Effekt vun ënnerschiddlechen Temperaturen op d'Wuesstum vun der CVD SiC Beschichtung

Wat ass eng CVD SiC Beschichtung?

Chemesch Dampfoflagerung (CVD) ass e Vakuumoflagerungsprozess, deen benotzt gëtt fir héichreine Festmaterialien ze produzéieren. Dëse Prozess gëtt dacks am Beräich vun der Hallefleederherstellung benotzt fir dënn Schichten op der Uewerfläch vu Waferen ze bilden. Beim Prozess vun der Virbereedung vu Siliziumcarbid duerch CVD gëtt de Substrat engem oder méi flüchtege Virleefer ausgesat, déi chemesch op der Uewerfläch vum Substrat reagéieren fir déi gewënschte Siliziumcarbidoflagerungen ofzesetzen. Ënnert de ville Methode fir Siliziumcarbidmaterialien ze preparéieren, hunn d'Produkter, déi duerch chemesch Dampfoflagerung preparéiert ginn, eng méi héich Uniformitéit a Rengheet, an dës Method huet eng staark Prozesskontrolléierbarkeet. CVD-Siliziumcarbidmaterialien hunn eng eenzegaarteg Kombinatioun vun exzellenten thermeschen, elektreschen a chemeschen Eegeschaften, wat se ganz gëeegent mécht fir an der Hallefleederindustrie ze benotzen, wou héich performant Materialien erfuerderlech sinn. CVD-Siliziumcarbidkomponenten gi wäit verbreet an Ätzgeräter, MOCVD-Geräter, epitaktischen Si-Geräter an epitaktischen SiC-Geräter, Schnellwärmeveraarbechtungsgeräter an anere Beräicher benotzt.

Dësen Artikel konzentréiert sech op d'Analyse vun der Qualitéit vun Dënnschichten, déi bei verschiddene Prozesstemperaturen während der Virbereedung vun ... ugebaut ginn.CVD SiC Beschichtung, fir déi passendst Prozesstemperatur ze wielen. D'Experiment benotzt Graphit als Substrat an Trichlormethylsilan (MTS) als Reaktiounsquellgas. D'SiC-Beschichtung gëtt duerch en Nidderdrock-CVD-Prozess ofgesat, an d'Mikromorphologie vun derCVD SiC Beschichtunggëtt mat Rasterelektronemikroskopie observéiert fir seng strukturell Dicht ze analyséieren.

Well d'Uewerflächentemperatur vum Graphitsubstrat ganz héich ass, gëtt den Zwëschengas desorbéiert an vun der Substratoberfläch ofgeleet, an schliisslech bilden d'C an d'Si, déi op der Substratoberfläch bleiwen, eng Festphas-SiC fir eng SiC-Beschichtung ze bilden. Geméiss dem uewe genannten CVD-SiC-Wuesstumsprozess kann een erkennen, datt d'Temperatur d'Diffusioun vum Gas, d'Zersetzung vun MTS, d'Bildung vun Drëpsen an d'Desorptioun an d'Ofleedung vum Zwëschengas beaflosst, sou datt d'Oflagerungstemperatur eng Schlësselroll an der Morphologie vun der SiC-Beschichtung spillt. Déi mikroskopesch Morphologie vun der Beschichtung ass déi intuitivst Manifestatioun vun der Dicht vun der Beschichtung. Dofir ass et néideg, den Effekt vun ënnerschiddlechen Oflagerungstemperaturen op déi mikroskopesch Morphologie vun der CVD-SiC-Beschichtung ze studéieren. Well MTS d'SiC-Beschichtung tëscht 900~1600 ℃ zersetzen an ofsetzen kann, wielt dëst Experiment fënnef Oflagerungstemperaturen vun 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃ an 1300 ℃ fir d'Virbereedung vun der SiC-Beschichtung aus, fir den Effekt vun der Temperatur op d'CVD-SiC-Beschichtung ze studéieren. Déi spezifesch Parameter sinn an der Tabell 3 gewisen. Figur 2 weist déi mikroskopesch Morphologie vun der CVD-SiC-Beschichtung, déi bei verschiddenen Oflagerungstemperaturen ugebaut gouf.

