تأثیر دماهای مختلف بر رشد پوشش SiC به روش CVD

پوشش SiC به روش CVD چیست؟

رسوب بخار شیمیایی (CVD) یک فرآیند رسوب‌گذاری در خلاء است که برای تولید مواد جامد با خلوص بالا استفاده می‌شود. این فرآیند اغلب در زمینه تولید نیمه‌هادی‌ها برای تشکیل لایه‌های نازک روی سطح ویفرها استفاده می‌شود. در فرآیند تهیه کاربید سیلیکون به روش CVD، زیرلایه در معرض یک یا چند پیش‌ساز فرار قرار می‌گیرد که به صورت شیمیایی روی سطح زیرلایه واکنش می‌دهند تا رسوبات کاربید سیلیکون مورد نظر رسوب کنند. در میان روش‌های متعدد تهیه مواد کاربید سیلیکون، محصولات تهیه شده با روش رسوب بخار شیمیایی یکنواختی و خلوص بالاتری دارند و این روش قابلیت کنترل فرآیند بالایی دارد. مواد کاربید سیلیکون CVD ترکیبی منحصر به فرد از خواص حرارتی، الکتریکی و شیمیایی عالی دارند که آنها را برای استفاده در صنعت نیمه هادی که در آن به مواد با کارایی بالا نیاز است، بسیار مناسب می کند. اجزای کاربید سیلیکون CVD به طور گسترده در تجهیزات اچینگ، تجهیزات MOCVD، تجهیزات اپیتاکسیال Si و تجهیزات اپیتاکسیال SiC، تجهیزات پردازش حرارتی سریع و سایر زمینه ها استفاده می شوند.

این مقاله بر تجزیه و تحلیل کیفیت لایه‌های نازک رشد یافته در دماهای مختلف فرآیند در طول آماده‌سازی تمرکز دارد.پوشش SiC به روش CVD، تا مناسب‌ترین دمای فرآیند انتخاب شود. در این آزمایش از گرافیت به عنوان زیرلایه و تری‌کلرومتیل‌سیلان (MTS) به عنوان گاز منبع واکنش استفاده می‌شود. پوشش SiC با فرآیند CVD کم‌فشار رسوب داده می‌شود و میکرومورفولوژی ...پوشش SiC به روش CVDبا میکروسکوپ الکترونی روبشی مشاهده می‌شود تا چگالی ساختاری آن تجزیه و تحلیل شود.

از آنجا که دمای سطح زیرلایه گرافیتی بسیار بالا است، گاز میانی از سطح زیرلایه دفع و تخلیه می‌شود و در نهایت C و Si باقی مانده روی سطح زیرلایه، فاز جامد SiC را تشکیل می‌دهند و پوشش SiC را تشکیل می‌دهند. با توجه به فرآیند رشد CVD-SiC فوق، می‌توان مشاهده کرد که دما بر انتشار گاز، تجزیه MTS، تشکیل قطرات و دفع و تخلیه گاز میانی تأثیر می‌گذارد، بنابراین دمای رسوب‌گذاری نقش کلیدی در مورفولوژی پوشش SiC ایفا می‌کند. مورفولوژی میکروسکوپی پوشش، شهودی‌ترین نمود چگالی پوشش است. بنابراین، لازم است تأثیر دماهای مختلف رسوب‌گذاری بر مورفولوژی میکروسکوپی پوشش SiC CVD بررسی شود. از آنجایی که MTS می‌تواند پوشش SiC را بین دمای 900 تا 1600 درجه سانتیگراد تجزیه و رسوب دهد، این آزمایش پنج دمای رسوب‌گذاری 900، 1000، 1100، 1200 و 1300 درجه سانتیگراد را برای تهیه پوشش SiC انتخاب می‌کند تا تأثیر دما بر پوشش CVD-SiC را بررسی کند. پارامترهای خاص در جدول 3 نشان داده شده است. شکل 2 مورفولوژی میکروسکوپی پوشش CVD-SiC رشد یافته در دماهای رسوب‌گذاری مختلف را نشان می‌دهد.

