Skirtingų temperatūrų poveikis CVD SiC dangos augimui

Kas yra CVD SiC danga?

Cheminis garų nusodinimas (CVD) yra vakuuminio nusodinimo procesas, naudojamas labai grynoms kietoms medžiagoms gaminti. Šis procesas dažnai naudojamas puslaidininkių gamybos srityje plonoms plėvelėms formuoti ant plokštelių paviršiaus. CVD metodu ruošiant silicio karbidą, substratas yra veikiamas vienu ar keliais lakiaisiais pirmtakais, kurie chemiškai reaguoja su substrato paviršiumi ir nusodina norimas silicio karbido nuosėdas. Iš daugelio silicio karbido medžiagų gamybos metodų, cheminio garų nusodinimo būdu pagaminti produktai pasižymi didesniu vienodumu ir grynumu, o šis metodas pasižymi geru proceso valdymu. CVD silicio karbido medžiagos pasižymi unikaliu puikių terminių, elektrinių ir cheminių savybių deriniu, todėl jos labai tinka naudoti puslaidininkių pramonėje, kur reikalingos didelio našumo medžiagos. CVD silicio karbido komponentai plačiai naudojami ėsdinimo įrangoje, MOCVD įrangoje, Si epitaksijos įrangoje ir SiC epitaksijos įrangoje, greito terminio apdorojimo įrangoje ir kitose srityse.

Šiame straipsnyje daugiausia dėmesio skiriama plonų plėvelių, užaugintų skirtingose ​​proceso temperatūrose, kokybės analizei ruošiant...CVD SiC danga, kad būtų galima pasirinkti tinkamiausią proceso temperatūrą. Eksperimente kaip substratas naudojamas grafitas, o kaip reakcijos šaltinio dujos – trichlormetilsilanas (MTS). SiC danga nusodinama žemo slėgio CVD procesu, o jos mikromorfologijaCVD SiC dangastebimas skenuojančia elektronine mikroskopija, siekiant išanalizuoti jo struktūrinį tankį.

Kadangi grafito substrato paviršiaus temperatūra yra labai aukšta, tarpinės dujos bus desorbuojamos ir išleidžiamos iš substrato paviršiaus, o galiausiai substrato paviršiuje likę C ir Si sudarys kietos fazės SiC, sudarydami SiC dangą. Remiantis aukščiau aprašytu CVD-SiC augimo procesu, matyti, kad temperatūra turės įtakos dujų difuzijai, MTS skaidymuisi, lašelių susidarymui ir tarpinių dujų desorbcijai bei išleidimui, todėl nusodinimo temperatūra vaidins pagrindinį vaidmenį SiC dangos morfologijoje. Dangos mikroskopinė morfologija yra intuityviausias dangos tankio išraiška. Todėl būtina ištirti skirtingų nusodinimo temperatūrų poveikį CVD SiC dangos mikroskopinei morfologijai. Kadangi MTS gali skaidyti ir nusodinti SiC dangą 900–1600 ℃ temperatūroje, šiame eksperimente SiC dangai paruošti parenkamos penkios nusodinimo temperatūros: 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃ ir 1300 ℃, siekiant ištirti temperatūros poveikį CVD-SiC dangai. Konkretūs parametrai pateikti 3 lentelėje. 2 paveiksle parodyta skirtingose ​​nusodinimo temperatūrose užaugintos CVD-SiC dangos mikroskopinė morfologija.

Kai nusodinimo temperatūra siekia 900 ℃, visas SiC įauga į pluošto formas. Matyti, kad vieno pluošto skersmuo yra apie 3,5 μm, o jo kraštinių santykis yra apie 3 (<10). Be to, jį sudaro daugybė nanodalelių SiC, todėl jis priklauso polikristalinei SiC struktūrai, kuri skiriasi nuo tradicinių SiC nanowires ir monokristalinių SiC "ūsų". Šis pluoštinis SiC yra struktūrinis defektas, atsiradęs dėl nepagrįstų proceso parametrų. Matyti, kad šios SiC dangos struktūra yra gana laisva, tarp pluoštinio SiC yra daug porų, o tankis yra labai mažas. Todėl ši temperatūra netinka tankių SiC dangų gamybai. Paprastai pluoštinio SiC struktūriniai defektai atsiranda dėl per žemos nusodinimo temperatūros. Žemoje temperatūroje ant pagrindo paviršiaus adsorbuotos mažos molekulės turi mažą energiją ir prastą migracijos gebėjimą. Todėl mažos molekulės linkusios migruoti ir augti iki žemiausios SiC grūdelių paviršiaus laisvosios energijos (pvz., grūdo viršūnės). Nuolatinis kryptingas augimas galiausiai suformuoja pluoštinio SiC struktūrinius defektus.