Wann d'Oflagerungstemperatur 900℃ ass, wiisst all SiC a Faserformen. Et ass ze gesinn, datt den Duerchmiesser vun enger eenzeger Faser ongeféier 3,5μm ass, an hiert Aspektverhältnis ongeféier 3 (<10) ass. Ausserdeem besteet et aus onzählege Nano-SiC-Partikelen, sou datt et zu enger polykristalliner SiC-Struktur gehéiert, déi sech vun den traditionellen SiC-Nanodréit an Eenkristall-SiC-Whiskers ënnerscheet. Dëse fibroséierte SiC ass e strukturellen Defekt, deen duerch onraisonnabel Prozessparameter verursaacht gëtt. Et ass ze gesinn, datt d'Struktur vun dëser SiC-Beschichtung relativ locker ass, an et gëtt eng grouss Zuel vu Poren tëscht dem fibroséierte SiC, an d'Dicht ass ganz niddreg. Dofir ass dës Temperatur net gëeegent fir d'Virbereedung vun dichten SiC-Beschichtungen. Normalerweis ginn fibroséiert SiC-Strukturdefekter duerch eng ze niddreg Oflagerungstemperatur verursaacht. Bei niddregen Temperaturen hunn déi kleng Moleküllen, déi op der Uewerfläch vum Substrat adsorbéiert sinn, eng niddreg Energie an eng schlecht Migratiounsfäegkeet. Dofir tendéieren kleng Moleküllen ze migréieren a wuessen op déi niddregst Uewerflächenfräi Energie vun de SiC-Kären (wéi d'Spëtzt vum Kär). Kontinuéierlecht direktionalt Wuesstum bildt schlussendlech fibrous SiC-Strukturdefekter.

Virbereedung vun der CVD SiC Beschichtung:

Fir d'éischt gëtt de Graphitsubstrat an en Héichtemperatur-Vakuumuewen placéiert an 1 Stonn bei 1500 ℃ an enger Ar-Atmosphär gehale fir d'Asche ze entfernen. Dann gëtt de Graphitblock zu engem Block vun 15x15x5 mm geschnidden, an d'Uewerfläch vum Graphitblock gëtt mat 1200-Mesh-Sandpapier poléiert fir d'Uewerflächenporen ze eliminéieren, déi d'Oflagerung vu SiC beaflossen. De behandelte Graphitblock gëtt mat wasserfreiem Ethanol an destilléiertem Waasser gewäsch an dann an en Uewen bei 100 ℃ fir d'Dréchnen placéiert. Schlussendlech gëtt de Graphitsubstrat an d'Haapttemperaturzon vum Réieruewen fir d'SiC-Oflagerung placéiert. Dat schematescht Diagramm vum chemesche Gasoflagerungssystem ass an der Figur 1 gewisen.

