CVD SiCコーティングとは何ですか？
化学気相成長法（CVD）は、高純度の固体材料を製造するための真空蒸着プロセスです。このプロセスは、半導体製造分野でウェーハ表面に薄膜を形成するためによく使用されます。CVDによる炭化ケイ素（SiC）の製造プロセスでは、基板を1種類以上の揮発性前駆体にさらし、基板表面で化学反応を起こして所望の炭化ケイ素（SiC）堆積物を堆積させます。SiC材料を製造する多くの方法の中で、化学気相成長法で製造された製品は均一性と純度が高く、プロセス制御性に優れています。 CVDシリコンカーバイド材料は、優れた熱特性、電気特性、化学特性を独自に組み合わせており、高性能材料が求められる半導体産業での使用に非常に適しています。CVDシリコンカーバイド部品は、エッチング装置、MOCVD装置、Siエピタキシャル装置、SiCエピタキシャル装置、急速熱処理装置などの分野で広く使用されています。
この記事では、製造工程において異なるプロセス温度で成長した薄膜の品質を分析することに焦点を当てています。CVD SiCコーティング最適なプロセス温度を選択するために、実験ではグラファイトを基板として、トリクロロメチルシラン（MTS）を反応源ガスとして用いた。SiCコーティングは低圧CVDプロセスで堆積され、その微細構造は、CVD SiCコーティング走査型電子顕微鏡で観察し、構造密度を分析します。
グラファイト基板の表面温度は非常に高いため、中間ガスは基板表面から脱着・排出され、最終的に基板表面に残留したCとSiが固相SiCを形成し、SiCコーティングを形成します。上記のCVD-SiC成長プロセスによれば、温度はガスの拡散、MTSの分解、液滴の形成、中間ガスの脱着・排出に影響を与えるため、堆積温度はSiCコーティングの形態において重要な役割を果たすことがわかります。コーティングの微視的形態は、コーティングの密度を最も直感的に表すものです。したがって、異なる堆積温度がCVD SiCコーティングの微視的形態に与える影響を研究する必要があります。 MTSは900～1600℃の温度範囲でSiCコーティングを分解・堆積できるため、本実験では900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃の5種類の堆積温度でSiCコーティングを作製し、温度がCVD-SiCコーティングに与える影響を調べた。具体的なパラメータは表3に示す。図2は、異なる堆積温度で成長したCVD-SiCコーティングの微視的形態を示している。
堆積温度が900℃の場合、すべてのSiCは繊維状に成長します。単一の繊維の直径は約3.5μm、アスペクト比は約3（<10）であることがわかります。また、無数のナノSiC粒子で構成されているため、従来のSiCナノワイヤや単結晶SiCウィスカーとは異なる多結晶SiC構造に属しています。この繊維状SiCは、不合理なプロセスパラメータによって引き起こされる構造欠陥です。このSiCコーティングの構造は比較的緩く、繊維状SiC間に多数の気孔があり、密度が非常に低いことがわかります。したがって、この温度は高密度SiCコーティングの製造には適していません。通常、繊維状SiCの構造欠陥は、堆積温度が低すぎることによって引き起こされます。低温では、基板表面に吸着された小分子のエネルギーが低く、移動能力が低下します。そのため、小さな分子はSiC粒子の表面自由エネルギーが最も低い部分（例えば粒子の先端）に移動して成長する傾向があります。この方向への継続的な成長は、最終的に繊維状のSiC構造欠陥を形成します。
CVD SiCコーティングの準備：
まず、グラファイト基板を高温真空炉に入れ、Ar雰囲気下で1500℃、1時間保持して灰を除去します。次に、グラファイトブロックを15×15×5mmのブロックに切断し、1200メッシュのサンドペーパーで表面を研磨して、SiCの堆積に影響を与える表面の細孔を除去します。処理済みのグラファイトブロックは無水エタノールと蒸留水で洗浄し、100℃のオーブンに入れて乾燥させます。最後に、グラファイト基板を管状炉の主温度ゾーンに置き、SiCを堆積させます。化学蒸着システムの概略図を図1に示します。
