CVD SiC каптамасынын өсүшүнө ар кандай температуралардын таасири

CVD SiC каптоо деген эмне?

Химиялык буу менен чөктүрүү (ХБЧ) – бул жогорку тазалыктагы катуу материалдарды өндүрүү үчүн колдонулган вакуумдук чөктүрүү процесси. Бул процесс көбүнчө жарым өткөргүчтөрдү өндүрүү тармагында пластиналардын бетинде жука пленкаларды түзүү үчүн колдонулат. ХБЧ аркылуу кремний карбидин даярдоо процессинде, субстрат бир же бир нече учма прекурсорлорго дуушар болот, алар субстраттын бетинде химиялык жол менен реакцияга кирип, каалаган кремний карбидинин чөкмөлөрүн пайда кылат. Кремний карбид материалдарын даярдоонун көптөгөн ыкмаларынын ичинен химиялык буу менен чөктүрүү жолу менен даярдалган продукциялар жогорку бир түрдүүлүккө жана тазалыкка ээ жана бул ыкма процессти күчтүү башкарууга ээ. CVD кремний карбидинин материалдары эң сонун жылуулук, электрдик жана химиялык касиеттердин уникалдуу айкалышына ээ, бул аларды жогорку өндүрүмдүү материалдар талап кылынган жарым өткөргүчтөр өнөр жайында колдонууга абдан ылайыктуу кылат. CVD кремний карбидинин компоненттери гравюра жабдууларында, MOCVD жабдууларында, Si эпитаксиалдык жабдууларында жана SiC эпитаксиалдык жабдууларында, тез термикалык иштетүү жабдууларында жана башка тармактарда кеңири колдонулат.

Бул макала даярдоо учурунда ар кандай температурада өстүрүлгөн жука пленкалардын сапатын талдоого багытталган.CVD SiC каптоосу, эң ылайыктуу процесстин температурасын тандоо үчүн. Экспериментте субстрат катары графит жана реакция булагы газы катары трихлорметилсилан (MTS) колдонулат. SiC каптоосу төмөнкү басымдагы CVD процесси менен чөктүрүлөт жана микроморфологиясыCVD SiC каптоосуструктуралык тыгыздыгын талдоо үчүн сканерлөөчү электрондук микроскопия аркылуу байкалат.

Графит субстратынын беттик температурасы өтө жогору болгондуктан, аралык газ десорбцияланып, субстраттын бетинен чыгарылат, акырында субстраттын бетинде калган C жана Si катуу фазадагы SiCди пайда кылып, SiC каптоосун пайда кылат. Жогорудагы CVD-SiC өсүү процессине ылайык, температура газдын диффузиясына, MTSтин ажыроосуна, тамчылардын пайда болушуна жана аралык газдын десорбциясына жана агып чыгышына таасир этерин көрүүгө болот, ошондуктан чөкмө температурасы SiC каптоосунун морфологиясында негизги ролду ойнойт. Каптоонун микроскопиялык морфологиясы каптоо тыгыздыгынын эң интуитивдик көрүнүшү болуп саналат. Ошондуктан, CVD SiC каптоосунун микроскопиялык морфологиясына ар кандай чөкмө температурасынын таасирин изилдөө зарыл. MTS SiC каптоосун 900~1600℃ аралыгында ажыртып, чөктүрө алгандыктан, бул эксперимент CVD-SiC каптоосуна температуранын таасирин изилдөө үчүн SiC каптоосун даярдоо үчүн 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ жана 1300℃ беш чөкмө температурасын тандап алат. Так параметрлер 3-таблицада көрсөтүлгөн. 2-сүрөттө ар кандай чөкмө температураларында өстүрүлгөн CVD-SiC каптамасынын микроскопиялык морфологиясы көрсөтүлгөн.

