Mis on CVD SiC-kate?
Keemiline aurustamine (CVD) on vaakumsadestamise protsess, mida kasutatakse kõrge puhtusastmega tahkete materjalide tootmiseks. Seda protsessi kasutatakse sageli pooljuhtide tootmises õhukeste kilede moodustamiseks vahvlite pinnale. Ränikarbiidi CVD-meetodil valmistamise protsessis puututakse aluspind kokku ühe või mitme lenduva eelkäijaga, mis reageerivad aluspinnal keemiliselt, sadestades soovitud ränikarbiidi ladestused. Ränikarbiidmaterjalide valmistamise paljude meetodite hulgas on keemilise aurustamise teel valmistatud toodetel suurem ühtlus ja puhtus ning sellel meetodil on tugev protsessi juhitavus. CVD ränikarbiidimaterjalidel on ainulaadne suurepäraste termiliste, elektriliste ja keemiliste omaduste kombinatsioon, mis muudab need väga sobivaks kasutamiseks pooljuhtide tööstuses, kus on vaja kõrgjõudlusega materjale. CVD ränikarbiidi komponente kasutatakse laialdaselt söövitusseadmetes, MOCVD-seadmetes, Si epitaksiaalseadmetes ja SiC epitaksiaalseadmetes, kiire termilise töötlemise seadmetes ja muudes valdkondades.
See artikkel keskendub õhukeste kilede kvaliteedi analüüsimisele, mida kasvatatakse erinevatel protsessitemperatuuridel valmistamise ajal.CVD SiC-kate, et valida kõige sobivam protsessitemperatuur. Katses kasutatakse substraadina grafiiti ja reaktsiooniallika gaasina triklorometüülsilaani (MTS). SiC-kate sadestatakse madalrõhu CVD-protsessi abil ja selle mikromorfoloogiaCVD SiC-kateuuritakse skaneeriva elektronmikroskoopia abil, et analüüsida selle struktuurilist tihedust.
Kuna grafiidi aluspinna temperatuur on väga kõrge, desorbeerub ja eraldub vaheühendigaas aluspinnalt ning lõpuks moodustavad aluspinnale jäävad süsinik ja räni tahke faasi ränikarbiidi (SiC), mis moodustab ränikarbiidi (SiC) katte. Eeltoodud CVD-SiC kasvuprotsessi kohaselt on näha, et temperatuur mõjutab gaasi difusiooni, MTS lagunemist, tilkade moodustumist ning vaheühendgaasi desorptsiooni ja eraldumist, seega mängib sadestamistemperatuur ränikarbiidi (SiC) katte morfoloogias võtmerolli. Katte mikroskoopiline morfoloogia on katte tiheduse kõige intuitiivsem ilming. Seetõttu on vaja uurida erinevate sadestamistemperatuuride mõju CVD ränikarbiidi (SiC) katte mikroskoopilisele morfoloogiale. Kuna MTS suudab lagundada ja sadestada SiC-katet temperatuurivahemikus 900–1600 ℃, valitakse selles katses SiC-katte valmistamiseks viis sadestamistemperatuuri: 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃ ja 1300 ℃, et uurida temperatuuri mõju CVD-SiC-kattele. Konkreetsed parameetrid on toodud tabelis 3. Joonis 2 näitab erinevatel sadestamistemperatuuridel kasvatatud CVD-SiC-katte mikroskoopilist morfoloogiat.
Kui sadestamistemperatuur on 900 ℃, kasvab kogu SiC kiudvormideks. On näha, et üksiku kiu läbimõõt on umbes 3,5 μm ja selle kuvasuhe on umbes 3 (<10). Lisaks koosneb see lugematutest nano-SiC osakestest, seega kuulub see polükristallilisse SiC struktuuri, mis erineb traditsioonilistest SiC nanotraatidest ja monokristallilistest SiC vurrudest. See kiuline SiC on struktuuridefekt, mis on põhjustatud ebamõistlikest protsessiparameetritest. On näha, et selle SiC katte struktuur on suhteliselt lahtine ja kiulise SiC vahel on palju poore ning tihedus on väga madal. Seetõttu ei sobi see temperatuur tihedate SiC katete valmistamiseks. Tavaliselt on kiulise SiC struktuuridefektid põhjustatud liiga madalast sadestamistemperatuurist. Madalatel temperatuuridel on substraadi pinnale adsorbeerunud väikestel molekulidel madal energia ja halb migratsioonivõime. Seetõttu kipuvad väikesed molekulid migreeruma ja kasvama SiC terade madalaima pinnavaba energiaga (näiteks tera tippu). Pidev suunatud kasv moodustab lõpuks kiulise SiC struktuuridefekte.
CVD SiC-katte ettevalmistamine:
Esmalt asetatakse grafiidist aluspind kõrgtemperatuurilisse vaakumahju ja hoitakse tuha eemaldamiseks 1 tund argooniatmosfääris temperatuuril 1500 ℃. Seejärel lõigatakse grafiidist plokk mõõtmetega 15x15x5 mm tükkideks ja grafiidist ploki pinda poleeritakse 1200-meššise liivapaberiga, et eemaldada SiC sadestumist mõjutavad pinnapoorid. Töödeldud grafiidist plokki pestakse veevaba etanooli ja destilleeritud veega ning seejärel asetatakse kuivatamiseks 100 ℃ ahju. Lõpuks asetatakse grafiidist aluspind SiC sadestamiseks torukujulise ahju põhitemperatuuritsooni. Keemilise aurustamise süsteemi skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 1.
