Τι είναι η επίστρωση CVD SiC;
Η χημική εναπόθεση ατμών (CVD) είναι μια διαδικασία εναπόθεσης κενού που χρησιμοποιείται για την παραγωγή στερεών υλικών υψηλής καθαρότητας. Αυτή η διαδικασία χρησιμοποιείται συχνά στον τομέα της κατασκευής ημιαγωγών για τον σχηματισμό λεπτών μεμβρανών στην επιφάνεια των πλακιδίων. Κατά τη διαδικασία παρασκευής καρβιδίου του πυριτίου με CVD, το υπόστρωμα εκτίθεται σε έναν ή περισσότερους πτητικούς προδρόμους, οι οποίοι αντιδρούν χημικά στην επιφάνεια του υποστρώματος για να εναποθέσουν τις επιθυμητές εναποθέσεις καρβιδίου του πυριτίου. Μεταξύ των πολλών μεθόδων παρασκευής υλικών καρβιδίου του πυριτίου, τα προϊόντα που παρασκευάζονται με χημική εναπόθεση ατμών έχουν υψηλότερη ομοιομορφία και καθαρότητα, και αυτή η μέθοδος έχει ισχυρή δυνατότητα ελέγχου της διαδικασίας. Τα υλικά καρβιδίου του πυριτίου CVD έχουν έναν μοναδικό συνδυασμό εξαιρετικών θερμικών, ηλεκτρικών και χημικών ιδιοτήτων, καθιστώντας τα πολύ κατάλληλα για χρήση στη βιομηχανία ημιαγωγών όπου απαιτούνται υλικά υψηλής απόδοσης. Τα εξαρτήματα καρβιδίου του πυριτίου CVD χρησιμοποιούνται ευρέως σε εξοπλισμό χάραξης, εξοπλισμό MOCVD, επιταξιακό εξοπλισμό Si και επιταξιακό εξοπλισμό SiC, εξοπλισμό ταχείας θερμικής επεξεργασίας και σε άλλους τομείς.
Αυτό το άρθρο εστιάζει στην ανάλυση της ποιότητας των λεπτών υμενίων που αναπτύσσονται σε διαφορετικές θερμοκρασίες διεργασίας κατά την παρασκευήΕπίστρωση CVD SiC, ώστε να επιλεγεί η καταλληλότερη θερμοκρασία διεργασίας. Το πείραμα χρησιμοποιεί γραφίτη ως υπόστρωμα και τριχλωρομεθυλοσιλάνιο (MTS) ως αέριο πηγής αντίδρασης. Η επικάλυψη SiC εναποτίθεται με διεργασία CVD χαμηλής πίεσης και η μικρομορφολογία τουΕπίστρωση CVD SiCπαρατηρείται με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης για την ανάλυση της δομικής του πυκνότητας.
Επειδή η επιφανειακή θερμοκρασία του γραφιτικού υποστρώματος είναι πολύ υψηλή, το ενδιάμεσο αέριο θα εκροφηθεί και θα αποβληθεί από την επιφάνεια του υποστρώματος και τελικά το C και το Si που παραμένουν στην επιφάνεια του υποστρώματος θα σχηματίσουν SiC στερεάς φάσης για να σχηματίσουν επίστρωση SiC. Σύμφωνα με την παραπάνω διαδικασία ανάπτυξης CVD-SiC, μπορεί να φανεί ότι η θερμοκρασία θα επηρεάσει τη διάχυση του αερίου, την αποσύνθεση του MTS, τον σχηματισμό σταγονιδίων και την εκρόφηση και εκκένωση του ενδιάμεσου αερίου, επομένως η θερμοκρασία εναπόθεσης θα παίξει βασικό ρόλο στη μορφολογία της επίστρωσης SiC. Η μικροσκοπική μορφολογία της επίστρωσης είναι η πιο διαισθητική εκδήλωση της πυκνότητας της επίστρωσης. Επομένως, είναι απαραίτητο να μελετηθεί η επίδραση διαφορετικών θερμοκρασιών εναπόθεσης στη μικροσκοπική μορφολογία της επίστρωσης CVD SiC. Δεδομένου ότι το MTS μπορεί να αποσυντεθεί και να εναποθέσει επίστρωση SiC μεταξύ 900~1600℃, αυτό το πείραμα επιλέγει πέντε θερμοκρασίες εναπόθεσης 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ και 1300℃ για την παρασκευή επίστρωσης SiC για να μελετηθεί η επίδραση της θερμοκρασίας στην επίστρωση CVD-SiC. Οι συγκεκριμένες παράμετροι παρουσιάζονται στον Πίνακα 3. Το Σχήμα 2 δείχνει τη μικροσκοπική μορφολογία της επικάλυψης CVD-SiC που αναπτύχθηκε σε διαφορετικές θερμοκρασίες εναπόθεσης.
