სხვადასხვა ტემპერატურის გავლენა CVD SiC საფარის ზრდაზე

რა არის CVD SiC საფარი?

ქიმიური ორთქლის დეპონირება (CVD) არის ვაკუუმური დეპონირების პროცესი, რომელიც გამოიყენება მაღალი სისუფთავის მყარი მასალების მისაღებად. ეს პროცესი ხშირად გამოიყენება ნახევარგამტარების წარმოების სფეროში ვაფლების ზედაპირზე თხელი აპკების ფორმირებისთვის. CVD-ით სილიციუმის კარბიდის მომზადების პროცესში, სუბსტრატი ექვემდებარება ერთ ან მეტ აქროლად წინამორბედს, რომლებიც ქიმიურად რეაგირებენ სუბსტრატის ზედაპირზე სასურველი სილიციუმის კარბიდის დეპოზიტების დასალექად. სილიციუმის კარბიდის მასალების მომზადების მრავალ მეთოდს შორის, ქიმიური ორთქლის დეპონირებით მიღებულ პროდუქტებს აქვთ უფრო მაღალი ერთგვაროვნება და სისუფთავე და ამ მეთოდს აქვს პროცესის ძლიერი კონტროლი. CVD სილიციუმის კარბიდის მასალებს აქვთ შესანიშნავი თერმული, ელექტრული და ქიმიური თვისებების უნიკალური კომბინაცია, რაც მათ ძალიან შესაფერისს ხდის ნახევარგამტარული ინდუსტრიისთვის, სადაც საჭიროა მაღალი ხარისხის მასალები. CVD სილიციუმის კარბიდის კომპონენტები ფართოდ გამოიყენება გრავირების მოწყობილობებში, MOCVD მოწყობილობებში, Si ეპიტაქსიურ მოწყობილობებში და SiC ეპიტაქსიურ მოწყობილობებში, სწრაფი თერმული დამუშავების მოწყობილობებსა და სხვა სფეროებში.

ეს სტატია ფოკუსირებულია მომზადების დროს სხვადასხვა პროცესის ტემპერატურაზე გაზრდილი თხელი ფენების ხარისხის ანალიზზე.CVD SiC საფარი, რათა შერჩეულ იქნას ყველაზე შესაფერისი პროცესის ტემპერატურა. ექსპერიმენტში გამოყენებულია გრაფიტი, როგორც სუბსტრატი და ტრიქლორმეთილსილანი (MTS), როგორც რეაქციის წყარო აირი. SiC საფარი დალექილია დაბალი წნევის CVD პროცესით და მიკრომორფოლოგიაCVD SiC საფარიმისი სტრუქტურული სიმკვრივის გასაანალიზებლად სკანირებადი ელექტრონული მიკროსკოპით აკვირდებიან.

რადგან გრაფიტის სუბსტრატის ზედაპირული ტემპერატურა ძალიან მაღალია, შუალედური აირი დესორბირდება და გამოიყოფა სუბსტრატის ზედაპირიდან, და ბოლოს, სუბსტრატის ზედაპირზე დარჩენილი C და Si წარმოქმნის მყარ ფაზას SiC-ს, რათა წარმოქმნას SiC საფარი. ზემოთ აღწერილი CVD-SiC ზრდის პროცესის მიხედვით, ჩანს, რომ ტემპერატურა გავლენას ახდენს აირის დიფუზიაზე, MTS-ის დაშლაზე, წვეთების წარმოქმნაზე და შუალედური აირის დესორბციასა და გამონადენზე, ამიტომ დალექვის ტემპერატურა მნიშვნელოვან როლს შეასრულებს SiC საფარის მორფოლოგიაში. საფარის მიკროსკოპული მორფოლოგია საფარის სიმკვრივის ყველაზე ინტუიციური გამოვლინებაა. ამიტომ, აუცილებელია შევისწავლოთ სხვადასხვა დალექვის ტემპერატურის გავლენა CVD SiC საფარის მიკროსკოპულ მორფოლოგიაზე. რადგან MTS-ს შეუძლია SiC საფარის დაშლა და დალექვა 900~1600℃ ტემპერატურაზე, ამ ექსპერიმენტში შეირჩევა ხუთი დალექვის ტემპერატურა: 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ და 1300℃ SiC საფარის მოსამზადებლად, რათა შესწავლილ იქნას ტემპერატურის გავლენა CVD-SiC საფარზე. სპეციფიკური პარამეტრები ნაჩვენებია ცხრილში 3. სურათი 2 გვიჩვენებს CVD-SiC საფარის მიკროსკოპულ მორფოლოგიას, რომელიც გაზრდილია სხვადასხვა დალექვის ტემპერატურაზე.