DenCVD SiC Beschichtunggouf duerch Rasterelektronemikroskopie observéiert fir seng Partikelgréisst an Dicht z'analyséieren. Zousätzlech gouf d'Oflagerungsquote vun der SiC-Beschichtung no der folgender Formel berechent: VSiC=(m²-m³)/(Sxt)x100% VSiC = Oflagerungsquote; m2–Mass vun der Beschichtungsprobe (mg); m1–Mass vum Substrat (mg); S-Uewerfläch vum Substrat (mm2); t - d'Oflagerungszäit (h).   CVD-SiC ass relativ komplizéiert, an de Prozess kann wéi follegt zesummegefaasst ginn: bei héijer Temperatur wäert MTS thermesch zersetzen ginn fir kleng Molekülle vun der Kuelestoffquell an der Siliziumquell ze bilden. Déi kleng Molekülle vun der Kuelestoffquell enthalen haaptsächlech CH3, C2H2 an C2H4, an déi kleng Molekülle vun der Siliziumquell enthalen haaptsächlech SiCI2, SiCI3, etc.; dës kleng Molekülle vun der Kuelestoffquell an der Siliziumquell ginn dann duerch den Trägergas an den Verdënnungsgas op d'Uewerfläch vum Graphitsubstrat transportéiert, an dann ginn dës kleng Molekülle op der Uewerfläch vum Substrat a Form vun Adsorptioun adsorbéiert, an dann trieden chemesch Reaktiounen tëscht de klenge Molekülle op fir kleng Drëpsen ze bilden, déi lues a lues wuessen, an d'Drëpsen fusionéieren och, an d'Reaktioun gëtt vun der Bildung vun Zwëschenprodukter (HCl-Gas) begleet; Wann d'Temperatur op 1000 ℃ klëmmt, verbessert sech d'Dicht vun der SiC-Beschichtung däitlech. Et ass ze gesinn, datt de gréissten Deel vun der Beschichtung aus SiC-Kären (ongeféier 4μm Gréisst) besteet, awer et ginn och e puer faserhaft SiC-Defekter fonnt, wat weist, datt et bei dëser Temperatur nach ëmmer e geriichte Wuesstum vu SiC gëtt, an d'Beschichtung nach ëmmer net dicht genuch ass. Wann d'Temperatur op 1100 ℃ klëmmt, ass ze gesinn, datt d'SiC-Beschichtung ganz dicht ass, an d'faserhaft SiC-Defekter komplett verschwonne sinn. D'Beschichtung besteet aus drëpsefërmegen SiC-Partikelen mat engem Duerchmiesser vu ronn 5~10μm, déi enk zesummegesat sinn. D'Uewerfläch vun de Partikelen ass ganz rau. Si besteet aus onzählege SiC-Kären op Nanoskala. Tatsächlech ass de CVD-SiC-Wuesstumsprozess bei 1100 ℃ Massentransferkontrolléiert ginn. Déi kleng Moleküllen, déi op der Uewerfläch vum Substrat adsorbéiert sinn, hunn genuch Energie an Zäit fir sech ze bilden a SiC-Kären ze wuessen. D'SiC-Kären bilden gläichméisseg grouss Drëpsen. Ënnert der Wierkung vun der Uewerflächenenergie erschéngen déi meescht Drëpsen kugelfërmeg, an d'Drëpsen sinn enk zesummegesat fir eng dicht SiC-Beschichtung ze bilden. Wann d'Temperatur op 1200℃ klëmmt, ass d'SiC-Beschichtung och dicht, awer d'SiC-Morphologie gëtt villfälteg an d'Uewerfläch vun der Beschichtung erschéngt méi rau. Wann d'Temperatur op 1300℃ klëmmt, fënnt een eng grouss Zuel vu reegelméissege kugelfërmege Partikelen mat engem Duerchmiesser vu ronn 3μm op der Uewerfläch vum Graphitsubstrat. Dëst läit dorun, datt SiC bei dëser Temperatur an eng Gasphas-Keimbildung ëmgewandelt gouf, an d'MTS-Zersetzungsquote ganz séier ass. Kleng Molekülle hunn reagéiert a gekeimt fir SiC-Kären ze bilden, ier se op der Substratoberfläche adsorbéiert ginn. Nodeems d'Kären kugelfërmeg Partikelen geformt hunn, falen se erof, wat schlussendlech zu enger lockerer SiC-Partikelbeschichtung mat enger schlechter Dicht féiert. Natierlech kënnen 1300℃ net als Bildungstemperatur fir eng dicht SiC-Beschichtung benotzt ginn. E komplette Verglach weist, datt wann eng dicht SiC-Beschichtung virbereet soll ginn, déi optimal CVD-Oflagerungstemperatur 1100℃ ass.

Figur 3 weist d'Oflagerungsquote vu CVD SiC-Beschichtungen bei verschiddenen Oflagerungstemperaturen. Mat der Erhéijung vun der Oflagerungstemperatur hëlt d'Oflagerungsquote vun der SiC-Beschichtung graduell of. D'Oflagerungsquote bei 900°C ass 0,352 mg·h-1/mm2, an dat direktionalt Wuesstum vun de Faseren féiert zu der schnellster Oflagerungsquote. D'Oflagerungsquote vun der Beschichtung mat der héchster Dicht ass 0,179 mg·h-1/mm2. Wéinst der Oflagerung vun e puer SiC-Partikelen ass d'Oflagerungsquote bei 1300°C am niddregsten, nëmmen 0,027 mg·h-1/mm2.   Conclusioun: Déi bescht CVD-Oflagerungstemperatur ass 1100 ℃. Déi niddreg Temperatur fördert de geriichte Wuesstum vu SiC, während eng héich Temperatur verursaacht datt SiC eng Dampoflagerung produzéiert an zu enger dënner Beschichtung féiert. Mat der Erhéijung vun der Oflagerungstemperatur klëmmt d'Oflagerungsquote vunCVD SiC Beschichtunghëlt graduell of.