Տարբեր ջերմաստիճանների ազդեցությունը CVD SiC ծածկույթի աճի վրա

Ի՞նչ է CVD SiC ծածկույթը:

Քիմիական գոլորշու նստեցումը (ՔԳՆ) վակուումային նստեցման գործընթաց է, որն օգտագործվում է բարձր մաքրության պինդ նյութեր ստանալու համար: Այս գործընթացը հաճախ օգտագործվում է կիսահաղորդչային արտադրության ոլորտում՝ թիթեղների մակերեսին բարակ թաղանթներ ձևավորելու համար: ՔԳՆ-ով սիլիցիումի կարբիդ պատրաստելու գործընթացում հիմքը ենթարկվում է մեկ կամ մի քանի ցնդող նախորդների, որոնք քիմիապես փոխազդում են հիմքի մակերեսին՝ նստեցնելով ցանկալի սիլիցիումի կարբիդի նստվածքները: Սիլիցիումի կարբիդային նյութեր պատրաստելու բազմաթիվ մեթոդներից քիմիական գոլորշու նստեցմամբ պատրաստված արտադրանքն ունի ավելի բարձր միատարրություն և մաքրություն, և այս մեթոդն ունի ուժեղ գործընթացի կառավարելիություն: CVD սիլիցիումի կարբիդային նյութերը ունեն գերազանց ջերմային, էլեկտրական և քիմիական հատկությունների եզակի համադրություն, ինչը դրանք դարձնում է շատ հարմար կիսահաղորդչային արդյունաբերության մեջ օգտագործման համար, որտեղ պահանջվում են բարձր արդյունավետության նյութեր: CVD սիլիցիումի կարբիդային բաղադրիչները լայնորեն կիրառվում են փորագրման սարքավորումներում, MOCVD սարքավորումներում, Si էպիտաքսիալ սարքավորումներում և SiC էպիտաքսիալ սարքավորումներում, արագ ջերմային մշակման սարքավորումներում և այլ ոլորտներում:

Այս հոդվածը կենտրոնանում է տարբեր գործընթացային ջերմաստիճաններում աճեցված բարակ թաղանթների որակի վերլուծության վրա՝ պատրաստման ընթացքում։CVD SiC ծածկույթ, որպեսզի ընտրվի ամենահարմար գործընթացի ջերմաստիճանը։ Փորձի համար գրաֆիտը օգտագործվում է որպես հիմք և եռքլորմեթիլսիլանը (MTS)՝ որպես ռեակցիայի աղբյուրի գազ։ SiC ծածկույթը նստեցվում է ցածր ճնշման CVD գործընթացով, և միկրոմորֆոլոգիանCVD SiC ծածկույթդիտարկվում է սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակով՝ դրա կառուցվածքային խտությունը վերլուծելու համար։

Քանի որ գրաֆիտային հիմքի մակերևույթի ջերմաստիճանը շատ բարձր է, միջանկյալ գազը կներծծվի և դուրս կգա հիմքի մակերևույթից, և վերջապես հիմքի մակերևույթին մնացած C-ն ու Si-ը կձևավորեն պինդ փուլի SiC՝ ձևավորելով SiC ծածկույթ: Վերոնշյալ CVD-SiC աճի գործընթացի համաձայն, կարելի է տեսնել, որ ջերմաստիճանը կազդի գազի դիֆուզիայի, MTS-ի քայքայման, կաթիլների առաջացման և միջանկյալ գազի դեսորբցիայի և դուրս մղման վրա, ուստի նստեցման ջերմաստիճանը կարևոր դեր կխաղա SiC ծածկույթի ձևաբանության մեջ: Ծածկույթի մանրադիտակային ձևաբանությունը ծածկույթի խտության ամենաինտուիտիվ դրսևորումն է: Հետևաբար, անհրաժեշտ է ուսումնասիրել տարբեր նստեցման ջերմաստիճանների ազդեցությունը CVD SiC ծածկույթի մանրադիտակային ձևաբանության վրա: Քանի որ MTS-ը կարող է քայքայվել և նստեցնել SiC ծածկույթը 900~1600℃ ջերմաստիճանում, այս փորձը SiC ծածկույթի պատրաստման համար ընտրում է հինգ նստեցման ջերմաստիճան՝ 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ և 1300℃՝ ջերմաստիճանի ազդեցությունը CVD-SiC ծածկույթի վրա ուսումնասիրելու համար: Հատուկ պարամետրերը ներկայացված են աղյուսակ 3-ում: Նկար 2-ը ցույց է տալիս տարբեր նստեցման ջերմաստիճաններում աճեցված CVD-SiC ծածկույթի մանրադիտակային ձևաբանությունը:

