Eri lämpötilojen vaikutus CVD-piikarbidipinnoitteen kasvuun

Mikä on CVD-siikarbidipinnoite?

Kemiallinen höyrypinnoitus (CVD) on tyhjiöpinnoitusprosessi, jota käytetään erittäin puhtaiden kiinteiden materiaalien valmistukseen. Tätä prosessia käytetään usein puolijohdevalmistuksessa ohuiden kalvojen muodostamiseen kiekkojen pinnalle. Piikarbidin CVD-valmistusprosessissa substraatti altistetaan yhdelle tai useammalle haihtuvalle esiasteelle, jotka reagoivat kemiallisesti substraatin pinnalla haluttujen piikarbidikerrostumien kerrostamiseksi. Monien piikarbidimateriaalien valmistusmenetelmien joukossa kemiallisella höyrypinnoituksella valmistetuilla tuotteilla on korkeampi tasaisuus ja puhtaus, ja tällä menetelmällä on hyvä prosessin hallittavuus. CVD-piikarbidimateriaaleilla on ainutlaatuinen yhdistelmä erinomaisia ​​lämpö-, sähkö- ja kemiallisia ominaisuuksia, minkä ansiosta ne soveltuvat erittäin hyvin puolijohdeteollisuuteen, jossa vaaditaan korkean suorituskyvyn omaavia materiaaleja. CVD-piikarbidikomponentteja käytetään laajalti etsauslaitteissa, MOCVD-laitteissa, pii- ja piikarbidiepitaksialaitteissa, nopean lämpökäsittelyn laitteissa ja muilla aloilla.

Tämä artikkeli keskittyy eri prosessilämpötiloissa kasvatettujen ohutkalvojen laadun analysointiin valmistuksen aikana.CVD-piikarbidipinnoite, jotta voidaan valita sopivin prosessilämpötila. Kokeessa käytetään grafiittia substraattina ja trikloorimetyylisilaania (MTS) reaktion lähdekaasuna. SiC-pinnoite kerrostetaan matalapaineisella CVD-prosessilla, ja sen mikromorfologiaCVD-piikarbidipinnoitehavaitaan pyyhkäisyelektronimikroskopialla sen rakenteellisen tiheyden analysoimiseksi.

Koska grafiittisubstraatin pintalämpötila on erittäin korkea, välituotekaasu desorboituu ja poistuu substraatin pinnalta, ja lopulta substraatin pinnalle jääneet hiili ja pii muodostavat kiinteän faasin piikarbidia (SiC) ja piikarbidipinnoitetta. Edellä mainitun CVD-SiC-kasvuprosessin mukaan voidaan nähdä, että lämpötila vaikuttaa kaasun diffuusioon, MTS:n hajoamiseen, pisaroiden muodostumiseen sekä välituotekaasun desorptioon ja purkautumiseen, joten laskeutumislämpötilalla on keskeinen rooli piikarbidipinnoitteen morfologiassa. Pinnoitteen mikroskooppinen morfologia on pinnoitteen tiheyden intuitiivisin ilmentymä. Siksi on tarpeen tutkia eri laskeutumislämpötilojen vaikutusta CVD-SiC-pinnoitteen mikroskooppiseen morfologiaan. Koska MTS voi hajottaa ja kerrostaa piikarbidipinnoitetta 900–1600 ℃:n lämpötilassa, tässä kokeessa valitaan viisi kerrostuslämpötilaa: 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃ ja 1300 ℃ piikarbidipinnoitteen valmistamiseksi, jotta voidaan tutkia lämpötilan vaikutusta CVD-piikarbidipinnoitteeseen. Tarkat parametrit on esitetty taulukossa 3. Kuva 2 esittää eri kerrostuslämpötiloissa kasvatetun CVD-piikarbidipinnoitteen mikroskooppisen morfologian.

