Effetto delle diverse temperature sulla crescita del rivestimento in SiC CVD

Che cos'è il rivestimento CVD SiC?

La deposizione chimica da fase vapore (CVD) è un processo di deposizione sotto vuoto utilizzato per produrre materiali solidi ad elevata purezza. Questo processo è spesso impiegato nel settore della produzione di semiconduttori per formare film sottili sulla superficie dei wafer. Nel processo di preparazione del carburo di silicio tramite CVD, il substrato viene esposto a uno o più precursori volatili, che reagiscono chimicamente sulla superficie del substrato per depositare i depositi di carburo di silicio desiderati. Tra i numerosi metodi per la preparazione di materiali a base di carburo di silicio, i prodotti ottenuti tramite deposizione chimica da fase vapore presentano maggiore uniformità e purezza, e questo metodo offre un elevato grado di controllabilità del processo. I materiali in carburo di silicio CVD presentano una combinazione unica di eccellenti proprietà termiche, elettriche e chimiche, che li rendono particolarmente adatti all'impiego nell'industria dei semiconduttori, dove sono richiesti materiali ad alte prestazioni. I componenti in carburo di silicio CVD sono ampiamente utilizzati in apparecchiature di incisione, apparecchiature MOCVD, apparecchiature per epitassia di silicio e di carburo di silicio, apparecchiature per processi termici rapidi e altri settori.

Questo articolo si concentra sull'analisi della qualità dei film sottili cresciuti a diverse temperature di processo durante la preparazione diRivestimento in SiC CVD, in modo da selezionare la temperatura di processo più appropriata. L'esperimento utilizza la grafite come substrato e il triclorometilsilano (MTS) come gas sorgente di reazione. Il rivestimento SiC viene depositato mediante un processo CVD a bassa pressione e la micromorfologia delRivestimento in SiC CVDviene osservata tramite microscopia elettronica a scansione per analizzare la sua densità strutturale.

Poiché la temperatura superficiale del substrato di grafite è molto elevata, il gas intermedio verrà desorbito e scaricato dalla superficie del substrato, e infine il C e il Si rimanenti sulla superficie del substrato formeranno la fase solida SiC per formare il rivestimento di SiC. In base al processo di crescita del CVD-SiC sopra descritto, si può osservare che la temperatura influisce sulla diffusione del gas, sulla decomposizione del MTS, sulla formazione di goccioline e sul desorbimento e scarico del gas intermedio, quindi la temperatura di deposizione gioca un ruolo chiave nella morfologia del rivestimento di SiC. La morfologia microscopica del rivestimento è la manifestazione più intuitiva della sua densità. Pertanto, è necessario studiare l'effetto delle diverse temperature di deposizione sulla morfologia microscopica del rivestimento di SiC CVD. Poiché l'MTS può decomporre e depositare rivestimenti di SiC tra 900 e 1600 °C, questo esperimento seleziona cinque temperature di deposizione (900 °C, 1000 °C, 1100 °C, 1200 °C e 1300 °C) per la preparazione del rivestimento di SiC al fine di studiare l'effetto della temperatura sul rivestimento CVD-SiC. I parametri specifici sono riportati nella Tabella 3. La Figura 2 mostra la morfologia microscopica del rivestimento CVD-SiC cresciuto a diverse temperature di deposizione.

Quando la temperatura di deposizione è di 900℃, tutto il SiC cresce in forme fibrose. Si può osservare che il diametro di una singola fibra è di circa 3,5 μm e il suo rapporto d'aspetto è di circa 3 (<10). Inoltre, è composta da innumerevoli nanoparticelle di SiC, quindi appartiene a una struttura SiC policristallina, che è diversa dai tradizionali nanofili di SiC e dai baffi di SiC monocristallini. Questo SiC fibroso è un difetto strutturale causato da parametri di processo non ottimali. Si può notare che la struttura di questo rivestimento di SiC è relativamente porosa e presenta un gran numero di pori tra le fibre di SiC, con una densità molto bassa. Pertanto, questa temperatura non è adatta alla preparazione di rivestimenti di SiC densi. Solitamente, i difetti strutturali del SiC fibroso sono causati da una temperatura di deposizione troppo bassa. A basse temperature, le piccole molecole adsorbite sulla superficie del substrato hanno bassa energia e scarsa capacità di migrazione. Pertanto, le molecole di piccole dimensioni tendono a migrare e crescere verso la zona a più bassa energia libera superficiale dei grani di SiC (come la punta del grano). La crescita direzionale continua porta infine alla formazione di difetti strutturali fibrosi nel SiC.

Preparazione del rivestimento in SiC tramite CVD:

Innanzitutto, il substrato di grafite viene posto in un forno sottovuoto ad alta temperatura e mantenuto a 1500 °C per 1 ora in atmosfera di argon per la rimozione delle ceneri. Successivamente, il blocco di grafite viene tagliato in un blocco di 15x15x5 mm e la sua superficie viene lucidata con carta vetrata a grana 1200 per eliminare i pori superficiali che potrebbero interferire con la deposizione del SiC. Il blocco di grafite trattato viene lavato con etanolo anidro e acqua distillata, quindi posto in un forno a 100 °C per l'asciugatura. Infine, il substrato di grafite viene collocato nella zona di temperatura principale del forno tubolare per la deposizione del SiC. Lo schema del sistema di deposizione chimica da fase vapore è mostrato in Figura 1.