Երբ նստեցման ջերմաստիճանը 900℃ է, ամբողջ SiC-ը վերածվում է մանրաթելերի ձևերի: Կարելի է տեսնել, որ մեկ մանրաթելի տրամագիծը մոտ 3.5 մկմ է, իսկ դրա կողմերի հարաբերակցությունը՝ մոտ 3 (<10): Ավելին, այն կազմված է անթիվ նանոկիսիլային մասնիկներից, ուստի այն պատկանում է պոլիկրիստալային SiC կառուցվածքին, որը տարբերվում է ավանդական SiC նանոհաղորդիչներից և միաբյուրեղային SiC բեղիկներից: Այս մանրաթելային SiC-ն կառուցվածքային արատ է, որը պայմանավորված է անհիմն գործընթացային պարամետրերով: Կարելի է տեսնել, որ այս SiC ծածկույթի կառուցվածքը համեմատաբար թույլ է, և մանրաթելային SiC-ի միջև կան մեծ թվով ծակոտիներ, և խտությունը շատ ցածր է: Հետևաբար, այս ջերմաստիճանը հարմար չէ խիտ SiC ծածկույթների պատրաստման համար: Սովորաբար, մանրաթելային SiC կառուցվածքային արատները պայմանավորված են նստեցման չափազանց ցածր ջերմաստիճանով: Ցածր ջերմաստիճաններում հիմքի մակերեսին ադսորբված փոքր մոլեկուլները ունեն ցածր էներգիա և վատ միգրացիայի ունակություն: Հետևաբար, փոքր մոլեկուլները հակված են միգրացիայի և աճի դեպի SiC հատիկների ամենացածր մակերեսային ազատ էներգիան (օրինակ՝ հատիկի ծայրը): Շարունակական ուղղորդված աճը, ի վերջո, առաջացնում է մանրաթելային SiC կառուցվածքային արատներ:

CVD SiC ծածկույթի պատրաստում.

Նախ, գրաֆիտային հիմքը տեղադրվում է բարձր ջերմաստիճանի վակուումային վառարանում և պահվում է 1500℃ ջերմաստիճանում 1 ժամ Ar մթնոլորտում՝ մոխիրը հեռացնելու համար: Այնուհետև գրաֆիտային բլոկը կտրվում է 15x15x5 մմ չափսի բլոկների, և գրաֆիտային բլոկի մակերեսը հղկվում է 1200 մեխանիկով հղկաթուղթով՝ SiC-ի նստեցմանը ազդող մակերեսային ծակոտիները վերացնելու համար: Մշակված գրաֆիտային բլոկը լվանում է անջուր էթանոլով և թորած ջրով, ապա տեղադրվում է 100℃ ջերմաստիճանի վառարանում՝ չորացման համար: Վերջապես, գրաֆիտային հիմքը տեղադրվում է խողովակաձև վառարանի հիմնական ջերմաստիճանային գոտում՝ SiC նստեցման համար: Քիմիական գոլորշու նստեցման համակարգի սխեմատիկ դիագրամը ներկայացված է նկար 1-ում:

