Pengaruh Temperatur Berbeda terhadap Pertumbuhan Lapisan SiC CVD

Apa itu Pelapisan CVD SiC?

Deposisi uap kimia (CVD) adalah proses deposisi vakum yang digunakan untuk menghasilkan material padat dengan kemurnian tinggi. Proses ini sering digunakan dalam bidang manufaktur semikonduktor untuk membentuk lapisan tipis pada permukaan wafer. Dalam proses penyiapan silikon karbida dengan CVD, substrat terpapar pada satu atau lebih prekursor volatil, yang bereaksi secara kimia pada permukaan substrat untuk mengendapkan endapan silikon karbida yang diinginkan. Di antara banyak metode untuk menyiapkan material silikon karbida, produk yang disiapkan dengan deposisi uap kimia memiliki keseragaman dan kemurnian yang lebih tinggi, dan metode ini memiliki pengendalian proses yang kuat. Bahan karbida silikon CVD memiliki kombinasi unik antara sifat termal, listrik, dan kimia yang sangat baik, sehingga sangat cocok untuk digunakan dalam industri semikonduktor yang membutuhkan bahan berkinerja tinggi. Komponen karbida silikon CVD banyak digunakan dalam peralatan etsa, peralatan MOCVD, peralatan epitaksial Si dan peralatan epitaksial SiC, peralatan pemrosesan termal cepat, dan bidang lainnya.

Artikel ini berfokus pada analisis kualitas film tipis yang tumbuh pada suhu proses yang berbeda selama persiapanPelapisan CVD SiC, untuk memilih suhu proses yang paling tepat. Percobaan ini menggunakan grafit sebagai substrat dan triklorometilsilana (MTS) sebagai gas sumber reaksi. Lapisan SiC diendapkan melalui proses CVD tekanan rendah, dan mikromorfologiPelapisan CVD SiCdiamati dengan mikroskop elektron pemindaian untuk menganalisis kepadatan strukturalnya.

Karena suhu permukaan substrat grafit sangat tinggi, gas antara akan didesorpsi 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 dan desorpsi dan pembuangan gas antara, sehingga suhu pengendapan akan memainkan peran kunci dalam morfologi lapisan SiC. Morfologi mikroskopis lapisan adalah manifestasi paling intuitif dari kepadatan lapisan. Oleh karena itu, perlu untuk mempelajari pengaruh suhu pengendapan yang berbeda pada morfologi mikroskopis lapisan CVD SiC. 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 persiapan lapisan SiC guna mempelajari pengaruh suhu pada lapisan CVD-SiC. Parameter spesifik ditunjukkan pada Tabel 3. Gambar 2 menunjukkan morfologi mikroskopis lapisan CVD-SiC yang tumbuh pada suhu pengendapan yang berbeda.

Ketika suhu pengendapan 900℃, semua SiC tumbuh menjadi bentuk serat. Dapat dilihat bahwa diameter serat tunggal sekitar 3,5μm, dan rasio aspeknya sekitar 3 (<10). Selain itu, serat ini tersusun dari partikel nano-SiC yang tak terhitung jumlahnya, sehingga termasuk dalam struktur SiC polikristalin, yang berbeda dari nanowire SiC tradisional dan kumis SiC kristal tunggal. SiC berserat ini merupakan cacat struktural yang disebabkan oleh parameter proses yang tidak masuk akal. Dapat dilihat bahwa struktur lapisan SiC ini relatif longgar, dan terdapat sejumlah besar pori di antara SiC berserat, dan kepadatannya sangat rendah. Oleh karena itu, suhu ini tidak cocok untuk persiapan lapisan SiC padat. Biasanya, cacat struktural SiC berserat disebabkan oleh suhu pengendapan 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 butiran SiC terendah (seperti ujung butiran). Pertumbuhan arah yang berkelanjutan akhirnya membentuk cacat struktural SiC berserat.

Persiapan Pelapisan CVD SiC:

Pertama, substrat grafit ditempatkan dalam tungku vakum bersuhu 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 diolah dicuci dengan etanol anhidrat dan air suling, lalu ditempatkan dalam oven pada suhu 100℃ untuk dikeringkan. Terakhir, substrat grafit ditempatkan di zona suhu utama tungku tubular untuk pengendapan SiC. Diagram skema sistem pengendapan uap kimia ditunjukkan pada Gambar 1.

