. Bei niedrigen Temperaturen haben die an der Substratoberfläche adsorbierten kleinen Moleküle eine niedrige Energie und ein schlechtes Migrationsvermögen. Daher neigen kleine Moleküle dazu, zu den SiC-Körnern mit der niedrigsten freien Oberflächenenergie (z. B. der Spitze des Korns) zu wandern und dort zu wachsen. Durch kontinuierliches gerichtetes Wachstum bilden sich schließlich faserige SiC-Strukturdefekte.

Vorbereitung der CVD-SiC-Beschichtung:

Zunächst wird das Graphitsubstrat in einen Hochtemperatur-Vakuumofen gegeben und zur Ascheentfernung eine Stunde lang bei 1500 °C in einer Argonatmosphäre gehalten. Anschließend wird der Graphitblock in Blöcke von 15 x 15 x 5 mm geschnitten und die Oberfläche des Graphitblocks mit Schleifpapier (Maschenzahl 1200) poliert, um die Oberflächenporen zu entfernen, die die SiC-Abscheidung beeinträchtigen. Der behandelte Graphitblock wird mit wasserfreiem Ethanol und destilliertem Wasser gewaschen und anschließend zum Trocknen in einen Ofen bei 100 °C gegeben. Abschließend wird das Graphitsubstrat zur SiC-Abscheidung in die Haupttemperaturzone des Rohrofens gelegt. Abbildung 1 zeigt das schematische Diagramm des chemischen Gasphasenabscheidungssystems.

DerCVD-SiC-Beschichtungwurde mittels Rasterelektronenmikroskopie untersucht, um Partikelgröße und Dichte zu analysieren. Zusätzlich wurde die Abscheidungsrate der SiC-Beschichtung nach folgender Formel berechnet: VSiC = (m2 – m1)/(Sxt) x 100 % VSiC = Abscheidungsrate; m2–Masse der Beschichtungsprobe (mg); m1–Masse des Substrats (mg); S - Oberfläche des Substrats (mm2); t – die Ablagerungszeit (h).   CVD-SiC ist relativ kompliziert und der Prozess kann wie folgt zusammengefasst werden: Bei hohen Temperaturen wird MTS einer thermischen Zersetzung unterzogen, wobei kleine Moleküle als Kohlenstoffquelle und als Siliziumquelle entstehen. Die kleinen Moleküle als Kohlenstoffquelle bestehen hauptsächlich aus CH3, C2H2 und C2H4 und die kleinen Moleküle als Siliziumquelle hauptsächlich aus SiCl2, SiCl3 usw.; diese kleinen Moleküle als Kohlenstoffquelle und als Siliziumquelle werden dann durch das Trägergas und das Verdünnungsgas an die Oberfläche des Graphitsubstrats transportiert und dann in Form einer Adsorption an der Oberfläche des Substrats adsorbiert. Dann finden chemische Reaktionen zwischen den kleinen Molekülen statt und bilden kleine Tröpfchen, die allmählich wachsen und die Tröpfchen verschmelzen. Die Reaktion wird von der Bildung von Zwischennebenprodukten (HCl-Gas) begleitet; Bei einer Temperatur von 1000 °C verbessert sich die Dichte der SiC-Beschichtung deutlich. Die Beschichtung besteht größtenteils aus SiC-Körnern (ca. 4 μm groß), weist aber auch einige faserige SiC-Defekte auf. Dies deutet darauf hin, dass bei dieser Temperatur weiterhin gerichtetes SiC-Wachstum stattfindet und die Beschichtung noch nicht dicht genug ist. Bei einer Temperatur von 1100 °C ist die SiC-Beschichtung sehr dicht und die faserigen SiC-Defekte vollständig verschwunden. Die Beschichtung besteht aus tropfenförmigen SiC-Partikeln mit einem Durchmesser von ca. 5–10 μm, die eng miteinander verbunden sind. Die Oberfläche der Partikel ist sehr rau. Sie besteht aus unzähligen nanometergroßen SiC-Körnern. Der CVD-SiC-Wachstumsprozess bei 1100 °C ist tatsächlich massentransferkontrolliert. Die an der Substratoberfläche adsorbierten kleinen Moleküle haben genügend Energie und Zeit, um zu SiC-Körnern zu wachsen. Die SiC-Körner bilden gleichmäßig große Tröpfchen. Unter der Einwirkung der Oberflächenenergie erscheinen die meisten Tröpfchen kugelförmig, und die Tröpfchen sind eng miteinander verbunden und bilden eine dichte SiC-Beschichtung. Bei einer Temperatur von 1.200 °C ist die SiC-Beschichtung ebenfalls dicht, jedoch weist die SiC-Morphologie vielrippige Strukturen auf und die Oberfläche der Beschichtung erscheint rauer. Bei einer Temperatur von 1.300 °C befinden sich auf der Oberfläche des Graphitsubstrats zahlreiche regelmäßige, kugelförmige Partikel mit einem Durchmesser von etwa 3 μm. Dies liegt daran, dass SiC bei dieser Temperatur in die Gasphasenkeime umgewandelt wurde und die MTS-Zersetzungsrate sehr hoch ist. Kleine Moleküle haben reagiert und Keime gebildet, wodurch SiC-Körner gebildet wurden, bevor diese auf der Substratoberfläche adsorbiert wurden. Nachdem die Körner kugelförmige Partikel gebildet haben, sinken sie unter die Nulltemperatur, was letztendlich zu einer losen SiC-Partikelbeschichtung mit geringer Dichte führt. Natürlich können 1.300 °C nicht als Bildungstemperatur für eine dichte SiC-Beschichtung verwendet werden. Ein umfassender Vergleich zeigt, dass zur Herstellung einer dichten SiC-Beschichtung die optimale CVD-Abscheidungstemperatur 1.100 °C beträgt.

Abbildung 3 zeigt die Abscheidungsrate von CVD-SiC-Beschichtungen bei unterschiedlichen Abscheidungstemperaturen. Mit steigender Abscheidungstemperatur nimmt die Abscheidungsrate der SiC-Beschichtung allmählich ab. Die Abscheidungsrate bei 900 °C beträgt 0,352 mg·h-1/mm², wobei das gerichtete Wachstum der Fasern die höchste Abscheidungsrate bewirkt. Die Abscheidungsrate der Beschichtung mit der höchsten Dichte beträgt 0,179 mg·h-1/mm². Aufgrund der Abscheidung einiger SiC-Partikel ist die Abscheidungsrate bei 1300 °C mit nur 0,027 mg·h-1/mm² am niedrigsten.   Fazit: Die optimale CVD-Abscheidungstemperatur beträgt 1100 °C. Niedrige Temperaturen fördern das gerichtete Wachstum von SiC, während hohe Temperaturen SiC-Dampfabscheidung und damit eine spärliche Beschichtung verursachen. Mit steigender Abscheidungstemperatur steigt die Abscheidungsrate vonCVD-SiC-Beschichtungnimmt allmählich ab.