Чөкмө температурасы 900℃ болгондо, бардык SiC була формаларына өсөт. Бир буланын диаметри болжол менен 3,5 мкм, ал эми анын аспекттик катышы болжол менен 3 (<10) экенин көрүүгө болот. Андан тышкары, ал сансыз нано-SiC бөлүкчөлөрүнөн турат, ошондуктан ал поликристаллдык SiC түзүлүшүнө кирет, ал салттуу SiC нанозымдарынан жана бир кристаллдык SiC мурутунан айырмаланат. Бул булалуу SiC - бул акылга сыйбаган процесстик параметрлерден келип чыккан структуралык кемчилик. Бул SiC каптоосунун түзүлүшү салыштырмалуу бош экенин жана булалуу SiC ортосунда көп сандаган тешикчелер бар экенин жана тыгыздыгы өтө төмөн экенин көрүүгө болот. Ошондуктан, бул температура тыгыз SiC каптоолорун даярдоо үчүн ылайыктуу эмес. Адатта, булалуу SiC структуралык кемчиликтери өтө төмөн чөкмө температурасынан келип чыгат. Төмөн температурада субстраттын бетинде адсорбцияланган кичинекей молекулалардын энергиясы аз жана миграция жөндөмү начар. Ошондуктан, кичинекей молекулалар SiC бүртүкчөлөрүнүн (мисалы, бүртүкчөнүн учуна) эң төмөнкү беттик эркин энергиясына чейин миграцияланып, өсүүгө умтулушат. Үзгүлтүксүз багыттуу өсүү акыры булалуу SiC структуралык кемчиликтерин пайда кылат.

CVD SiC каптоосун даярдоо:

Алгач, графит субстраты жогорку температурадагы вакуумдук мешке салынып, күлдү кетирүү үчүн Ar атмосферасында 1500℃ температурада 1 саат кармалат. Андан кийин графит блогу 15x15x5 мм өлчөмүндөгү блокко кесилет жана SiC чөкмөсүнө таасир этүүчү беттик тешикчелерди жок кылуу үчүн графит блогунун бети 1200 торчолуу кум кагаз менен жылмаланат. Иштетилген графит блогу суусуз этанол жана дистилденген суу менен жуулуп, андан кийин кургатуу үчүн 100℃ температурадагы мешке салынат. Акырында, графит субстраты SiC чөкмөсүн түзүү үчүн түтүкчөлүү мештин негизги температуралык зонасына коюлат. Химиялык буу чөкмө системасынын схемалык диаграммасы 1-сүрөттө көрсөтүлгөн.

