Apa itu pelapisan CVD SiC?
Chemical vapor deposition (CVD) adalah proses deposisi vakum yang digunakan untuk menghasilkan material padat dengan kemurnian tinggi. Proses ini sering digunakan di bidang manufaktur semikonduktor untuk membentuk lapisan tipis pada permukaan wafer. Dalam proses pembuatan silikon karbida dengan CVD, substrat terpapar satu atau lebih prekursor volatil, yang bereaksi secara kimia pada permukaan substrat untuk mengendapkan lapisan silikon karbida yang diinginkan. Di antara banyak metode untuk menyiapkan material silikon karbida, produk yang dibuat dengan CVD memiliki keseragaman dan kemurnian yang lebih tinggi, dan metode ini memiliki kontrol proses yang kuat. Material silikon karbida CVD memiliki kombinasi unik dari sifat termal, listrik, dan kimia yang sangat baik, sehingga sangat cocok untuk digunakan dalam industri semikonduktor yang membutuhkan material berkinerja tinggi. Komponen silikon karbida CVD banyak digunakan dalam peralatan etsa, peralatan MOCVD, peralatan epitaksi Si dan peralatan epitaksi SiC, peralatan pemrosesan termal cepat, dan bidang lainnya.
Artikel ini berfokus pada analisis kualitas film tipis yang ditumbuhkan pada suhu proses yang berbeda selama persiapanLapisan SiC CVD, sehingga dapat memilih suhu proses yang paling tepat. Percobaan ini menggunakan grafit sebagai substrat dan triklorometilsilana (MTS) sebagai gas sumber reaksi. Lapisan SiC diendapkan dengan proses CVD tekanan rendah, dan mikromorfologi dariLapisan SiC CVDdiamati dengan mikroskop elektron pemindaian untuk menganalisis kepadatan strukturnya.
Karena suhu permukaan substrat grafit sangat tinggi, gas perantara akan terdesorpsi dan dikeluarkan dari permukaan substrat, dan akhirnya C dan Si yang tersisa di permukaan substrat akan membentuk fase padat SiC untuk membentuk lapisan SiC. Menurut proses pertumbuhan CVD-SiC di atas, dapat dilihat bahwa suhu akan memengaruhi difusi gas, dekomposisi MTS, pembentukan tetesan, serta desorpsi dan pengeluaran gas perantara, sehingga suhu deposisi akan memainkan peran kunci dalam morfologi lapisan SiC. Morfologi mikroskopis lapisan merupakan manifestasi paling intuitif dari kepadatan lapisan. Oleh karena itu, perlu untuk mempelajari pengaruh suhu deposisi yang berbeda terhadap morfologi mikroskopis lapisan SiC CVD. Karena MTS dapat terurai dan mengendapkan lapisan SiC antara 900~1600℃, percobaan ini memilih lima suhu pengendapan yaitu 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ dan 1300℃ untuk pembuatan lapisan SiC guna mempelajari pengaruh suhu pada lapisan CVD-SiC. Parameter spesifiknya ditunjukkan pada Tabel 3. Gambar 2 menunjukkan morfologi mikroskopis lapisan CVD-SiC yang tumbuh pada suhu pengendapan yang berbeda.
Ketika suhu deposisi mencapai 900℃, semua SiC tumbuh menjadi bentuk serat. Terlihat bahwa diameter serat tunggal sekitar 3,5μm, dan rasio aspeknya sekitar 3 (<10). Selain itu, serat ini terdiri dari partikel nano-SiC yang tak terhitung jumlahnya, sehingga termasuk dalam struktur SiC polikristalin, yang berbeda dari nanowire SiC tradisional dan whisker SiC kristal tunggal. SiC berserat ini merupakan cacat struktural yang disebabkan oleh parameter proses yang tidak tepat. Terlihat bahwa struktur lapisan SiC ini relatif longgar, dan terdapat banyak pori di antara SiC berserat, dan densitasnya sangat rendah. Oleh karena itu, suhu ini tidak cocok untuk pembuatan lapisan SiC yang padat. Biasanya, cacat struktural SiC berserat disebabkan oleh suhu deposisi yang terlalu rendah. Pada suhu rendah, molekul kecil yang teradsorpsi pada permukaan substrat memiliki energi rendah dan kemampuan migrasi yang buruk. Oleh karena itu, molekul kecil cenderung bermigrasi dan tumbuh ke energi bebas permukaan terendah dari butiran SiC (seperti ujung butiran). Pertumbuhan terarah yang berkelanjutan pada akhirnya membentuk cacat struktural SiC berserat.
Persiapan Pelapisan SiC CVD:
Pertama, substrat grafit ditempatkan dalam tungku vakum suhu tinggi dan dijaga pada suhu 1500℃ selama 1 jam dalam atmosfer Ar untuk menghilangkan abu. Kemudian blok grafit dipotong menjadi blok berukuran 15x15x5mm, dan permukaan blok grafit dipoles dengan amplas 1200 mesh untuk menghilangkan pori-pori permukaan yang memengaruhi pengendapan SiC. Blok grafit yang telah diolah dicuci dengan etanol anhidrat dan air suling, lalu ditempatkan dalam oven pada suhu 100℃ untuk pengeringan. Terakhir, substrat grafit ditempatkan di zona suhu utama tungku tubular untuk pengendapan SiC. Diagram skematik sistem pengendapan uap kimia ditunjukkan pada Gambar 1.