وقتی دمای رسوب‌گذاری ۹۰۰ درجه سانتیگراد باشد، تمام SiC به شکل الیاف رشد می‌کند. می‌توان مشاهده کرد که قطر یک الیاف حدود ۳.۵ میکرومتر و نسبت ابعاد آن حدود ۳ (<10) است. علاوه بر این، از ذرات نانو SiC بی‌شماری تشکیل شده است، بنابراین به ساختار SiC پلی کریستالی تعلق دارد که با نانوسیم‌های SiC سنتی و ویسکرهای SiC تک کریستالی متفاوت است. این SiC فیبری یک نقص ساختاری است که توسط پارامترهای فرآیند غیرمنطقی ایجاد می‌شود. می‌توان مشاهده کرد که ساختار این پوشش SiC نسبتاً سست است و تعداد زیادی منافذ بین SiC فیبری وجود دارد و چگالی بسیار کم است. بنابراین، این دما برای تهیه پوشش‌های SiC متراکم مناسب نیست. معمولاً نقص‌های ساختاری SiC فیبری ناشی از دمای رسوب‌گذاری بسیار پایین است. در دماهای پایین، مولکول‌های کوچک جذب شده روی سطح زیرلایه انرژی کم و توانایی مهاجرت ضعیفی دارند. بنابراین، مولکول‌های کوچک تمایل به مهاجرت و رشد به پایین‌ترین انرژی آزاد سطحی دانه‌های SiC (مانند نوک دانه) دارند. رشد جهت‌دار و پیوسته در نهایت باعث ایجاد نقص‌های ساختاری فیبری SiC می‌شود.

آماده سازی پوشش SiC به روش CVD:

ابتدا، زیرلایه گرافیتی در یک کوره خلاء با دمای بالا قرار داده می‌شود و به مدت ۱ ساعت در دمای ۱۵۰۰ درجه سانتیگراد در اتمسفر آرگون نگهداری می‌شود تا خاکستر آن حذف شود. سپس بلوک گرافیتی به بلوکی به ابعاد ۱۵x۱۵x۵ میلی‌متر برش داده می‌شود و سطح بلوک گرافیتی با کاغذ سنباده ۱۲۰۰ مش صیقل داده می‌شود تا منافذ سطحی که بر رسوب SiC تأثیر می‌گذارند، از بین بروند. بلوک گرافیتی فرآوری شده با اتانول بی‌آب و آب مقطر شسته می‌شود و سپس برای خشک شدن در آون با دمای ۱۰۰ درجه سانتیگراد قرار می‌گیرد. در نهایت، زیرلایه گرافیتی در ناحیه دمایی اصلی کوره لوله‌ای برای رسوب SiC قرار می‌گیرد. نمودار شماتیک سیستم رسوب بخار شیمیایی در شکل ۱ نشان داده شده است.

