Efecto de diferentes temperaturas en el crecimiento del recubrimiento de SiC mediante CVD

¿Qué es el recubrimiento de SiC mediante CVD?

La deposición química en fase vapor (CVD) es un proceso de deposición al vacío que se utiliza para producir materiales sólidos de alta pureza. Este proceso se emplea frecuentemente en la fabricación de semiconductores para formar películas delgadas sobre la superficie de las obleas. En la preparación de carburo de silicio mediante CVD, el sustrato se expone a uno o más precursores volátiles, que reaccionan químicamente en su superficie para depositar el carburo de silicio deseado. Entre los diversos métodos para la preparación de materiales de carburo de silicio, los productos obtenidos mediante deposición química en fase vapor presentan mayor uniformidad y pureza, y este método ofrece un alto grado de control del proceso. Los materiales de carburo de silicio CVD poseen una combinación única de excelentes propiedades térmicas, eléctricas y químicas, lo que los hace muy adecuados para su uso en la industria de semiconductores, donde se requieren materiales de alto rendimiento. Los componentes de carburo de silicio CVD se utilizan ampliamente en equipos de grabado, equipos MOCVD, equipos epitaxiales de Si y SiC, equipos de procesamiento térmico rápido y otros campos.

Este artículo se centra en analizar la calidad de las películas delgadas cultivadas a diferentes temperaturas de proceso durante la preparación deRecubrimiento de SiC mediante CVD, para seleccionar la temperatura de proceso más apropiada. El experimento utiliza grafito como sustrato y triclorometilsilano (MTS) como gas fuente de reacción. El recubrimiento de SiC se deposita mediante un proceso CVD de baja presión, y la micromorfología de laRecubrimiento de SiC mediante CVDSe observa mediante microscopía electrónica de barrido para analizar su densidad estructural.

Debido a la alta temperatura superficial del sustrato de grafito, el gas intermedio se desorberá y descargará de la superficie del sustrato, y finalmente el C y el Si restantes formarán SiC en fase sólida, dando lugar a un recubrimiento de SiC. Según el proceso de crecimiento de SiC por CVD descrito anteriormente, se observa que la temperatura influye en la difusión del gas, la descomposición del MTS, la formación de gotas y la desorción y descarga del gas intermedio. Por lo tanto, la temperatura de deposición desempeña un papel fundamental en la morfología del recubrimiento de SiC. La morfología microscópica del recubrimiento es la manifestación más intuitiva de su densidad. En consecuencia, es necesario estudiar el efecto de diferentes temperaturas de deposición en la morfología microscópica del recubrimiento de SiC por CVD. Dado que el MTS puede descomponerse y depositar recubrimientos de SiC entre 900 y 1600 °C, en este experimento se seleccionaron cinco temperaturas de deposición (900 °C, 1000 °C, 1100 °C, 1200 °C y 1300 °C) para la preparación del recubrimiento de SiC, con el fin de estudiar el efecto de la temperatura en el recubrimiento de SiC mediante CVD. Los parámetros específicos se muestran en la Tabla 3. La Figura 2 muestra la morfología microscópica del recubrimiento de SiC mediante CVD obtenido a diferentes temperaturas de deposición.

Cuando la temperatura de deposición es de 900 ℃, todo el SiC crece en forma de fibras. Se puede observar que el diámetro de una sola fibra es de aproximadamente 3,5 μm, y su relación de aspecto es de aproximadamente 3 (<10). Además, está compuesto por innumerables nanopartículas de SiC, por lo que pertenece a una estructura de SiC policristalino, que es diferente de los nanocables de SiC tradicionales y los bigotes de SiC monocristalino. Este SiC fibroso es un defecto estructural causado por parámetros de proceso inadecuados. Se puede observar que la estructura de este recubrimiento de SiC es relativamente suelta, hay una gran cantidad de poros entre el SiC fibroso, y la densidad es muy baja. Por lo tanto, esta temperatura no es adecuada para la preparación de recubrimientos de SiC densos. Generalmente, los defectos estructurales del SiC fibroso son causados ​​por una temperatura de deposición demasiado baja. A bajas temperaturas, las pequeñas moléculas adsorbidas en la superficie del sustrato tienen baja energía y escasa capacidad de migración. Por lo tanto, las moléculas pequeñas tienden a migrar y crecer hacia la zona de menor energía libre superficial de los granos de SiC (como la punta del grano). El crecimiento direccional continuo acaba formando defectos estructurales fibrosos en el SiC.

Preparación del recubrimiento de SiC mediante CVD:

Primero, el sustrato de grafito se coloca en un horno de vacío de alta temperatura y se mantiene a 1500 °C durante 1 hora en atmósfera de argón para eliminar las cenizas. A continuación, el bloque de grafito se corta en un bloque de 15 x 15 x 5 mm y su superficie se pule con papel de lija de grano 1200 para eliminar los poros superficiales que afectan la deposición de SiC. El bloque de grafito tratado se lava con etanol anhidro y agua destilada, y luego se coloca en un horno a 100 °C para su secado. Finalmente, el sustrato de grafito se coloca en la zona de temperatura principal del horno tubular para la deposición de SiC. El diagrama esquemático del sistema de deposición química en fase vapor se muestra en la Figura 1.