TheCVD SiC каптоосуанын бөлүкчөлөрүнүн өлчөмүн жана тыгыздыгын талдоо үчүн сканерлөөчү электрондук микроскопия аркылуу байкалган. Мындан тышкары, SiC каптоосунун чөкмө ылдамдыгы төмөнкү формула боюнча эсептелген: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Чөкмө ылдамдыгы; м2 – каптоо үлгүсүнүн массасы (мг); m1 – субстраттын массасы (мг); S-субстраттын беттик аянты (мм2); t-жаздыруу убактысы (саат).   CVD-SiC салыштырмалуу татаал жана бул процессти төмөнкүдөй кыскача баяндаса болот: жогорку температурада MTS көмүртек булагы жана кремний булагы болгон кичинекей молекулаларды түзүү үчүн термикалык ажыроодон өтөт. Көмүртек булагы болгон кичинекей молекулаларга негизинен CH3, C2H2 жана C2H4, ал эми кремний булагы болгон кичинекей молекулаларга негизинен SiCI2, SiCI3 ж.б. кирет; бул көмүртек булагы жана кремний булагы болгон кичинекей молекулалар андан кийин ташуучу газ жана суюлтуучу газ аркылуу графит субстратынын бетине ташылат, андан кийин бул кичинекей молекулалар субстраттын бетинде адсорбция түрүндө адсорбцияланат, андан кийин кичинекей молекулалардын ортосунда химиялык реакциялар жүрүп, акырындык менен өсүп чыккан кичинекей тамчыларды пайда кылат, тамчылар да биригип, реакция ортоңку кошумча продуктулардын (HCl газы) пайда болушу менен коштолот; Температура 1000 ℃ чейин көтөрүлгөндө, SiC каптамасынын тыгыздыгы бир топ жакшырат. Каптаманын көпчүлүк бөлүгү SiC бүртүкчөлөрүнөн (болжол менен 4 мкм өлчөмүндө) тураарын көрүүгө болот, бирок кээ бир булалуу SiC кемчиликтери да кездешет, бул температурада SiCдин багыттуу өсүшү дагы эле бар экенин жана каптама дагы эле жетиштүү тыгыз эмес экенин көрсөтүп турат. Температура 1100 ℃ чейин көтөрүлгөндө, SiC каптамасынын абдан тыгыз экенин жана булалуу SiC кемчиликтери толугу менен жок болуп кеткенин көрүүгө болот. Каптама диаметри болжол менен 5~10 мкм болгон тамчы формасындагы SiC бөлүкчөлөрүнөн турат, алар тыгыз бириктирилген. Бөлүкчөлөрдүн бети абдан орой. Ал сансыз нано масштабдуу SiC бүртүкчөлөрүнөн турат. Чындыгында, 1100 ℃ температурадагы CVD-SiC өсүү процесси масса алмашууну көзөмөлдөйт. Субстраттын бетинде адсорбцияланган кичинекей молекулалар ядролошуп, SiC бүртүкчөлөрүнө айлануу үчүн жетиштүү энергияга жана убакытка ээ. SiC бүртүкчөлөрү бирдей чоң тамчыларды түзөт. Беттик энергиянын таасири астында тамчылардын көпчүлүгү тоголок формада көрүнөт жана тамчылар тыгыз биригип, тыгыз SiC каптоосун пайда кылат. Температура 1200℃ чейин көтөрүлгөндө, SiC каптамасы да тыгыз болот, бирок SiC морфологиясы көп кырдуу болуп, каптаманын бети одуракай көрүнөт. Температура 1300℃ чейин көтөрүлгөндө, графит субстратынын бетинде диаметри болжол менен 3μm болгон көп сандагы кадимки тоголок бөлүкчөлөр кездешет. Себеби, бул температурада SiC газ фазасынын ядросуна айланган жана MTS ажыроо ылдамдыгы абдан тез. Кичинекей молекулалар субстраттын бетинде адсорбцияланганга чейин реакцияга кирип, ядролошуп, SiC бүртүкчөлөрүн пайда кылышат. Бүртүкчөлөр тоголок бөлүкчөлөрдү пайда кылгандан кийин, алар төмөн түшүп, акырында тыгыздыгы начар болгон бош SiC бөлүкчөлөрүнүн каптамасына алып келет. Албетте, 1300℃ тыгыз SiC каптамасынын калыптануу температурасы катары колдонулбайт. Ар тараптуу салыштыруу көрсөткөндөй, эгерде тыгыз SiC каптамасын даярдоо керек болсо, оптималдуу CVD чөкмө температурасы 1100℃ болот.

3-сүрөттө ар кандай чөкмө температураларындагы CVD SiC каптамаларынын чөкмө ылдамдыгы көрсөтүлгөн. Чөкмө температурасы жогорулаган сайын, SiC каптамасынын чөкмө ылдамдыгы акырындык менен төмөндөйт. 900°C температурадагы чөкмө ылдамдыгы 0,352 мг·саат-1/мм2 түзөт, ал эми булалардын багыттуу өсүшү эң тез чөкмө ылдамдыгына алып келет. Эң жогорку тыгыздыктагы каптаманын чөкмө ылдамдыгы 0,179 мг·саат-1/мм2 түзөт. Айрым SiC бөлүкчөлөрүнүн чөкмөсүнөн улам, 1300°C температурадагы чөкмө ылдамдыгы эң төмөнкү, болгону 0,027 мг·саат-1/мм2.   Жыйынтык: Жүрөк-кан тамыр ооруларын чөктүрүүнүн эң жакшы температурасы 1100℃. Төмөнкү температура SiCнин багыттуу өсүшүнө өбөлгө түзөт, ал эми жогорку температура SiCдин буу чөкмөсүн пайда кылып, сейрек каптоого алып келет. Чөкмө температурасынын жогорулашы менен, чөкмө ылдамдыгыCVD SiC каптоосуакырындык менен азаят.