როდესაც დალექვის ტემპერატურა 900℃-ია, ყველა SiC ბოჭკოვან ფორმებად იქცევა. ჩანს, რომ ერთი ბოჭკოს დიამეტრი დაახლოებით 3.5μm-ია, ხოლო მისი ასპექტის თანაფარდობა დაახლოებით 3 (<10). გარდა ამისა, იგი შედგება უამრავი ნანო-SiC ნაწილაკისგან, ამიტომ ის მიეკუთვნება პოლიკრისტალურ SiC სტრუქტურას, რომელიც განსხვავდება ტრადიციული SiC ნანომავთულებისა და ერთკრისტალური SiC ულვაშებისგან. ეს ბოჭკოვანი SiC არის სტრუქტურული დეფექტი, რომელიც გამოწვეულია არაგონივრული პროცესის პარამეტრებით. ჩანს, რომ ამ SiC საფარის სტრუქტურა შედარებით ფხვიერია და ბოჭკოვან SiC-ს შორის დიდი რაოდენობით ფორებია და სიმკვრივე ძალიან დაბალია. ამიტომ, ეს ტემპერატურა არ არის შესაფერისი მკვრივი SiC საფარის მოსამზადებლად. როგორც წესი, ბოჭკოვანი SiC სტრუქტურული დეფექტები გამოწვეულია ძალიან დაბალი დალექვის ტემპერატურით. დაბალ ტემპერატურაზე, სუბსტრატის ზედაპირზე ადსორბირებულ პატარა მოლეკულებს აქვთ დაბალი ენერგია და ცუდი მიგრაციის უნარი. ამიტომ, პატარა მოლეკულები მიდრეკილნი არიან მიგრაციისა და ზრდისკენ SiC მარცვლების ყველაზე დაბალ ზედაპირის თავისუფალ ენერგიამდე (მაგალითად, მარცვლის წვერი). უწყვეტი მიმართულებითი ზრდა საბოლოოდ წარმოქმნის ბოჭკოვან SiC სტრუქტურულ დეფექტებს.

CVD SiC საფარის მომზადება:

პირველ რიგში, გრაფიტის სუბსტრატი თავსდება მაღალი ტემპერატურის ვაკუუმურ ღუმელში და ინახება 1500℃ ტემპერატურაზე Ar ატმოსფეროში 1 საათის განმავლობაში ფერფლის მოსაშორებლად. შემდეგ გრაფიტის ბლოკი იჭრება 15x15x5 მმ ბლოკად და გრაფიტის ბლოკის ზედაპირი იპრიალება 1200 ბადისებრი სახეხი ქაღალდით, რათა აღმოიფხვრას ზედაპირული ფორები, რომლებიც გავლენას ახდენენ SiC-ის დალექვაზე. დამუშავებული გრაფიტის ბლოკი ირეცხება უწყლო ეთანოლით და გამოხდილი წყლით, შემდეგ კი მოთავსებულია ღუმელში 100℃ ტემპერატურაზე გასაშრობად. დაბოლოს, გრაფიტის სუბსტრატი თავსდება მილისებრი ღუმელის მთავარ ტემპერატურულ ზონაში SiC-ის დასალექად. ქიმიური ორთქლის დალექვის სისტემის სქემატური დიაგრამა ნაჩვენებია ნახაზ 1-ში.