ElRecubrimiento de SiC mediante CVDSe observó mediante microscopía electrónica de barrido para analizar el tamaño y la densidad de sus partículas. Además, se calculó la tasa de deposición del recubrimiento de SiC según la siguiente fórmula: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Tasa de deposición; m2 – masa de la muestra de recubrimiento (mg); m1–masa del sustrato (mg); Superficie S del sustrato (mm2); t-tiempo de deposición (h).   El proceso CVD-SiC es relativamente complejo y puede resumirse de la siguiente manera: a alta temperatura, el MTS se descompone térmicamente para formar moléculas pequeñas de fuente de carbono y fuente de silicio. Las moléculas pequeñas de fuente de carbono incluyen principalmente CH3, C2H2 y C2H4, y las moléculas pequeñas de fuente de silicio incluyen principalmente SiCl2, SiCl3, etc. Estas moléculas pequeñas de fuente de carbono y fuente de silicio son transportadas a la superficie del sustrato de grafito por el gas portador y el gas diluyente, y luego estas moléculas pequeñas se adsorben en la superficie del sustrato en forma de adsorción, y luego ocurren reacciones químicas entre las moléculas pequeñas para formar pequeñas gotas que crecen gradualmente, y las gotas también se fusionan, y la reacción está acompañada por la formación de subproductos intermedios (gas HCl); Cuando la temperatura aumenta a 1000 ℃, la densidad del recubrimiento de SiC mejora notablemente. Se observa que la mayor parte del recubrimiento está compuesta por granos de SiC (de aproximadamente 4 μm de tamaño), pero también se encuentran algunos defectos fibrosos de SiC, lo que indica que a esta temperatura aún existe un crecimiento direccional de SiC y que el recubrimiento todavía no es suficientemente denso. Cuando la temperatura aumenta a 1100 ℃, se observa que el recubrimiento de SiC es muy denso y los defectos fibrosos de SiC han desaparecido por completo. El recubrimiento está compuesto por partículas de SiC en forma de gota con un diámetro de aproximadamente 5 a 10 μm, que se encuentran firmemente unidas. La superficie de las partículas es muy rugosa. Está compuesto por innumerables granos de SiC a nanoescala. De hecho, el proceso de crecimiento de CVD-SiC a 1100 ℃ se ha vuelto controlado por transferencia de masa. Las pequeñas moléculas adsorbidas en la superficie del sustrato tienen suficiente energía y tiempo para nuclearse y crecer hasta formar granos de SiC. Los granos de SiC forman uniformemente grandes gotas. Bajo la acción de la energía superficial, la mayoría de las gotas adquieren forma esférica y se combinan estrechamente para formar un recubrimiento denso de SiC. Cuando la temperatura sube a 1200 ℃, el recubrimiento de SiC también es denso, pero la morfología del SiC se vuelve multicrestada y la superficie del recubrimiento parece más rugosa. Cuando la temperatura aumenta a 1300 ℃, se encuentra una gran cantidad de partículas esféricas regulares con un diámetro de aproximadamente 3 μm en la superficie del sustrato de grafito. Esto se debe a que a esta temperatura, el SiC se ha transformado en nucleación en fase gaseosa, y la tasa de descomposición del MTS es muy rápida. Las moléculas pequeñas han reaccionado y nucleado para formar granos de SiC antes de ser adsorbidas en la superficie del sustrato. Después de que los granos forman partículas esféricas, caerán hacia abajo, lo que finalmente resulta en un recubrimiento de partículas de SiC suelto con baja densidad. Obviamente, 1300 ℃ no puede usarse como temperatura de formación de un recubrimiento de SiC denso. Una comparación exhaustiva muestra que si se prepara un recubrimiento de SiC denso, la temperatura de deposición CVD óptima es 1100 ℃.

La Figura 3 muestra la tasa de deposición de recubrimientos de SiC mediante CVD a diferentes temperaturas. A medida que aumenta la temperatura, la tasa de deposición del recubrimiento de SiC disminuye gradualmente. La tasa de deposición a 900 °C es de 0,352 mg·h⁻¹/mm², y el crecimiento direccional de las fibras da lugar a la tasa de deposición más rápida. La tasa de deposición del recubrimiento con mayor densidad es de 0,179 mg·h⁻¹/mm². Debido a la deposición de algunas partículas de SiC, la tasa de deposición a 1300 °C es la más baja, de tan solo 0,027 mg·h⁻¹/mm².   Conclusión: La mejor temperatura de deposición CVD es 1100℃. La baja temperatura promueve el crecimiento direccional del SiC, mientras que la alta temperatura hace que el SiC produzca deposición de vapor y dé como resultado un recubrimiento disperso. Con el aumento de la temperatura de deposición, la tasa de deposición deRecubrimiento de SiC mediante CVDdisminuye gradualmente.