Mi az a CVD SiC bevonat?
A kémiai gőzfázisú leválasztás (CVD) egy vákuumos leválasztási eljárás, amelyet nagy tisztaságú szilárd anyagok előállítására használnak. Ezt az eljárást gyakran használják a félvezetőgyártás területén vékony filmek kialakítására a szeletek felületén. A szilícium-karbid CVD-vel történő előállítási folyamata során az aljzatot egy vagy több illékony prekurzornak teszik ki, amelyek kémiailag reagálnak az aljzat felületén, hogy a kívánt szilícium-karbid lerakódásokat képezzenek. A szilícium-karbid anyagok előállítására szolgáló számos módszer közül a kémiai gőzfázisú leválasztással előállított termékek nagyobb egyenletességgel és tisztasággal rendelkeznek, és ez a módszer erős folyamatszabályozhatósággal rendelkezik. A CVD szilícium-karbid anyagok kiváló termikus, elektromos és kémiai tulajdonságok egyedülálló kombinációjával rendelkeznek, így nagyon alkalmasak a félvezetőiparban való felhasználásra, ahol nagy teljesítményű anyagokra van szükség. A CVD szilícium-karbid alkatrészeket széles körben használják maratóberendezésekben, MOCVD berendezésekben, Si epitaxiális berendezésekben és SiC epitaxiális berendezésekben, gyors hőfeldolgozó berendezésekben és más területeken.
Ez a cikk a különböző folyamathőmérsékleteken növesztett vékonyrétegek minőségének elemzésére összpontosít az előállítás során.CVD SiC bevonat, hogy kiválasszák a legmegfelelőbb folyamathőmérsékletet. A kísérlet grafitot használ szubsztrátként és triklórmetil-szilánt (MTS) reakcióforrásként. A SiC bevonatot alacsony nyomású CVD eljárással választják le, és a mikromorfológiájaCVD SiC bevonatpásztázó elektronmikroszkóppal figyelik meg a szerkezeti sűrűségének elemzése céljából.
Mivel a grafithordozó felületi hőmérséklete nagyon magas, a köztes gáz deszorbeálódik és kiürül a hordozó felületéről, végül a hordozó felületén maradó C és Si szilárd fázisú SiC-t képez, létrehozva a SiC bevonatot. A fenti CVD-SiC növekedési folyamat szerint látható, hogy a hőmérséklet befolyásolja a gáz diffúzióját, az MTS bomlását, a cseppek képződését, valamint a köztes gáz deszorpcióját és kiürülését, így a leválasztási hőmérséklet kulcsszerepet játszik a SiC bevonat morfológiájában. A bevonat mikroszkopikus morfológiája a bevonat sűrűségének legintuitívabb megnyilvánulása. Ezért szükséges a különböző leválasztási hőmérsékletek hatásának vizsgálata a CVD SiC bevonat mikroszkopikus morfológiájára. Mivel az MTS 900–1600 °C között képes lebontani és lerakni a SiC bevonatot, ebben a kísérletben öt lerakódási hőmérsékletet választottak ki: 900 °C, 1000 °C, 1100 °C, 1200 °C és 1300 °C a SiC bevonat előállításához, hogy tanulmányozzák a hőmérséklet hatását a CVD-SiC bevonatra. A konkrét paramétereket a 3. táblázat mutatja. A 2. ábra a különböző lerakódási hőmérsékleteken növesztett CVD-SiC bevonat mikroszkópos morfológiáját mutatja.
Amikor a leválasztási hőmérséklet 900℃, az összes SiC szálak formájában növekszik. Látható, hogy egyetlen szál átmérője körülbelül 3,5 μm, oldalaránya pedig körülbelül 3 (<10). Ezenkívül számtalan nano-SiC részecskéből áll, így polikristályos SiC szerkezetbe tartozik, ami eltér a hagyományos SiC nanohuzaloktól és az egykristályos SiC tűkristályoktól. Ez a szálas SiC egy szerkezeti hiba, amelyet ésszerűtlen folyamatparaméterek okoznak. Látható, hogy ennek a SiC bevonatnak a szerkezete viszonylag laza, és a szálas SiC között nagyszámú pórus található, és a sűrűsége nagyon alacsony. Ezért ez a hőmérséklet nem alkalmas sűrű SiC bevonatok előállítására. A szálas SiC szerkezeti hibákat általában a túl alacsony leválasztási hőmérséklet okozza. Alacsony hőmérsékleten az aljzat felületén adszorbeált kis molekulák alacsony energiával és rossz migrációs képességgel rendelkeznek. Ezért a kis molekulák hajlamosak vándorolni és a SiC szemcsék legalacsonyabb felületi szabadenergiájához (például a szemcse csúcsához) növekedni. A folyamatos irányított növekedés végül szálas SiC szerkezeti hibákat hoz létre.
CVD SiC bevonat előkészítése:
Először a grafit hordozót egy magas hőmérsékletű vákuumkemencébe helyezik, és 1500 ℃-on tartják 1 órán át argonatmoszférában a hamu eltávolítása érdekében. Ezután a grafit tömböt 15x15x5 mm-es tömbökre vágják, és a grafit tömb felületét 1200-as mesh szemcseméretű csiszolópapírral polírozzák, hogy eltávolítsák a SiC lerakódását befolyásoló felületi pórusokat. A kezelt grafit tömböt vízmentes etanollal és desztillált vízzel mossák, majd 100 ℃-os kemencében szárítják. Végül a grafit hordozót a csőkemence fő hőmérsékleti zónájába helyezik a SiC lerakódása céljából. A kémiai gőzfázisú leválasztó rendszer vázlatos rajza az 1. ábrán látható.