ILRivestimento in SiC CVDè stata osservata mediante microscopia elettronica a scansione per analizzare la dimensione e la densità delle particelle. Inoltre, la velocità di deposizione del rivestimento di SiC è stata calcolata secondo la formula seguente: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = Velocità di deposizione; m2 – massa del campione di rivestimento (mg); m1 – massa del substrato (mg); Area superficiale S del substrato (mm2); t - il tempo di deposizione (h).   Il processo CVD-SiC è relativamente complesso e può essere riassunto come segue: ad alta temperatura, l'MTS subisce una decomposizione termica per formare piccole molecole di fonte di carbonio e di fonte di silicio. Le piccole molecole di fonte di carbonio includono principalmente CH3, C2H2 e C2H4, mentre le piccole molecole di fonte di silicio includono principalmente SiCI2, SiCI3, ecc.; queste piccole molecole di fonte di carbonio e di fonte di silicio vengono quindi trasportate sulla superficie del substrato di grafite dal gas vettore e dal gas diluente, e quindi queste piccole molecole vengono adsorbite sulla superficie del substrato sotto forma di adsorbimento, quindi avvengono reazioni chimiche tra le piccole molecole per formare piccole goccioline che crescono gradualmente, e le goccioline si fondono anche, e la reazione è accompagnata dalla formazione di sottoprodotti intermedi (gas HCl); Quando la temperatura sale a 1000 °C, la densità del rivestimento di SiC migliora notevolmente. Si può notare che la maggior parte del rivestimento è composta da grani di SiC (di circa 4 μm di dimensione), ma si riscontrano anche alcuni difetti fibrosi di SiC, il che dimostra che a questa temperatura la crescita del SiC è ancora direzionale e il rivestimento non è ancora sufficientemente denso. Quando la temperatura sale a 1100 °C, si può osservare che il rivestimento di SiC è molto denso e i difetti fibrosi di SiC sono completamente scomparsi. Il rivestimento è composto da particelle di SiC a forma di goccia con un diametro di circa 5-10 μm, strettamente aggregate tra loro. La superficie delle particelle è molto ruvida. È composta da innumerevoli grani di SiC su scala nanometrica. Di fatto, il processo di crescita del CVD-SiC a 1100 °C è controllato dal trasferimento di massa. Le piccole molecole adsorbite sulla superficie del substrato hanno energia e tempo sufficienti per nucleare e crescere in grani di SiC. I grani di SiC formano uniformemente grandi gocce. Sotto l'azione dell'energia superficiale, la maggior parte delle gocce appare sferica e si uniscono strettamente per formare un rivestimento di SiC denso. Quando la temperatura sale a 1200℃, il rivestimento di SiC risulta denso, ma la morfologia del SiC diventa multi-crestevole e la superficie del rivestimento appare più ruvida. Quando la temperatura aumenta a 1300℃, sulla superficie del substrato di grafite si osserva un gran numero di particelle sferiche regolari con un diametro di circa 3 μm. Questo perché a tale temperatura il SiC si trasforma in fase gassosa con nucleazione, e la velocità di decomposizione dell'MTS è molto elevata. Le piccole molecole reagiscono e nucleano per formare grani di SiC prima di essere adsorbite sulla superficie del substrato. Dopo che i grani formano particelle sferiche, queste tendono a depositarsi verso il basso, dando luogo a un rivestimento di particelle di SiC porose e a bassa densità. Ovviamente, 1300℃ non può essere utilizzata come temperatura di formazione per un rivestimento di SiC denso. Un confronto completo dimostra che, per ottenere un rivestimento di SiC denso, la temperatura di deposizione CVD ottimale è di 1100℃.

La Figura 3 mostra la velocità di deposizione dei rivestimenti di SiC CVD a diverse temperature di deposizione. All'aumentare della temperatura di deposizione, la velocità di deposizione del rivestimento di SiC diminuisce gradualmente. La velocità di deposizione a 900 °C è di 0,352 mg·h-1/mm2 e la crescita direzionale delle fibre porta alla velocità di deposizione più elevata. La velocità di deposizione del rivestimento con la densità più alta è di 0,179 mg·h-1/mm2. A causa della deposizione di alcune particelle di SiC, la velocità di deposizione a 1300 °C è la più bassa, pari a soli 0,027 mg·h-1/mm2.   Conclusione: la migliore temperatura di deposizione CVD è 1100℃. La bassa temperatura promuove la crescita direzionale del SiC, mentre l'alta temperatura fa sì che il SiC produca deposizione di vapore e risulti in un rivestimento sparso. Con l'aumento della temperatura di deposizione, la velocità di deposizione diRivestimento in SiC CVDdiminuisce gradualmente.