そのCVD SiCコーティング走査型電子顕微鏡を用いて観察し、粒子サイズと密度を分析した。さらに、SiCコーティングの堆積速度は以下の式に従って計算された。 VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = 堆積速度; m2 – コーティングサンプルの質量（mg） m1 – 基質の質量（mg） S-基板の表面積（mm2） t - 堆積時間（時間）。 CVD-SiCは比較的複雑で、そのプロセスは次のように要約できます。高温でMTSが熱分解して炭素源とシリコン源の小分子を形成します。炭素源の小分子は主にCH3、C2H2、C2H4を含み、シリコン源の小分子は主にSiCI2、SiCI3などを含みます。これらの炭素源とシリコン源の小分子は、キャリアガスと希釈ガスによってグラファイト基板の表面に輸送され、その後、これらの小分子は吸着の形で基板の表面に吸着され、その後、小分子間で化学反応が起こり、小さな液滴が形成され、徐々に成長します。また、液滴も融合し、反応に伴って中間副産物（HClガス）が形成されます。 温度が1000℃に上昇すると、SiCコーティングの密度が大幅に向上します。コーティングの大部分はSiC粒子（サイズ約4μm）で構成されていることがわかりますが、一部の繊維状のSiC欠陥も見られ、この温度ではSiCの方向性成長がまだ存在し、コーティングの密度がまだ十分ではないことを示しています。温度が1100℃に上昇すると、SiCコーティングが非常に緻密になり、繊維状のSiC欠陥が完全に消えていることがわかります。コーティングは、直径約5〜10μmの液滴状のSiC粒子で構成されており、それらはしっかりと結合しています。粒子の表面は非常に粗く、無数のナノスケールのSiC粒子で構成されています。実際、1100℃でのCVD-SiC成長プロセスは物質移動制御になっています。基板の表面に吸着された小さな分子は、核形成してSiC粒子に成長するのに十分なエネルギーと時間を持っています。 SiC粒子は均一に大きな液滴を形成します。表面エネルギーの作用により、ほとんどの液滴は球状になり、液滴は密に結合して緻密なSiCコーティングを形成します。 温度が1200℃に上昇すると、SiCコーティングも緻密になりますが、SiCの形態は多重隆起になり、コーティング表面は粗くなります。温度が1300℃に上昇すると、グラファイト基板の表面に直径約3μmの規則的な球状粒子が多数見られます。これは、この温度でSiCが気相核生成に変化し、MTS分解速度が非常に速いためです。小さな分子が反応して核生成し、SiC粒子を形成してから基板表面に吸着します。粒子は球状粒子を形成した後、下に落ち、最終的に密度の低い緩いSiC粒子コーティングになります。明らかに、1300℃は緻密なSiCコーティングの形成温度として使用することはできません。包括的な比較から、緻密なSiCコーティングを調製する場合、最適なCVD堆積温度は1100℃であることがわかります。
図3は、異なる堆積温度におけるCVD SiCコーティングの堆積速度を示しています。堆積温度が上昇するにつれて、SiCコーティングの堆積速度は徐々に低下します。900℃での堆積速度は0.352 mg·h-1/mm2で、繊維の方向性成長により堆積速度は最も速くなります。最も密度の高いコーティングの堆積速度は0.179 mg·h-1/mm2です。一部のSiC粒子の堆積により、1300℃での堆積速度は最も遅く、わずか0.027 mg·h-1/mm2となります。 結論：CVD蒸着温度は1100℃が最適である。低温ではSiCの方向性成長が促進されるが、高温ではSiCが気相成長を起こし、結果として膜が疎になる。蒸着温度の上昇に伴い、蒸着速度は低下する。CVD SiCコーティング徐々に減少します。
投稿日時: 2025年5月26日