ACVD SiC bevonatpásztázó elektronmikroszkóppal megfigyelték a részecskeméret és sűrűség elemzése céljából. Ezenkívül a SiC bevonat lerakódási sebességét az alábbi képlettel számították ki: VSiC=(m²-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Lerakódási sebesség; m2 – a bevonatminta tömege (mg); m1 – az aljzat tömege (mg); Az aljzat S-felülete (mm2); t - a lerakódási idő (h). A CVD-SiC viszonylag bonyolult, és a folyamat a következőképpen foglalható össze: magas hőmérsékleten az MTS termikus bomláson megy keresztül, szénforrásként és szilíciumforrásként kis molekulákat képezve. A szénforrásként szolgáló kis molekulák főként CH3, C2H2 és C2H4, a szilíciumforrásként szolgáló kis molekulák pedig főként SiCI2, SiCI3 stb.; ezeket a szénforrásként és szilíciumforrásként szolgáló kis molekulákat a vivőgáz és a hígítógáz a grafithordozó felületére szállítja, majd ezek a kis molekulák adszorpció formájában adszorbeálódnak a hordozó felületén, majd kémiai reakciók mennek végbe a kis molekulák között, kis cseppeket képezve, amelyek fokozatosan növekednek, és a cseppek összeolvadnak, a reakciót pedig közbenső melléktermékek (HCl gáz) képződése kíséri. Amikor a hőmérséklet 1000 ℃-ra emelkedik, a SiC bevonat sűrűsége jelentősen megnő. Látható, hogy a bevonat nagy részét SiC szemcsék (kb. 4 μm méretűek) alkotják, de néhány rostos SiC hiba is található, ami azt mutatja, hogy ezen a hőmérsékleten továbbra is irányított SiC növekedés tapasztalható, és a bevonat még mindig nem elég sűrű. Amikor a hőmérséklet 1100 ℃-ra emelkedik, látható, hogy a SiC bevonat nagyon sűrű, és a rostos SiC hibák teljesen eltűnnek. A bevonat csepp alakú, körülbelül 5-10 μm átmérőjű SiC részecskékből áll, amelyek szorosan összefonódnak. A részecskék felülete nagyon érdes. Számtalan nanoméretű SiC szemcséből áll. Valójában a CVD-SiC növekedési folyamat 1100 ℃-on tömegátadás-vezéreltté vált. A szubsztrátum felületén adszorbeált kis molekulák elegendő energiával és idővel rendelkeznek ahhoz, hogy nukleációt képezzenek és SiC szemcsékké növekedjenek. A SiC szemcsék egyenletesen nagy cseppeket alkotnak. A felületi energia hatására a cseppek többsége gömb alakúnak tűnik, és a cseppek szorosan összetapadnak, sűrű SiC bevonatot képezve. Amikor a hőmérséklet 1200 ℃-ra emelkedik, a SiC bevonat szintén sűrűvé válik, de a SiC morfológiája többszörösen bordázottá válik, és a bevonat felülete durvábbnak tűnik. Amikor a hőmérséklet 1300 ℃-ra emelkedik, nagyszámú, körülbelül 3 μm átmérőjű, szabályos gömb alakú részecske található a grafithordozó felületén. Ez azért van, mert ezen a hőmérsékleten a SiC gázfázisú nukleációvá alakult, és az MTS bomlási sebessége nagyon gyors. A kis molekulák reagáltak és nukleálódtak, SiC szemcséket képezve, mielőtt azok adszorbeálódtak volna a hordozó felületén. Miután a szemcsék gömb alakú részecskéket képeztek, ez alá süllyednek, ami végül egy laza, rossz sűrűségű SiC részecske bevonatot eredményez. Nyilvánvaló, hogy az 1300 ℃ nem használható sűrű SiC bevonat kialakítási hőmérsékleteként. Az átfogó összehasonlítás azt mutatja, hogy ha sűrű SiC bevonatot kell előállítani, az optimális CVD leválasztási hőmérséklet 1100 ℃.
A 3. ábra a CVD SiC bevonatok lerakódási sebességét mutatja különböző lerakódási hőmérsékletek mellett. A lerakódási hőmérséklet növekedésével a SiC bevonat lerakódási sebessége fokozatosan csökken. A lerakódási sebesség 900°C-on 0,352 mg·h-1/mm2, és a szálak irányított növekedése vezet a leggyorsabb lerakódási sebességhez. A legnagyobb sűrűségű bevonat lerakódási sebessége 0,179 mg·h-1/mm2. Egyes SiC részecskék lerakódása miatt az 1300°C-on mért lerakódási sebesség a legalacsonyabb, mindössze 0,027 mg·h-1/mm2. Következtetés: A legjobb CVD leválasztási hőmérséklet 1100 ℃. Az alacsony hőmérséklet elősegíti a SiC irányított növekedését, míg a magas hőmérséklet a SiC gőzölgőzös lerakódását okozza, és ritka bevonatot eredményez. A leválasztási hőmérséklet növekedésével a leválasztási sebesség...CVD SiC bevonatfokozatosan csökken.
Közzététel ideje: 2025. május 26.