ItuLapisan SiC CVDDiamati dengan mikroskop elektron pemindaian untuk menganalisis ukuran dan kepadatan partikelnya. Selain itu, laju pengendapan lapisan SiC dihitung berdasarkan rumus di bawah ini: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = Tingkat pengendapan; m2 – massa sampel lapisan (mg); m1 – massa substrat (mg); S - luas permukaan substrat (mm2); t - waktu pengendapan (jam). CVD-SiC relatif rumit, dan prosesnya dapat diringkas sebagai berikut: pada suhu tinggi, MTS akan mengalami dekomposisi termal untuk membentuk molekul kecil sumber karbon dan sumber silikon. Molekul kecil sumber karbon terutama meliputi CH3, C2H2, dan C2H4, dan molekul kecil sumber silikon terutama meliputi SiCl2, SiCl3, dll.; molekul kecil sumber karbon dan sumber silikon ini kemudian akan diangkut ke permukaan substrat grafit oleh gas pembawa dan gas pengencer, dan kemudian molekul-molekul kecil ini akan teradsorpsi pada permukaan substrat dalam bentuk adsorpsi, dan kemudian reaksi kimia akan terjadi antara molekul-molekul kecil untuk membentuk tetesan kecil yang secara bertahap tumbuh, dan tetesan tersebut juga akan menyatu, dan reaksi tersebut akan disertai dengan pembentukan produk sampingan perantara (gas HCl); Ketika suhu naik hingga 1000 ℃, kepadatan lapisan SiC meningkat pesat. Terlihat bahwa sebagian besar lapisan terdiri dari butiran SiC (berukuran sekitar 4μm), tetapi beberapa cacat SiC berserat juga ditemukan, yang menunjukkan bahwa masih ada pertumbuhan SiC terarah pada suhu ini, dan lapisan masih belum cukup padat. Ketika suhu naik hingga 1100 ℃, terlihat bahwa lapisan SiC sangat padat, dan cacat SiC berserat telah sepenuhnya hilang. Lapisan tersebut terdiri dari partikel SiC berbentuk tetesan dengan diameter sekitar 5~10μm, yang terikat erat. Permukaan partikel sangat kasar. Lapisan tersebut terdiri dari butiran SiC skala nano yang tak terhitung jumlahnya. Faktanya, proses pertumbuhan CVD-SiC pada 1100 ℃ telah menjadi terkontrol oleh transfer massa. Molekul-molekul kecil yang terserap pada permukaan substrat memiliki energi dan waktu yang cukup untuk menukleasi dan tumbuh menjadi butiran SiC. Butiran SiC secara seragam membentuk tetesan besar. Di bawah pengaruh energi permukaan, sebagian besar tetesan tampak berbentuk bola, dan tetesan-tetesan tersebut bergabung erat membentuk lapisan SiC yang padat. Ketika suhu naik hingga 1200℃, lapisan SiC juga padat, tetapi morfologi SiC menjadi berlekuk-lekuk dan permukaan lapisan tampak lebih kasar. Ketika suhu meningkat hingga 1300℃, sejumlah besar partikel bulat teratur dengan diameter sekitar 3μm ditemukan di permukaan substrat grafit. Hal ini karena pada suhu ini, SiC telah berubah menjadi nukleasi fase gas, dan laju dekomposisi MTS sangat cepat. Molekul-molekul kecil telah bereaksi dan mengalami nukleasi untuk membentuk butiran SiC sebelum terserap pada permukaan substrat. Setelah butiran membentuk partikel bulat, butiran tersebut akan jatuh ke bawah, akhirnya menghasilkan lapisan partikel SiC yang longgar dengan kepadatan yang buruk. Jelas, 1300℃ tidak dapat digunakan sebagai suhu pembentukan lapisan SiC yang padat. Perbandingan komprehensif menunjukkan bahwa jika lapisan SiC yang padat akan dibuat, suhu deposisi CVD yang optimal adalah 1100℃.
Gambar 3 menunjukkan laju deposisi lapisan SiC CVD pada suhu deposisi yang berbeda. Seiring peningkatan suhu deposisi, laju deposisi lapisan SiC secara bertahap menurun. Laju deposisi pada 900°C adalah 0,352 mg·h⁻¹/mm², dan pertumbuhan serat yang terarah menghasilkan laju deposisi tercepat. Laju deposisi lapisan dengan kepadatan tertinggi adalah 0,179 mg·h⁻¹/mm². Karena deposisi beberapa partikel SiC, laju deposisi pada 1300°C adalah yang terendah, hanya 0,027 mg·h⁻¹/mm². Kesimpulan: Suhu deposisi CVD terbaik adalah 1100℃. Suhu rendah mendorong pertumbuhan SiC yang terarah, sedangkan suhu tinggi menyebabkan SiC menghasilkan deposisi uap dan menghasilkan lapisan yang jarang. Dengan peningkatan suhu deposisi, laju deposisiLapisan SiC CVDberkurang secara bertahap.
Waktu posting: 26 Mei 2025