Efecto de diferentes temperaturas no crecemento do revestimento de SiC por CVD

Que é o revestimento de SiC por CVD?

A deposición química de vapor (CVD) é un proceso de deposición ao baleiro que se emprega para producir materiais sólidos de alta pureza. Este proceso úsase a miúdo no campo da fabricación de semicondutores para formar películas finas na superficie das obleas. No proceso de preparación de carburo de silicio mediante CVD, o substrato expóñese a un ou máis precursores volátiles, que reaccionan quimicamente na superficie do substrato para depositar os depósitos de carburo de silicio desexados. Entre os moitos métodos para preparar materiais de carburo de silicio, os produtos preparados por deposición química de vapor teñen unha maior uniformidade e pureza, e este método ten unha forte controlabilidade do proceso. Os materiais de carburo de silicio CVD teñen unha combinación única de excelentes propiedades térmicas, eléctricas e químicas, o que os fai moi axeitados para o seu uso na industria dos semicondutores onde se requiren materiais de alto rendemento. Os compoñentes de carburo de silicio CVD úsanse amplamente en equipos de gravado, equipos MOCVD, equipos epitaxiales de Si e equipos epitaxiales de SiC, equipos de procesamento térmico rápido e outros campos.

Este artigo céntrase na análise da calidade das películas delgadas cultivadas a diferentes temperaturas de proceso durante a preparación deRevestimento CVD de SiC, para seleccionar a temperatura de proceso máis axeitada. O experimento emprega grafito como substrato e triclorometilsilano (MTS) como gas fonte de reacción. O revestimento de SiC deposítase mediante un proceso CVD a baixa presión e a micromorfoloxía doRevestimento CVD de SiCobsérvase mediante microscopía electrónica de varrido para analizar a súa densidade estrutural.

Debido a que a temperatura superficial do substrato de grafito é moi alta, o gas intermedio será desorbido e descargado da superficie do substrato e, finalmente, o C e o Si que quedan na superficie do substrato formarán SiC en fase sólida para formar un revestimento de SiC. Segundo o proceso de crecemento CVD-SiC anterior, pódese observar que a temperatura afectará a difusión do gas, a descomposición do MTS, a formación de pingas e a desorción e descarga do gas intermedio, polo que a temperatura de deposición xogará un papel fundamental na morfoloxía do revestimento de SiC. A morfoloxía microscópica do revestimento é a manifestación máis intuitiva da súa densidade. Polo tanto, é necesario estudar o efecto das diferentes temperaturas de deposición na morfoloxía microscópica do revestimento CVD de SiC. Dado que o MTS pode descompoñer e depositar revestimentos de SiC entre 900 e 1600 ℃, este experimento selecciona cinco temperaturas de deposición de 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃ e 1300 ℃ para a preparación do revestimento de SiC para estudar o efecto da temperatura no revestimento CVD-SiC. Os parámetros específicos móstranse na Táboa 3. A Figura 2 mostra a morfoloxía microscópica do revestimento CVD-SiC cultivado a diferentes temperaturas de deposición.

Cando a temperatura de deposición é de 900 ℃, todo o SiC medra en fibras. Pódese observar que o diámetro dunha soa fibra é duns 3,5 μm e a súa relación de aspecto é duns 3 (<10). Ademais, está composto por innumerables nanopartículas de SiC, polo que pertence a unha estrutura policristalina de SiC, que é diferente dos nanofíos de SiC tradicionais e dos bigotes de SiC monocristalino. Este SiC fibroso é un defecto estrutural causado por parámetros de proceso pouco razoables. Pódese observar que a estrutura deste revestimento de SiC é relativamente solta e hai un gran número de poros entre o SiC fibroso, e a densidade é moi baixa. Polo tanto, esta temperatura non é axeitada para a preparación de revestimentos densos de SiC. Normalmente, os defectos estruturais do SiC fibroso son causados ​​por unha temperatura de deposición demasiado baixa. A baixas temperaturas, as pequenas moléculas adsorbidas na superficie do substrato teñen baixa enerxía e pouca capacidade de migración. Polo tanto, as pequenas moléculas tenden a migrar e crecer ata a enerxía libre superficial máis baixa dos grans de SiC (como a punta do gran). O crecemento direccional continuo acaba formando defectos estruturais fibrosos de SiC.

Preparación do revestimento de SiC por CVD:

Primeiro, o substrato de grafito colócase nun forno de baleiro a alta temperatura e mantense a 1500 ℃ durante 1 h nunha atmosfera de Ar para a eliminación das cinzas. Despois, o bloque de grafito córtase nun bloque de 15x15x5 mm e a superficie do bloque de grafito líase con papel de lixa de malla 1200 para eliminar os poros superficiais que afectan á deposición de SiC. O bloque de grafito tratado lávase con etanol anhidro e auga destilada e logo colócase nun forno a 100 ℃ para o seu secado. Finalmente, o substrato de grafito colócase na zona de temperatura principal do forno tubular para a deposición de SiC. O diagrama esquemático do sistema de deposición química de vapor móstrase na Figura 1.

