CVD SiCコーティングとは何ですか？
化学気相成長法（CVD）は、高純度固体材料を製造するために用いられる真空蒸着プロセスです。このプロセスは、半導体製造分野において、ウェハ表面に薄膜を形成するためによく用いられます。CVDによる炭化ケイ素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曝露し、基板表面で化学反応を起こさせて目的の炭化ケイ素を堆積させます。炭化ケイ素材料を製造する方法は数多くありますが、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、プロセス制御性にも優れています。 CVD法で製造された炭化ケイ素材料は、優れた熱特性、電気特性、化学特性を兼ね備えており、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炭化ケイ素部品は、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、高速熱処理装置など、幅広い分野で利用されています。
この記事では、薄膜の作製過程における異なるプロセス温度で成長させた薄膜の品質分析に焦点を当てています。CVD SiCコーティング最も適切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使用します。SiCコーティングは低圧CVDプロセスによって堆積され、その微細形態はCVD SiCコーティング走査型電子顕微鏡を用いて観察し、その構造密度を分析する。
グラファイト基板の表面温度が非常に高いため、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ったCとSiが固相SiCを形成してSiCコーティングが形成されます。上記のCVD-SiC成長プロセスから、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ことがわかります。したがって、成膜温度はSiCコーティングの形態に重要な役割を果たします。コーティングの微細形態は、コーティングの密度を最も直感的に表すものです。そのため、異なる成膜温度がCVD SiCコーティングの微細形態に及ぼす影響を研究する必要があります。 MTSは900～1600℃の温度範囲で分解してSiCコーティングを堆積させることができるため、本実験では、CVD-SiCコーティングに対する温度の影響を調べるために、900℃、1000℃、1100℃、1200℃、1300℃の5つの堆積温度を選択してSiCコーティングを作製した。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させたCVD-SiCコーティングの微細構造を示す。
成膜温度が 900 ℃ の場合、すべての SiC は繊維状に成長します。 1 つの繊維の直径は約 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り、多結晶 SiC 構造に属します。 この繊維状 SiC は、不適切なプロセス 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 の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、この温度は緻密な SiC コーティングの作製には適していません。 通常、繊維状 SiC の構造欠陥は、成膜温度が低すぎるために発生します。 低温では、基板表面に吸着した小さな分子はエネルギーが低く、移動能力が劣ります。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場所（例えば粒子の先端部）へと移動し、成長する傾向がある。連続的な方向性成長によって、最終的に繊維状のSiC構造欠陥が形成される。
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、アルゴン雰囲気下で1500℃で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、グラファイトブロックの表面を1200メッシュのサンドペーパーで研磨して、SiCの堆積に影響を与える表面の気孔を除去します。処理したグラファイトブロックを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いてSiCを堆積します。化学気相堆積システムの概略図を図1に示します。
のCVD SiCコーティング走査型電子顕微鏡を用いて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を以下の式に従って算出した。 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は堆積時間（時間）です。 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は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SiCl2、SiCl3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、徐々に成長する小さな液滴が形成され、液滴は融合し、反応に伴って中間副生成物（HClガス）が形成されます。 温度が 1000 ℃ まで上昇すると、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 (約 4μm サイズ) で構成されていることがわかりますが、繊維状の SiC 欠陥もいくつか見つかります。これは、この温度ではまだ SiC の方向性成長があり、コーティングはまだ十分に高密度ではないことを示しています。温度が 1100 ℃ まで上昇すると、SiC コーティングが非常に高密度になり、繊維状の SiC 欠陥が完全に消失し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 粒子が密に結合して構成されています。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。基板表面に吸着した小さな分子は、核生成して 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する。表面エネルギーの作用により、ほとんどの液滴は球形になり、液滴同士が密接に結合して緻密なSiCコーティングを形成する。 温度が1200℃まで上昇すると、SiCコーティングも緻密になりますが、SiCの形態は多稜線状になり、コーティングの表面はより粗くなります。温度が1300℃まで上昇すると、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の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、基板表面に吸着する前にSiC粒子を形成します。粒子が球状粒子を形成した後、それらは下に落下し、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できません。総合的に比較すると、緻密なSiCコーティングを準備する場合、最適なCVD堆積温度は1100℃であることがわかります。
図3は、異なる成膜温度におけるCVD SiCコーティングの成膜速度を示しています。成膜温度が上昇するにつれて、SiCコーティングの成膜速度は徐々に低下します。900℃での成膜速度は0.352 mg·h-1/mm2で、繊維の方向性成長により最も速い成膜速度が得られます。最も密度の高いコーティングの成膜速度は0.179 mg·h-1/mm2です。一部のSiC粒子が堆積するため、1300℃での成膜速度は最も低く、わずか0.027 mg·h-1/mm2です。 結論：最適なCVD成膜温度は1100℃です。低温ではSiCの方向性成長が促進されますが、高温ではSiCの蒸着が起こり、コーティングが疎になります。成膜温度の上昇に伴い、成膜速度はCVD SiCコーティング徐々に減少する。
投稿日時：2025年5月26日