Όταν η θερμοκρασία εναπόθεσης είναι 900℃, όλο το SiC αναπτύσσεται σε σχήματα ινών. Μπορεί να φανεί ότι η διάμετρος μιας μόνο ίνας είναι περίπου 3,5μm και ο λόγος διαστάσεων της είναι περίπου 3 (<10). Επιπλέον, αποτελείται από αμέτρητα νανοσωματίδια νανο-SiC, επομένως ανήκει σε μια πολυκρυσταλλική δομή SiC, η οποία διαφέρει από τα παραδοσιακά νανοσύρματα SiC και τα μονοκρυσταλλικά μουστάκια SiC. Αυτό το ινώδες SiC είναι ένα δομικό ελάττωμα που προκαλείται από παράλογες παραμέτρους διεργασίας. Μπορεί να φανεί ότι η δομή αυτής της επίστρωσης SiC είναι σχετικά χαλαρή και υπάρχει μεγάλος αριθμός πόρων μεταξύ του ινώδους SiC και η πυκνότητα είναι πολύ χαμηλή. Επομένως, αυτή η θερμοκρασία δεν είναι κατάλληλη για την παρασκευή πυκνών επιστρώσεων SiC. Συνήθως, τα δομικά ελαττώματα του ινώδους SiC προκαλούνται από πολύ χαμηλή θερμοκρασία εναπόθεσης. Σε χαμηλές θερμοκρασίες, τα μικρά μόρια που προσροφώνται στην επιφάνεια του υποστρώματος έχουν χαμηλή ενέργεια και κακή ικανότητα μετανάστευσης. Επομένως, τα μικρά μόρια τείνουν να μεταναστεύουν και να αναπτύσσονται στην χαμηλότερη ελεύθερη ενέργεια επιφάνειας των κόκκων SiC (όπως η άκρη του κόκκου). Η συνεχής κατευθυνόμενη ανάπτυξη τελικά σχηματίζει δομικά ελαττώματα του ινώδους SiC.
Προετοιμασία επίστρωσης CVD SiC:
Αρχικά, το υπόστρωμα γραφίτη τοποθετείται σε κλίβανο κενού υψηλής θερμοκρασίας και διατηρείται στους 1500℃ για 1 ώρα σε ατμόσφαιρα Ar για την απομάκρυνση της τέφρας. Στη συνέχεια, το μπλοκ γραφίτη κόβεται σε μπλοκ 15x15x5mm και η επιφάνεια του μπλοκ γραφίτη γυαλίζεται με γυαλόχαρτο 1200 mesh για την εξάλειψη των επιφανειακών πόρων που επηρεάζουν την εναπόθεση SiC. Το επεξεργασμένο μπλοκ γραφίτη πλένεται με άνυδρη αιθανόλη και απεσταγμένο νερό και στη συνέχεια τοποθετείται σε κλίβανο στους 100℃ για ξήρανση. Τέλος, το υπόστρωμα γραφίτη τοποθετείται στην κύρια ζώνη θερμοκρασίας του σωληνωτού κλιβάνου για εναπόθεση SiC. Το σχηματικό διάγραμμα του συστήματος χημικής εναπόθεσης ατμών φαίνεται στο Σχήμα 1.
ΟΕπίστρωση CVD SiCπαρατηρήθηκε με ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης για την ανάλυση του μεγέθους και της πυκνότητας των σωματιδίων του. Επιπλέον, ο ρυθμός εναπόθεσης της επικάλυψης SiC υπολογίστηκε σύμφωνα με τον παρακάτω τύπο: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Ρυθμός εναπόθεσης; m2–μάζα δείγματος επικάλυψης (mg)· m1–μάζα του υποστρώματος (mg)· S-επιφάνεια του υποστρώματος (mm2)· t - ο χρόνος εναπόθεσης (h). Η CVD-SiC είναι σχετικά περίπλοκη και η διαδικασία μπορεί να συνοψιστεί ως εξής: σε υψηλή θερμοκρασία, το MTS θα υποστεί θερμική αποσύνθεση για να σχηματίσει μικρά μόρια πηγής άνθρακα και πηγής πυριτίου. Τα μικρά μόρια πηγής άνθρακα περιλαμβάνουν κυρίως CH3, C2H2 και C2H4, και τα μικρά μόρια πηγής πυριτίου περιλαμβάνουν κυρίως SiCI2, SiCI3, κ.