Kun laskeutumislämpötila on 900 ℃, kaikki piikarbidi (SiC) kasvaa kuitumuotoon. Yksittäisen kuidun halkaisija on noin 3,5 μm ja sivusuhde noin 3 (<10). Lisäksi se koostuu lukemattomista nano-SiC-hiukkasista, joten se kuuluu polykiteiseen piikarbidirakenteeseen, joka eroaa perinteisistä piikarbidin nanolangoista ja yksikiteisistä piikarbidin viiksistä. Tämä kuituinen piikarbidi on rakenteellinen vika, joka johtuu kohtuuttomista prosessiparametreista. Voidaan nähdä, että tämän piikarbidipinnoitteen rakenne on suhteellisen löysä, ja kuituisen piikarbidin välissä on suuri määrä huokosia, ja tiheys on hyvin alhainen. Siksi tämä lämpötila ei sovellu tiheiden piikarbidipinnoitteiden valmistukseen. Yleensä kuituisen piikarbidin rakenneviat johtuvat liian alhaisesta laskeutumislämpötilasta. Matalissa lämpötiloissa substraatin pinnalle adsorboituneilla pienillä molekyyleillä on alhainen energia ja heikko siirtymiskyky. Siksi pienet molekyylit pyrkivät siirtymään ja kasvamaan piikarbidirakeiden alhaisimpaan vapaaseen pintaenergiaan (kuten jyvän kärkeen). Jatkuva suuntaava kasvu muodostaa lopulta kuituisen piikarbidin rakennevikoja.

CVD-piikarbidipinnoitteen valmistus:

Ensin grafiittisubstraatti asetetaan korkean lämpötilan tyhjiöuuniin ja pidetään 1500 ℃:ssa 1 tunnin ajan argonatmosfäärissä tuhkan poistamiseksi. Sitten grafiittilohko leikataan 15x15x5 mm:n lohkoksi ja grafiittilohkon pinta kiillotetaan 1200-meshin hiekkapaperilla piikarbidin kerrostumista haittaavien pintahuokosten poistamiseksi. Käsitelty grafiittilohko pestään vedettömällä etanolilla ja tislatulla vedellä ja asetetaan sitten 100 ℃:n uuniin kuivattavaksi. Lopuksi grafiittisubstraatti asetetaan putkimaisen uunin päälämpötilavyöhykkeelle piikarbidin kerrostusta varten. Kemiallisen höyrypinnoitusjärjestelmän kaaviokuva on esitetty kuvassa 1.

