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

¿Qué es el recubrimiento CVD SiC?

La deposición química en fase de vapor (CVD) es un proceso de deposición al vacío que se utiliza para producir materiales sólidos de alta pureza. Este proceso se utiliza a menudo en la fabricación de semiconductores para formar películas delgadas sobre la superficie de las obleas. En el proceso de 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 los depósitos de carburo de silicio deseados. Entre los numerosos métodos para preparar materiales de carburo de silicio, los productos preparados mediante deposición química en fase de vapor presentan mayor uniformidad y pureza, y este método ofrece una alta capacidad 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 ideales para 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 películas delgadas cultivadas a diferentes temperaturas de proceso durante la preparación deRecubrimiento de SiC CVDPara seleccionar la temperatura de proceso más adecuada, el experimento utiliza grafito como sustrato y triclorometilsilano (MTS) como gas fuente de reacción. El recubrimiento de SiC se deposita mediante un proceso de deposición química de baja presión (CVD), y la micromorfología del...Recubrimiento de SiC CVDSe observa mediante microscopía electrónica de barrido para analizar su densidad estructural.

Debido a que la temperatura superficial del sustrato de grafito es muy alta, el gas intermedio se desorberá y descargará de la superficie del sustrato, y finalmente el C y el Si restantes en la superficie del sustrato formarán SiC en fase sólida para formar el recubrimiento de SiC. De acuerdo con el proceso de crecimiento CVD-SiC anterior, se puede ver que la temperatura afectará la difusión del gas, la descomposición de MTS, la formación de gotas y la desorción y descarga del gas intermedio, por lo que la temperatura de deposición desempeñará un papel clave en la morfología del recubrimiento de SiC. La morfología microscópica del recubrimiento es la manifestación más intuitiva de la densidad del recubrimiento. Por lo tanto, es necesario estudiar el efecto de diferentes temperaturas de deposición en la morfología microscópica del recubrimiento de SiC CVD. Dado que el MTS puede descomponerse y depositar el recubrimiento de SiC entre 900 y 1600 °C, este experimento seleccionó cinco temperaturas de deposición: 900, 1000, 1100, 1200 y 1300 °C para la preparación del recubrimiento de SiC, con el fin de estudiar el efecto de la temperatura en el recubrimiento de CVD-SiC. Los parámetros específicos se muestran en la Tabla 3. La Figura 2 muestra la morfología microscópica del recubrimiento de CVD-SiC desarrollado a diferentes temperaturas de deposición.

Cuando la temperatura de deposición es de 900 ℃, todo el SiC crece en formas de fibra. Se puede ver 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 de 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 irrazonables. Se puede ver que la estructura de este recubrimiento de SiC es relativamente suelta, y 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 densos de SiC. 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 poca capacidad de migración. Por lo tanto, las moléculas pequeñas tienden a migrar y crecer hasta la energía libre superficial más baja de los granos de SiC (como la punta del grano). El crecimiento direccional continuo eventualmente forma defectos estructurales fibrosos de SiC.

Preparación del recubrimiento de SiC CVD:

Primero, el sustrato de grafito se coloca en un horno de vacío de alta temperatura y se mantiene a 1500 °C durante 1 h en atmósfera de Ar para la eliminación de 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 malla 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 de vapor se muestra en la Figura 1.

ElRecubrimiento de SiC CVDSe observó mediante microscopía electrónica de barrido para analizar el tamaño y la densidad de las partículas. Además, se calculó la velocidad 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); S-área superficial del sustrato (mm2); t-el tiempo de deposición (h).   El proceso de CVD-SiC es relativamente complejo, y se puede resumir de la siguiente manera: a alta temperatura, el MTS se descompone térmicamente para formar pequeñas moléculas de carbono y silicio. Las moléculas de carbono incluyen principalmente CH₃, C₂H₂ y C₂H₃, y las de silicio, principalmente SiCl₂, SiCl₃, etc. Estas moléculas de carbono y silicio son transportadas a la superficie del sustrato de grafito por el gas portador y el gas diluyente, donde se adsorben en la superficie del sustrato. Posteriormente, se producen reacciones químicas entre ellas para formar pequeñas gotas que crecen gradualmente y se fusionan. Esta reacción conlleva la formación de subproductos intermedios (gas HCl). Al alcanzar los 1000 ℃, la densidad del recubrimiento de SiC mejora considerablemente. Se observa que la mayor parte del recubrimiento está compuesta por granos de SiC (de aproximadamente 4 μm de tamaño), pero también se detectan algunos defectos fibrosos de SiC, lo que indica que a esta temperatura aún se observa un crecimiento direccional del SiC y que el recubrimiento aún no es lo suficientemente denso. Al alcanzar los 1100 ℃, se observa que el recubrimiento de SiC es muy denso y que los defectos fibrosos han desaparecido por completo. El recubrimiento está compuesto por partículas de SiC en forma de gotitas con un diámetro de aproximadamente 5-10 μm, estrechamente unidas. La superficie de las partículas es muy rugosa y está compuesta por innumerables granos de SiC a escala nanométrica. De hecho, el proceso de crecimiento de SiC por CVD a 1100 ℃ se ha controlado por transferencia de masa. Las pequeñas moléculas adsorbidas en la superficie del sustrato tienen suficiente energía y tiempo para nuclearse y crecer hasta convertirse en granos de SiC. Los granos de SiC forman gotas grandes y uniformes. Bajo la acción de la energía superficial, la mayoría de las gotas adquieren una forma esférica y se combinan estrechamente para formar una densa capa de SiC. Cuando la temperatura sube a 1200 °C, el recubrimiento de SiC también es denso, pero su morfología se vuelve multiestriada y la superficie del recubrimiento se vuelve más rugosa. Cuando la temperatura sube a 1300 °C, 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 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 formen partículas esféricas, caerán por debajo, lo que finalmente resultará en un recubrimiento de partículas de SiC sueltas con baja densidad. Obviamente, 1300 °C no puede utilizarse como la temperatura de formación de un recubrimiento de SiC denso. Una comparación exhaustiva muestra que para preparar un recubrimiento de SiC denso, la temperatura óptima de deposición por CVD es 1100 °C.

La Figura 3 muestra la velocidad de deposición de los recubrimientos de SiC por CVD a diferentes temperaturas. A medida que aumenta la temperatura, la velocidad de deposición del recubrimiento de SiC disminuye gradualmente. La velocidad de deposición a 900 °C es de 0,352 mg·h⁻¹/mm², y el crecimiento direccional de las fibras produce la velocidad de deposición más rápida. La velocidad 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 velocidad de deposición a 1300 °C es la más baja, con tan solo 0,027 mg·h⁻¹/mm².   Conclusión: La temperatura óptima para la deposición por CVD es de 1100 °C. Las bajas temperaturas promueven el crecimiento direccional del SiC, mientras que las altas temperaturas provocan la deposición de vapor del SiC, lo que resulta en un recubrimiento disperso. Con el aumento de la temperatura de deposición, la velocidad de deposición de...Recubrimiento de SiC CVDdisminuye gradualmente.