O/ARevestimento CVD de SiCobservouse mediante microscopía electrónica de varrido para analizar o tamaño e a densidade das partículas. Ademais, calculouse a taxa de deposición do revestimento de SiC segundo a seguinte fórmula: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Taxa de deposición; m2–masa da mostra de revestimento (mg); m1–masa do substrato (mg); Superficie S do substrato (mm2); t-o tempo de deposición (h).   A deposición química por CVD-SiC é relativamente complicada e o proceso pódese resumir do seguinte xeito: a alta temperatura, o MTS sofre unha descomposición térmica para formar pequenas moléculas de fonte de carbono e de fonte de silicio. As pequenas moléculas de fonte de carbono inclúen principalmente CH3, C2H2 e C2H4, e as pequenas moléculas de fonte de silicio inclúen principalmente SiCI2, SiCI3, etc.; estas pequenas moléculas de fonte de carbono e de fonte de silicio serán transportadas á superficie do substrato de grafito polo gas portador e o gas diluínte, e logo estas pequenas moléculas serán adsorbidas na superficie do substrato en forma de adsorción, e logo produciranse reaccións químicas entre as pequenas moléculas para formar pequenas pingas que crecen gradualmente, e as pingas tamén se fusionarán, e a reacción irá acompañada da formación de subprodutos intermedios (gas HCl); Cando a temperatura sobe a 1000 ℃, a densidade do revestimento de SiC mellora moito. Pódese observar que a maior parte do revestimento está composto por grans de SiC (duns 4 μm de tamaño), pero tamén se atopan algúns defectos fibrosos de SiC, o que demostra que aínda hai un crecemento direccional de SiC a esta temperatura e que o revestimento aínda non é o suficientemente denso. Cando a temperatura sobe a 1100 ℃, pódese observar que o revestimento de SiC é moi denso e os defectos fibrosos de SiC desapareceron por completo. O revestimento está composto por partículas de SiC en forma de gota cun diámetro duns 5~10 μm, que están fortemente combinadas. A superficie das partículas é moi rugosa. Está composto por innumerables grans de SiC a nanoescala. De feito, o proceso de crecemento CVD-SiC a 1100 ℃ converteuse en transferencia de masa controlada. As pequenas moléculas adsorbidas na superficie do substrato teñen enerxía e tempo suficientes para nuclear e crecer en grans de SiC. Os grans de SiC forman uniformemente gotas grandes. Baixo a acción da enerxía superficial, a maioría das pingas aparecen esféricas e están fortemente combinadas para formar un denso revestimento de SiC. Cando a temperatura sobe a 1200 ℃, o revestimento de SiC tamén é denso, pero a morfoloxía de SiC vólvese multi-estrelada e a superficie do revestimento parece máis rugosa. Cando a temperatura aumenta a 1300 ℃, atópase un gran número de partículas esféricas regulares cun diámetro duns 3 μm na superficie do substrato de grafito. Isto débese a que a esta temperatura, o SiC transformouse en nucleación en fase gasosa e a velocidade de descomposición MTS é moi rápida. As moléculas pequenas reaccionaron e nuclearon para formar grans de SiC antes de seren adsorbidos na superficie do substrato. Despois de que os grans formen partículas esféricas, caerán por debaixo, o que finalmente resultará nun revestimento de partículas de SiC soltas con baixa densidade. Obviamente, non se poden usar 1300 ℃ como temperatura de formación dun revestimento denso de SiC. Unha comparación exhaustiva mostra que se se vai preparar un revestimento denso de SiC, a temperatura óptima de deposición CVD é de 1100 ℃.

A figura 3 mostra a velocidade de deposición dos revestimentos de SiC por CVD a diferentes temperaturas de deposición. A medida que a temperatura de deposición aumenta, a velocidade de deposición do revestimento de SiC diminúe gradualmente. A velocidade de deposición a 900 °C é de 0,352 mg·h-1/mm2, e o crecemento direccional das fibras leva á velocidade de deposición máis rápida. A velocidade de deposición do revestimento coa maior densidade é de 0,179 mg·h-1/mm2. Debido á deposición dalgunhas partículas de SiC, a velocidade de deposición a 1300 °C é a máis baixa, só 0,027 mg·h-1/mm2.   Conclusión: A mellor temperatura de deposición CVD é de 1100 ℃. A baixa temperatura promove o crecemento direccional do SiC, mentres que a alta temperatura fai que o SiC produza deposición de vapor e dea lugar a un revestimento disperso. Co aumento da temperatura de deposición, a velocidade de deposición deRevestimento CVD de SiCdiminúe gradualmente.