λπ. Αυτά τα μικρά μόρια πηγής άνθρακα και πηγής πυριτίου θα μεταφερθούν στη συνέχεια στην επιφάνεια του υποστρώματος γραφίτη από το αέριο φορέα και το αέριο αραίωσης και στη συνέχεια αυτά τα μικρά μόρια θα προσροφηθούν στην επιφάνεια του υποστρώματος με τη μορφή προσρόφησης και στη συνέχεια θα εμφανιστούν χημικές αντιδράσεις μεταξύ των μικρών μορίων για να σχηματίσουν μικρά σταγονίδια που σταδιακά αναπτύσσονται και τα σταγονίδια θα συντήκονται και η αντίδραση θα συνοδεύεται από τον σχηματισμό ενδιάμεσων παραπροϊόντων (αέριο HCl). Όταν η θερμοκρασία ανέβει στους 1000 ℃, η πυκνότητα της επικάλυψης SiC βελτιώνεται σημαντικά. Μπορεί να φανεί ότι το μεγαλύτερο μέρος της επικάλυψης αποτελείται από κόκκους SiC (μεγέθους περίπου 4 μm), αλλά εντοπίζονται επίσης ορισμένα ινώδη ελαττώματα SiC, γεγονός που δείχνει ότι εξακολουθεί να υπάρχει κατευθυνόμενη ανάπτυξη του SiC σε αυτή τη θερμοκρασία και η επικάλυψη δεν είναι ακόμα αρκετά πυκνή. Όταν η θερμοκρασία ανέβει στους 1100 ℃, μπορεί να φανεί ότι η επικάλυψη SiC είναι πολύ πυκνή και τα ινώδη ελαττώματα SiC έχουν εξαφανιστεί εντελώς. Η επικάλυψη αποτελείται από σωματίδια SiC σε σχήμα σταγόνας με διάμετρο περίπου 5~10 μm, τα οποία είναι σφιχτά συνδεδεμένα. Η επιφάνεια των σωματιδίων είναι πολύ τραχιά. Αποτελείται από αμέτρητους κόκκους SiC σε νανοκλίμακα. Στην πραγματικότητα, η διαδικασία ανάπτυξης CVD-SiC στους 1100 ℃ έχει ελεγχθεί από τη μεταφορά μάζας. Τα μικρά μόρια που προσροφώνται στην επιφάνεια του υποστρώματος έχουν επαρκή ενέργεια και χρόνο για να σχηματίσουν πυρήνες και να αναπτυχθούν σε κόκκους SiC. Οι κόκκοι SiC σχηματίζουν ομοιόμορφα μεγάλα σταγονίδια. Υπό την επίδραση της επιφανειακής ενέργειας, τα περισσότερα σταγονίδια εμφανίζονται σφαιρικά και συνδυάζονται σφιχτά σχηματίζοντας μια πυκνή επίστρωση SiC. Όταν η θερμοκρασία ανέβει στους 1200℃, η επίστρωση SiC είναι επίσης πυκνή, αλλά η μορφολογία του SiC γίνεται πολύπλευρη και η επιφάνεια της επίστρωσης εμφανίζεται πιο τραχιά. Όταν η θερμοκρασία ανέβει στους 1300℃, ένας μεγάλος αριθμός κανονικών σφαιρικών σωματιδίων με διάμετρο περίπου 3μm βρίσκεται στην επιφάνεια του υποστρώματος γραφίτη. Αυτό συμβαίνει επειδή σε αυτή τη θερμοκρασία, το SiC έχει μετατραπεί σε πυρήνωση αέριας φάσης και ο ρυθμός αποσύνθεσης του MTS είναι πολύ γρήγορος. Μικρά μόρια έχουν αντιδράσει και πυρηνοποιηθούν για να σχηματίσουν κόκκους SiC πριν προσροφηθούν στην επιφάνεια του υποστρώματος. Αφού οι κόκκοι σχηματίσουν σφαιρικά σωματίδια, θα πέσουν κάτω, με αποτέλεσμα τελικά μια χαλαρή επίστρωση σωματιδίων SiC με κακή πυκνότητα. Προφανώς, οι 1300℃ δεν μπορούν να χρησιμοποιηθούν ως θερμοκρασία σχηματισμού πυκνής επίστρωσης SiC. Η ολοκληρωμένη σύγκριση δείχνει ότι εάν πρόκειται να παρασκευαστεί πυκνή επίστρωση SiC, η βέλτιστη θερμοκρασία εναπόθεσης CVD είναι 1100℃.
Το Σχήμα 3 δείχνει τον ρυθμό εναπόθεσης επιστρώσεων CVD SiC σε διαφορετικές θερμοκρασίες εναπόθεσης. Καθώς η θερμοκρασία εναπόθεσης αυξάνεται, ο ρυθμός εναπόθεσης της επικάλυψης SiC μειώνεται σταδιακά. Ο ρυθμός εναπόθεσης στους 900°C είναι 0,352 mg·h-1/mm2, και η κατευθυνόμενη ανάπτυξη των ινών οδηγεί στον ταχύτερο ρυθμό εναπόθεσης. Ο ρυθμός εναπόθεσης της επικάλυψης με την υψηλότερη πυκνότητα είναι 0,179 mg·h-1/mm2. Λόγω της εναπόθεσης ορισμένων σωματιδίων SiC, ο ρυθμός εναπόθεσης στους 1300°C είναι ο χαμηλότερος, μόνο 0,027 mg·h-1/mm2. Συμπέρασμα: Η καλύτερη θερμοκρασία εναπόθεσης CVD είναι 1100℃. Η χαμηλή θερμοκρασία προάγει την κατευθυνόμενη ανάπτυξη του SiC, ενώ η υψηλή θερμοκρασία προκαλεί την παραγωγή εναπόθεσης ατμών από το SiC και την αραιή επικάλυψη. Με την αύξηση της θερμοκρασίας εναπόθεσης, ο ρυθμός εναπόθεσηςΕπίστρωση CVD SiCμειώνεται σταδιακά.
Ώρα δημοσίευσης: 26 Μαΐου 2025