ItuPelapisan CVD SiCdiamati dengan mikroskop elektron pemindaian untuk menganalisis ukuran dan kepadatan partikelnya. Selain itu, laju pengendapan lapisan SiC dihitung menurut rumus berikut: VSiC = (m2-m1) / (Sxt) x100% VSiC=Laju deposisi; m2–massa sampel pelapis (mg); m1–massa substrat (mg); S-luas permukaan substrat (mm2); t-waktu pengendapan (h).   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 SiCI2, SiCI3, 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 diserap pada permukaan substrat dalam bentuk penyerapan, dan kemudian reaksi kimia akan terjadi antara molekul-molekul kecil untuk membentuk tetesan-tetesan kecil yang secara bertahap tumbuh, dan tetesan-tetesan itu juga akan menyatu, dan reaksi tersebut akan disertai dengan pembentukan produk samping antara (gas HCl); Ketika suhu naik hingga 1000 ℃, kepadatan lapisan SiC meningkat pesat. Dapat dilihat bahwa sebagian besar lapisan tersusun dari butiran SiC (berukuran sekitar 4μm), tetapi beberapa cacat SiC berserat juga ditemukan, yang menunjukkan bahwa masih ada pertumbuhan terarah SiC pada suhu ini, dan lapisan tersebut masih belum cukup padat. Ketika suhu naik hingga 1100 ℃, dapat dilihat bahwa lapisan SiC sangat padat, dan cacat SiC berserat telah hilang sepenuhnya. Lapisan tersebut tersusun dari partikel SiC berbentuk tetesan dengan diameter sekitar 5~10μm, yang saling terhubung dengan rapat. Permukaan partikel tersebut sangat kasar. Lapisan tersebut tersusun dari butiran SiC berskala nano yang tak terhitung jumlahnya. Faktanya, proses pertumbuhan CVD-SiC pada suhu 1100 ℃ telah dikendalikan oleh perpindahan massa. Molekul-molekul kecil yang teradsorpsi pada permukaan substrat memiliki energi dan waktu yang cukup untuk membentuk inti dan tumbuh menjadi butiran SiC. Butiran-butiran SiC secara seragam membentuk tetesan besar. Di bawah aksi energi permukaan, sebagian besar tetesan tampak bulat, dan tetesan tersebut saling terkait erat untuk membentuk lapisan SiC yang padat. Ketika suhu naik ke 1200℃, lapisan SiC juga padat, tetapi morfologi SiC menjadi multi-alur dan permukaan lapisan tampak lebih kasar. Ketika suhu meningkat ke 1300℃, sejumlah besar partikel bulat biasa dengan diameter sekitar 3μm ditemukan di permukaan substrat grafit. Ini karena pada suhu ini, SiC telah diubah menjadi nukleasi fase gas, dan laju dekomposisi MTS sangat cepat. Molekul-molekul kecil telah bereaksi dan berinti untuk membentuk butiran SiC sebelum diserap pada permukaan substrat. Setelah butiran membentuk partikel bulat, mereka akan jatuh di bawah, akhirnya menghasilkan lapisan partikel SiC yang longgar dengan kepadatan yang buruk. Jelas, 1300℃ tidak dapat digunakan sebagai suhu pembentukan lapisan SiC padat. Perbandingan komprehensif menunjukkan bahwa jika lapisan SiC padat akan disiapkan, suhu pengendapan CVD yang optimal adalah 1100℃.

Gambar 3 menunjukkan laju pengendapan lapisan SiC CVD pada suhu pengendapan yang berbeda. Saat suhu pengendapan meningkat, laju pengendapan lapisan SiC secara bertahap menurun. Laju pengendapan pada suhu 900°C adalah 0,352 mg·h-1/mm2, dan pertumbuhan serat secara terarah menghasilkan laju pengendapan tercepat. Laju pengendapan lapisan dengan kepadatan tertinggi adalah 0,179 mg·h-1/mm2. Karena pengendapan beberapa partikel SiC, laju pengendapan pada suhu 1300°C adalah yang terendah, hanya 0,027 mg·h-1/mm2.   Kesimpulan: Suhu deposisi CVD terbaik adalah 1100℃. Suhu rendah mendorong pertumbuhan terarah SiC, sedangkan suhu tinggi menyebabkan SiC menghasilkan deposisi uap dan menghasilkan lapisan yang jarang. Dengan peningkatan suhu deposisi, laju deposisiPelapisan CVD SiCberkurang secara bertahap.