SeeCVD SiC-kateskaneeriva elektronmikroskoopia abil jälgiti selle osakeste suurust ja tihedust. Lisaks arvutati SiC-katte sadestumiskiirus järgmise valemi abil: VSiC=(m² - m³)/(Sxt)x100% VSiC = sadestumiskiirus; m2 – katteproovi mass (mg); m1 – substraadi mass (mg); Substraadi S-pindala (mm2); t - sadestumisaeg (h). CVD-SiC on suhteliselt keeruline protsess ja protsessi saab kokku võtta järgmiselt: kõrgel temperatuuril toimub MTS termiline lagunemine, moodustades süsinikuallika ja räniallika väikemolekule. Süsinikuallika väikemolekulid hõlmavad peamiselt CH3, C2H2 ja C2H4 ning räniallika väikemolekulid hõlmavad peamiselt SiCI2, SiCI3 jne; need süsinikuallika ja räniallika väikemolekulid transporditakse seejärel kandegaasi ja lahjendusgaasi abil grafiidi substraadi pinnale ning seejärel adsorbeeritakse need väikesed molekulid substraadi pinnale adsorptsiooni teel. Seejärel toimuvad väikeste molekulide vahel keemilised reaktsioonid, moodustades väikeseid tilku, mis järk-järgult kasvavad, ja tilgad sulanduvad ning reaktsiooniga kaasneb vaheproduktide (HCl gaasi) moodustumine. Kui temperatuur tõuseb 1000 ℃-ni, paraneb SiC-katte tihedus märkimisväärselt. On näha, et suurem osa kattest koosneb SiC-teradest (suurusega umbes 4 μm), kuid leidub ka mõningaid kiulisi SiC-defekte, mis näitab, et SiC kasv sellel temperatuuril toimub endiselt suunatud ja kate pole ikka veel piisavalt tihe. Kui temperatuur tõuseb 1100 ℃-ni, on näha, et SiC-kate on väga tihe ja kiulised SiC-defektid on täielikult kadunud. Kate koosneb umbes 5–10 μm läbimõõduga tilgakujulistest SiC-osakestest, mis on tihedalt seotud. Osakeste pind on väga kare. See koosneb lugematutest nanoskaala SiC-teradest. Tegelikult on CVD-SiC kasvuprotsess 1100 ℃ juures muutunud massiülekandega kontrollitavaks. Substraadi pinnale adsorbeerunud väikestel molekulidel on piisavalt energiat ja aega, et tuumastuda ja kasvada SiC-teradeks. SiC-terad moodustavad ühtlaselt suuri tilku. Pinnaenergia mõjul on enamik tilkadest sfäärilised ja tilgad on tihedalt ühendatud, moodustades tiheda SiC-katte. Kui temperatuur tõuseb 1200 ℃-ni, muutub SiC-kate samuti tihedaks, kuid SiC morfoloogia muutub mitmeharuliseks ja katte pind tundub karedamaks. Kui temperatuur tõuseb 1300 ℃-ni, leidub grafiidi aluspinnal suur hulk umbes 3 μm läbimõõduga korrapäraseid sfäärilisi osakesi. Selle põhjuseks on asjaolu, et sellel temperatuuril on SiC muutunud gaasifaasi tuumastumiseks ja MTS lagunemiskiirus on väga kiire. Väikesed molekulid on reageerinud ja tuumastunud, moodustades SiC terasid enne, kui need adsorbeeruvad aluspinnale. Pärast terade sfääriliste osakeste moodustumist langevad need alla selle, mille tulemuseks on lahtine SiC osakeste kate halva tihedusega. Ilmselgelt ei saa tiheda SiC-katte moodustamise temperatuurina kasutada 1300 ℃. Põhjalik võrdlus näitab, et tiheda SiC-katte valmistamiseks on optimaalne CVD-sadestamise temperatuur 1100 ℃.
Joonis 3 näitab CVD SiC-katete sadestumiskiirust erinevatel sadestumistemperatuuridel. Sadestustemperatuuri tõustes SiC-katte sadestumiskiirus järk-järgult väheneb. Sadestumise kiirus temperatuuril 900 °C on 0,352 mg·h-1/mm2 ning kiudude suunatud kasv viib kiireima sadestumiskiiruseni. Suurima tihedusega katte sadestumiskiirus on 0,179 mg·h-1/mm2. Mõnede SiC-osakeste sadestumise tõttu on sadestumiskiirus temperatuuril 1300 °C madalaim, vaid 0,027 mg·h-1/mm2. Järeldus: Parim CVD-sadestamise temperatuur on 1100 ℃. Madal temperatuur soodustab SiC suunatud kasvu, samas kui kõrge temperatuur põhjustab SiC aurustumist ja hõreda kattekihi teket. Sadestamistemperatuuri tõustes sadestumiskiirus suureneb.CVD SiC-kateväheneb järk-järgult.
Postituse aeg: 26. mai 2025