TheCVD SiC ծածկույթդիտարկվել է սկանավորող էլեկտրոնային մանրադիտակով՝ մասնիկների չափը և խտությունը վերլուծելու համար։ Բացի այդ, SiC ծածկույթի նստեցման արագությունը հաշվարկվել է ստորև բերված բանաձևով. VSiC=(մ²-մ²)/(Sxt)x100% VSiC=Նստվածքի արագություն; մ2 – ծածկույթի նմուշի զանգվածը (մգ); մ1 – հիմքի զանգվածը (մգ); S-հիմնվածքի մակերեսը (մմ2); t-ն նստեցման ժամանակն է (ժ)։   CVD-SiC-ը համեմատաբար բարդ է, և գործընթացը կարելի է ամփոփել հետևյալ կերպ. բարձր ջերմաստիճանում MTS-ը ենթարկվում է ջերմային քայքայման՝ առաջացնելով ածխածնի և սիլիցիումի փոքր մոլեկուլներ: Ածխածնի փոքր մոլեկուլները հիմնականում ներառում են CH3, C2H2 և C2H4, իսկ սիլիցիումի փոքր մոլեկուլները հիմնականում ներառում են SiCI2, SiCI3 և այլն: Այս ածխածնի և սիլիցիումի փոքր մոլեկուլները այնուհետև կտեղափոխվեն գրաֆիտային հիմքի մակերես կրող գազի և նոսրացուցիչ գազի միջոցով, որից հետո այդ փոքր մոլեկուլները կներծծվեն հիմքի մակերեսին՝ ադսորբցիայի տեսքով, որից հետո փոքր մոլեկուլների միջև տեղի կունենան քիմիական ռեակցիաներ՝ առաջացնելով փոքր կաթիլներ, որոնք աստիճանաբար մեծանում են, և կաթիլները նույնպես կմիանան, և ռեակցիան կուղեկցվի միջանկյալ ենթամթերքների (HCl գազ) առաջացմամբ: Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչև 1000 ℃, SiC ծածկույթի խտությունը զգալիորեն բարելավվում է: Կարելի է տեսնել, որ ծածկույթի մեծ մասը կազմված է SiC հատիկներից (մոտ 4 մկմ չափի), սակայն հայտնաբերվում են նաև որոշ մանրաթելային SiC թերություններ, ինչը ցույց է տալիս, որ այս ջերմաստիճանում SiC-ի ուղղորդված աճ դեռևս կա, և ծածկույթը դեռևս բավականաչափ խիտ չէ: Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչև 1100 ℃, կարելի է տեսնել, որ SiC ծածկույթը շատ խիտ է, և մանրաթելային SiC թերությունները լիովին անհետացել են: Ծածկույթը կազմված է մոտ 5~10 մկմ տրամագծով կաթիլաձև SiC մասնիկներից, որոնք սերտորեն միացված են: Մասնիկների մակերեսը շատ կոպիտ է: Այն կազմված է անթիվ նանոմասշտաբի SiC հատիկներից: Փաստորեն, CVD-SiC աճի գործընթացը 1100 ℃-ում դարձել է զանգվածի փոխանցման կառավարվող: Հիմքի մակերեսին ադսորբված փոքր մոլեկուլներն ունեն բավարար էներգիա և ժամանակ միջուկավորվելու և SiC հատիկների վերածվելու համար: SiC հատիկները միատարր կերպով առաջացնում են մեծ կաթիլներ: Մակերևութային էներգիայի ազդեցության տակ կաթիլների մեծ մասը գնդաձև է թվում, և կաթիլները սերտորեն միացված են՝ առաջացնելով խիտ SiC ծածկույթ։ Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչև 1200℃, SiC ծածկույթը նույնպես խիտ է դառնում, սակայն SiC ձևաբանությունը դառնում է բազմաշերտ, և ծածկույթի մակերեսը թվում է ավելի կոպիտ։ Երբ ջերմաստիճանը բարձրանում է մինչև 1300℃, գրաֆիտային հիմքի մակերեսին հայտնաբերվում են մեծ թվով կանոնավոր գնդաձև մասնիկներ՝ մոտ 3 մկմ տրամագծով։ Դա պայմանավորված է նրանով, որ այս ջերմաստիճանում SiC-ը վերածվել է գազային փուլի միջուկագոյացման, և MTS-ի քայքայման արագությունը շատ արագ է։ Փոքր մոլեկուլները ռեակցիայի մեջ են մտել և միջուկագոյացել՝ առաջացնելով SiC հատիկներ, նախքան հիմքի մակերեսին ադսորբվելը։ Հատիկները գնդաձև մասնիկներ ձևավորելուց հետո դրանք կընկնեն ներքև, ինչը ի վերջո կհանգեցնի թույլ SiC մասնիկային ծածկույթի՝ վատ խտությամբ։ Ակնհայտ է, որ 1300℃-ը չի կարող օգտագործվել որպես խիտ SiC ծածկույթի ձևավորման ջերմաստիճան։ Համապարփակ համեմատությունը ցույց է տալիս, որ եթե պետք է պատրաստել խիտ SiC ծածկույթ, ապա CVD նստեցման օպտիմալ ջերմաստիճանը 1100℃ է։

Նկար 3-ը ցույց է տալիս CVD SiC ծածկույթների նստեցման արագությունը տարբեր նստեցման ջերմաստիճաններում: Նստեցման ջերմաստիճանի բարձրացմանը զուգընթաց SiC ծածկույթի նստեցման արագությունը աստիճանաբար նվազում է: 900°C ջերմաստիճանում նստեցման արագությունը կազմում է 0.352 մգ·ժ-1/մմ2, իսկ մանրաթելերի ուղղորդված աճը հանգեցնում է նստեցման ամենաարագ արագությանը: Ամենաբարձր խտություն ունեցող ծածկույթի նստեցման արագությունը կազմում է 0.179 մգ·ժ-1/մմ2: Որոշ SiC մասնիկների նստեցման պատճառով 1300°C ջերմաստիճանում նստեցման արագությունը ամենացածրն է՝ ընդամենը 0.027 մգ·ժ-1/մմ2:   Եզրակացություն. Լավագույն CVD նստեցման ջերմաստիճանը 1100℃ է: Ցածր ջերմաստիճանը նպաստում է SiC-ի ուղղորդված աճին, մինչդեռ բարձր ջերմաստիճանը հանգեցնում է SiC-ի գոլորշիացմանը և հանգեցնում է նոսր ծածկույթի առաջացմանը: Նստեցման ջերմաստիճանի բարձրացման հետ մեկտեղ, նստեցման արագությունը նվազում է:CVD SiC ծածկույթաստիճանաբար նվազում է։