پوشش SiC به روش CVDبا استفاده از میکروسکوپ الکترونی روبشی، اندازه و چگالی ذرات آن بررسی شد. علاوه بر این، نرخ رسوب پوشش SiC طبق فرمول زیر محاسبه شد: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=نرخ رسوب‌گذاری؛ جرم نمونه پوشش (میلی‌گرم) - متر مربع؛ m1 - جرم زیرلایه (میلی‌گرم)؛ مساحت سطح زیرلایه (mm2)؛ t- زمان رسوب (h).   CVD-SiC نسبتاً پیچیده است و فرآیند را می‌توان به شرح زیر خلاصه کرد: در دمای بالا، MTS تحت تجزیه حرارتی قرار می‌گیرد و مولکول‌های کوچک منبع کربن و منبع سیلیکون را تشکیل می‌دهد. مولکول‌های کوچک منبع کربن عمدتاً شامل CH3، C2H2 و C2H4 هستند و مولکول‌های کوچک منبع سیلیکون عمدتاً شامل SiCI2، SiCI3 و غیره هستند. این مولکول‌های کوچک منبع کربن و منبع سیلیکون سپس توسط گاز حامل و گاز رقیق‌کننده به سطح زیرلایه گرافیتی منتقل می‌شوند و سپس این مولکول‌های کوچک به صورت جذب سطحی روی سطح زیرلایه جذب می‌شوند و سپس واکنش‌های شیمیایی بین مولکول‌های کوچک رخ می‌دهد تا قطرات کوچکی تشکیل شوند که به تدریج رشد می‌کنند و قطرات نیز با هم ترکیب می‌شوند و واکنش با تشکیل محصولات جانبی واسطه (گاز HCl) همراه خواهد بود. وقتی دما به ۱۰۰۰ درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد، چگالی پوشش SiC به میزان زیادی بهبود می‌یابد. مشاهده می‌شود که بیشتر پوشش از دانه‌های SiC (با اندازه حدود ۴ میکرومتر) تشکیل شده است، اما برخی از عیوب SiC فیبری نیز یافت می‌شوند که نشان می‌دهد در این دما هنوز رشد جهت‌دار SiC وجود دارد و پوشش هنوز به اندازه کافی متراکم نیست. وقتی دما به ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد، مشاهده می‌شود که پوشش SiC بسیار متراکم است و عیوب SiC فیبری کاملاً ناپدید شده‌اند. پوشش از ذرات SiC به شکل قطره با قطر حدود ۵ تا ۱۰ میکرومتر تشکیل شده است که به طور محکم به هم متصل شده‌اند. سطح ذرات بسیار ناهموار است. این پوشش از دانه‌های SiC در مقیاس نانو بی‌شماری تشکیل شده است. در واقع، فرآیند رشد CVD-SiC در دمای ۱۱۰۰ درجه سانتیگراد تحت کنترل انتقال جرم قرار گرفته است. مولکول‌های کوچک جذب شده روی سطح زیرلایه، انرژی و زمان کافی برای هسته‌زایی و رشد به صورت دانه‌های SiC را دارند. دانه‌های SiC به طور یکنواخت قطرات بزرگی را تشکیل می‌دهند. تحت تأثیر انرژی سطحی، بیشتر قطرات کروی به نظر می‌رسند و قطرات به شدت با هم ترکیب می‌شوند تا یک پوشش SiC متراکم تشکیل دهند. وقتی دما به ۱۲۰۰ درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد، پوشش SiC نیز متراکم می‌شود، اما مورفولوژی SiC چند لبه می‌شود و سطح پوشش ناهموارتر به نظر می‌رسد. وقتی دما به ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد افزایش می‌یابد، تعداد زیادی ذرات کروی منظم با قطر حدود ۳ میکرومتر روی سطح زیرلایه گرافیتی یافت می‌شوند. دلیل این امر این است که در این دما، SiC به هسته‌زایی فاز گازی تبدیل شده است و سرعت تجزیه MTS بسیار سریع است. مولکول‌های کوچک قبل از جذب شدن روی سطح زیرلایه، واکنش داده و هسته‌زایی کرده و دانه‌های SiC را تشکیل می‌دهند. پس از اینکه دانه‌ها ذرات کروی تشکیل دادند، به زیر آن سقوط می‌کنند و در نهایت منجر به پوشش ذرات SiC شل با چگالی ضعیف می‌شوند. بدیهی است که نمی‌توان از ۱۳۰۰ درجه سانتیگراد به عنوان دمای تشکیل پوشش SiC متراکم استفاده کرد. مقایسه جامع نشان می‌دهد که اگر قرار باشد پوشش SiC متراکم تهیه شود، دمای بهینه رسوب CVD 1100 درجه سانتیگراد است.

شکل 3 نرخ رسوب پوشش‌های SiC به روش CVD را در دماهای مختلف رسوب‌گذاری نشان می‌دهد. با افزایش دمای رسوب‌گذاری، نرخ رسوب پوشش SiC به تدریج کاهش می‌یابد. نرخ رسوب‌گذاری در دمای 900 درجه سانتی‌گراد 0.352 میلی‌گرم بر ساعت بر میلی‌متر مربع است و رشد جهت‌دار الیاف منجر به سریع‌ترین نرخ رسوب‌گذاری می‌شود. نرخ رسوب‌گذاری پوشش با بالاترین چگالی 0.179 میلی‌گرم بر ساعت بر میلی‌متر مربع است. به دلیل رسوب برخی از ذرات SiC، نرخ رسوب‌گذاری در دمای 1300 درجه سانتی‌گراد کمترین مقدار و تنها 0.027 میلی‌گرم بر ساعت بر میلی‌متر مربع است.   نتیجه‌گیری: بهترین دمای رسوب‌گذاری CVD، 1100 درجه سانتی‌گراد است. دمای پایین، رشد جهت‌دار SiC را افزایش می‌دهد، در حالی که دمای بالا باعث می‌شود SiC رسوب بخار ایجاد کند و منجر به پوشش پراکنده شود. با افزایش دمای رسوب‌گذاری، سرعت رسوب ...پوشش SiC به روش CVDبه تدریج کاهش می یابد.