ისCVD SiC საფარიმისი ნაწილაკების ზომისა და სიმკვრივის გასაანალიზებლად დაკვირვება განხორციელდა სკანირების ელექტრონული მიკროსკოპით. გარდა ამისა, SiC საფარის დალექვის სიჩქარე გამოითვალა ქვემოთ მოცემული ფორმულის მიხედვით: VSiC=(მ2-მ1)/(Sxt)x100% VSiC=დეპონირების სიჩქარე; მ2 – საფარის ნიმუშის მასა (მგ); m1 – სუბსტრატის მასა (მგ); S-სიმბოლოს ფორმის სუბსტრატის ზედაპირის ფართობი (მმ2); t - დეპონირების დრო (სთ).   CVD-SiC შედარებით რთულია და პროცესი შეიძლება შეჯამდეს შემდეგნაირად: მაღალ ტემპერატურაზე, MTS განიცდის თერმულ დაშლას ნახშირბადის და სილიციუმის წყაროს მცირე მოლეკულების წარმოქმნით. ნახშირბადის წყაროს მცირე მოლეკულები ძირითადად მოიცავს CH3, C2H2 და C2H4, ხოლო სილიციუმის წყაროს მცირე მოლეკულები ძირითადად მოიცავს SiCI2, SiCI3 და ა.შ.; ეს ნახშირბადის და სილიციუმის წყაროს მცირე მოლეკულები შემდეგ გადაიტანება გრაფიტის სუბსტრატის ზედაპირზე გადამტანი აირით და გამხსნელი აირით, შემდეგ კი ეს მცირე მოლეკულები ადსორბციული ფორმით ადსორბციული იქნება სუბსტრატის ზედაპირზე, შემდეგ კი მცირე მოლეკულებს შორის მოხდება ქიმიური რეაქციები მცირე წვეთების წარმოქმნით, რომლებიც თანდათან იზრდება და წვეთებიც შეერწყმება, რეაქციას თან ახლავს შუალედური თანმდევი პროდუქტების (HCl აირი) წარმოქმნა; როდესაც ტემპერატურა 1000 ℃-მდე იზრდება, SiC საფარის სიმკვრივე მნიშვნელოვნად იზრდება. ჩანს, რომ საფარის უმეტესი ნაწილი შედგება SiC მარცვლებისგან (დაახლოებით 4 მკმ ზომის), მაგრამ ასევე გვხვდება SiC-ის ზოგიერთი ბოჭკოვანი დეფექტი, რაც მიუთითებს, რომ ამ ტემპერატურაზე SiC-ის მიმართულებითი ზრდა კვლავ მიმდინარეობს და საფარი ჯერ კიდევ საკმარისად მკვრივი არ არის. როდესაც ტემპერატურა 1100 ℃-მდე იზრდება, ჩანს, რომ SiC საფარი ძალიან მკვრივია და ბოჭკოვანი SiC დეფექტები მთლიანად გაქრა. საფარი შედგება დაახლოებით 5~10 მკმ დიამეტრის წვეთის ფორმის SiC ნაწილაკებისგან, რომლებიც მჭიდროდ არის შერწყმული. ნაწილაკების ზედაპირი ძალიან უხეშია. იგი შედგება უამრავი ნანომასშტაბიანი SiC მარცვლისგან. სინამდვილეში, CVD-SiC ზრდის პროცესი 1100 ℃-ზე მასის გადაცემის კონტროლირებადი გახდა. სუბსტრატის ზედაპირზე ადსორბირებულ მცირე მოლეკულებს აქვთ საკმარისი ენერგია და დრო ბირთვის წარმოქმნისა და SiC მარცვლებად გადასასვლელად. SiC მარცვლები ერთგვაროვნად ქმნიან დიდ წვეთებს. ზედაპირული ენერგიის ზემოქმედების ქვეშ, წვეთების უმეტესობა სფერული ჩანს და ისინი მჭიდროდ არის შერწყმული მკვრივი SiC საფარის შესაქმნელად. როდესაც ტემპერატურა 1200℃-მდე იზრდება, SiC საფარიც მკვრივია, მაგრამ SiC მორფოლოგია მრავალნაპრალიანი ხდება და საფარის ზედაპირი უფრო უხეში ჩანს. როდესაც ტემპერატურა 1300℃-მდე იზრდება, გრაფიტის სუბსტრატის ზედაპირზე დიდი რაოდენობით რეგულარული სფერული ნაწილაკები გვხვდება, რომელთა დიამეტრი დაახლოებით 3μm-ია. ეს იმიტომ ხდება, რომ ამ ტემპერატურაზე SiC გარდაიქმნება აირადისებრ ფაზაში და MTS-ის დაშლის სიჩქარე ძალიან სწრაფია. მცირე მოლეკულები რეაგირებენ და ბირთვებად იქცევიან SiC მარცვლების წარმოსაქმნელად, სანამ ისინი სუბსტრატის ზედაპირზე ადსორბირდებიან. მას შემდეგ, რაც მარცვლები სფერულ ნაწილაკებს წარმოქმნიან, ისინი ქვემოთ ეშვებიან, რაც საბოლოოდ იწვევს ფხვიერ SiC ნაწილაკების საფარს დაბალი სიმკვრივით. ცხადია, 1300℃ არ შეიძლება გამოყენებულ იქნას მკვრივი SiC საფარის ფორმირების ტემპერატურად. ყოვლისმომცველი შედარება აჩვენებს, რომ თუ მკვრივი SiC საფარის მომზადებაა საჭირო, ოპტიმალური CVD დეპონირების ტემპერატურაა 1100℃.

სურათი 3 გვიჩვენებს CVD SiC საფარის დალექვის სიჩქარეს სხვადასხვა დალექვის ტემპერატურაზე. დალექვის ტემპერატურის ზრდასთან ერთად, SiC საფარის დალექვის სიჩქარე თანდათან მცირდება. 900°C ტემპერატურაზე დალექვის სიჩქარეა 0.352 მგ·სთ-1/მმ2, ხოლო ბოჭკოების მიმართულებითი ზრდა იწვევს დალექვის ყველაზე სწრაფ სიჩქარეს. ყველაზე მაღალი სიმკვრივის მქონე საფარის დალექვის სიჩქარეა 0.179 მგ·სთ-1/მმ2. ზოგიერთი SiC ნაწილაკის დალექვის გამო, 1300°C ტემპერატურაზე დალექვის სიჩქარე ყველაზე დაბალია, მხოლოდ 0.027 მგ·სთ-1/მმ2.   დასკვნა: CVD დალექვის საუკეთესო ტემპერატურაა 1100℃. დაბალი ტემპერატურა ხელს უწყობს SiC-ის მიმართულებით ზრდას, ხოლო მაღალი ტემპერატურა იწვევს SiC-ის ორთქლის დალექვას და იწვევს იშვიათი საფარის წარმოქმნას. დალექვის ტემპერატურის ზრდასთან ერთად, დალექვის სიჩქარე მცირდება.CVD SiC საფარითანდათან მცირდება.