TheCVD-piikarbidipinnoitetutkittiin pyyhkäisyelektronimikroskopialla sen hiukkaskoon ja tiheyden analysoimiseksi. Lisäksi piikarbidipinnoitteen laskeutumisnopeus laskettiin seuraavan kaavan mukaisesti: VSiC=(m² - m³)/(Sxt)x100 % VSiC = laskeutumisnopeus; m2 – pinnoitenäytteen massa (mg); m1 – substraatin massa (mg); Substraatin S-pinta-ala (mm2); t - laskeutumisaika (h).   CVD-SiC on suhteellisen monimutkainen prosessi, ja se voidaan tiivistää seuraavasti: korkeassa lämpötilassa MTS hajoaa lämpöhajoamalla muodostaen hiilen lähteenä ja piin lähteenä toimivia pieniä molekyylejä. Hiilen lähteenä toimivia pieniä molekyylejä ovat pääasiassa CH3, C2H2 ja C2H4, ja piin lähteenä toimivia pieniä molekyylejä ovat pääasiassa SiCI2, SiCI3 jne. Nämä hiilen lähteenä ja piin lähteenä toimivat pienet molekyylit kulkeutuvat sitten kantokaasun ja laimennuskaasun avulla grafiittialustan pinnalle, ja sitten nämä pienet molekyylit adsorboituvat alustan pinnalle adsorption muodossa, ja sitten pienten molekyylien välillä tapahtuu kemiallisia reaktioita muodostaen pieniä pisaroita, jotka vähitellen kasvavat, ja pisarat myös fuusioituvat, ja reaktioon liittyy välituotteiden (HCl-kaasu) muodostuminen. Kun lämpötila nousee 1000 ℃:een, piikarbidipinnoitteen tiheys paranee huomattavasti. Voidaan nähdä, että suurin osa pinnoitteesta koostuu piikarbidirakeista (noin 4 μm kokoisia), mutta siinä havaitaan myös joitakin kuitumaisia ​​piikarbidivirheitä, mikä osoittaa, että piikarbidin kasvu on edelleen suuntaavaa tässä lämpötilassa, eikä pinnoite ole vieläkään riittävän tiheä. Kun lämpötila nousee 1100 ℃:een, voidaan nähdä, että piikarbidipinnoite on erittäin tiheä ja kuitumaiset piikarbidivirheet ovat kokonaan kadonneet. Pinnoite koostuu pisaranmuotoisista piikarbidihiukkasista, joiden halkaisija on noin 5–10 μm ja jotka ovat tiiviisti yhteydessä toisiinsa. Hiukkasten pinta on hyvin karkea. Se koostuu lukemattomista nanomittakaavan piikarbidirakeista. Itse asiassa CVD-piikarbidin kasvuprosessi 1100 ℃:ssa on massansiirto-ohjattua. Substraatin pinnalle adsorboituneilla pienillä molekyyleillä on riittävästi energiaa ja aikaa ydintymiseen ja kasvamiseen piikarbidirakeiksi. Piikarbidirakeet muodostavat tasaisesti suuria pisaroita. Pintaenergian vaikutuksesta useimmat pisarat näyttävät pallomaisilta, ja pisarat ovat tiiviisti yhdistyneet muodostaen tiheän piikarbidipinnoitteen. Kun lämpötila nousee 1200 ℃:een, piikarbidipinnoite on myös tiheä, mutta piikarbidimorfologiasta tulee moniharjainen ja pinnoitteen pinta näyttää karheammalta. Kun lämpötila nousee 1300 ℃:een, grafiittisubstraatin pinnalla esiintyy suuri määrä säännöllisiä pallomaisia ​​hiukkasia, joiden halkaisija on noin 3 μm. Tämä johtuu siitä, että tässä lämpötilassa piikarbidi on muuttunut kaasufaasinukleaatioksi, ja MTS:n hajoamisnopeus on erittäin nopea. Pienet molekyylit ovat reagoineet ja nukleoituneet muodostaen piikarbidirakeita ennen kuin ne adsorboituvat substraatin pintaan. Kun rakeet ovat muodostaneet pallomaisia ​​hiukkasia, ne laskevat tämän alapuolelle, mikä lopulta johtaa löysään piikarbidihiukkaspinnoitteeseen, jonka tiheys on heikko. On selvää, että 1300 ℃:aa ei voida käyttää tiheän piikarbidipinnoitteen muodostumislämpötilana. Kattava vertailu osoittaa, että jos on tarkoitus valmistaa tiheää piikarbidipinnoitetta, optimaalinen CVD-laskeutumislämpötila on 1100 ℃.

Kuva 3 esittää CVD-piikarbidipinnoitteiden laskeutumisnopeutta eri laskeutumislämpötiloissa. Lämpötilan noustessa piikarbidipinnoitteen laskeutumisnopeus laskee vähitellen. 900 °C:ssa laskeutumisnopeus on 0,352 mg·h-1/mm2, ja kuitujen suunnattu kasvu johtaa nopeimpaan laskeutumisnopeuteen. Tiheimmän pinnoitteen laskeutumisnopeus on 0,179 mg·h-1/mm2. Joidenkin piikarbidihiukkasten laskeutumisen vuoksi laskeutumisnopeus 1300 °C:ssa on pienin, vain 0,027 mg·h-1/mm2.   Johtopäätös: Paras CVD-pinnoituslämpötila on 1100 ℃. Alhainen lämpötila edistää piikarbidin suunnattua kasvua, kun taas korkea lämpötila aiheuttaa piikarbidin höyrystymistä ja johtaa harvaan pinnoitteeseen. Pinnoituslämpötilan noustessa pinnoitusnopeus kasvaa.CVD-piikarbidipinnoitevähitellen vähenee.