CVD SiC dangos paruošimas:

Pirma, grafito substratas dedamas į aukštos temperatūros vakuuminę krosnį ir 1 valandą laikoma 1500 ℃ temperatūroje Ar atmosferoje, kad būtų pašalinti pelenai. Tada grafito blokas supjaustomas į 15x15x5 mm dydžio gabalėlius, o grafito bloko paviršius poliruojamas 1200 akučių švitriniu popieriumi, kad būtų pašalintos paviršiaus poros, turinčios įtakos SiC nusodinimui. Apdorotas grafito blokas plaunamas bevandeniu etanoliu ir distiliuotu vandeniu, o po to dedamas į 100 ℃ temperatūros krosnį džiovinimui. Galiausiai grafito substratas dedamas į pagrindinę vamzdinės krosnies temperatūros zoną SiC nusodinimui. Cheminio garinimo sistemos schema parodyta 1 paveiksle.

TheCVD SiC dangabuvo stebimas skenuojančia elektronine mikroskopija, siekiant išanalizuoti jo dalelių dydį ir tankį. Be to, SiC dangos nusodinimo greitis buvo apskaičiuotas pagal šią formulę: VSiC = (m² - m³) / (Sxt) × 100 % VSiC = Nusodinimo greitis; m2 – dangos mėginio masė (mg); m1 – substrato masė (mg); S – pagrindo paviršiaus plotas (mm2); t – nusėdimo laikas (h).   CVD-SiC yra gana sudėtingas procesas, kurį galima apibendrinti taip: aukštoje temperatūroje MTS termiškai skyla ir sudaro mažas anglies šaltinio ir silicio šaltinio molekules. Mažos anglies šaltinio molekulės daugiausia yra CH3, C2H2 ir C2H4, o mažos silicio šaltinio molekulės daugiausia yra SiCI2, SiCI3 ir kt.; šios mažos anglies šaltinio ir silicio šaltinio molekulės nešiklio dujomis ir skiediklio dujomis bus pernešamos į grafito substrato paviršių, o tada šios mažos molekulės bus adsorbuotos substrato paviršiuje adsorbcijos pavidalu, o tada tarp mažų molekulių vyks cheminės reakcijos, sudarydamos mažus lašelius, kurie palaipsniui augs, ir lašeliai taip pat susilies, o reakcijos metu susidarys tarpiniai šalutiniai produktai (HCl dujos); Kai temperatūra pakyla iki 1000 ℃, SiC dangos tankis labai padidėja. Matyti, kad didžiąją dangos dalį sudaro SiC grūdeliai (apie 4 μm dydžio), tačiau taip pat aptinkama ir kai kurių pluoštinių SiC defektų, rodančių, kad šioje temperatūroje SiC vis dar auga kryptingai, o danga vis dar nėra pakankamai tanki. Kai temperatūra pakyla iki 1100 ℃, matyti, kad SiC danga yra labai tanki, o pluoštiniai SiC defektai visiškai išnyksta. Danga sudaryta iš maždaug 5–10 μm skersmens lašelio formos SiC dalelių, kurios yra sandariai sujungtos. Dalelių paviršius yra labai šiurkštus. Ją sudaro daugybė nanoskalės SiC grūdelių. Iš tikrųjų CVD-SiC augimo procesas 1100 ℃ temperatūroje tapo kontroliuojamas masės perdavimu. Mažos molekulės, adsorbuotos ant substrato paviršiaus, turi pakankamai energijos ir laiko, kad susidarytų branduoliai ir išaugtų į SiC grūdelius. SiC grūdeliai tolygiai sudaro didelius lašelius. Veikiant paviršiaus energijai, dauguma lašelių atrodo sferiniai, o lašeliai yra sandariai sujungti ir sudaro tankią SiC dangą. Kai temperatūra pakyla iki 1200 ℃, SiC danga taip pat tampa tanki, tačiau SiC morfologija tampa daugiabriaunė, o dangos paviršius atrodo šiurkštesnis. Kai temperatūra pakyla iki 1300 ℃, grafito substrato paviršiuje atsiranda daug taisyklingų sferinių dalelių, kurių skersmuo yra apie 3 μm. Taip yra todėl, kad šioje temperatūroje SiC virsta dujų fazės branduoliu, o MTS skilimo greitis yra labai didelis. Mažos molekulės sureagavo ir suformavo SiC grūdelius prieš joms adsorbuojantis ant substrato paviršiaus. Kai grūdeliai suformuoja sferines daleles, jie nukrenta žemiau, todėl galiausiai susidaro puri SiC dalelių danga su mažu tankiu. Akivaizdu, kad 1300 ℃ negali būti naudojama kaip tankios SiC dangos formavimo temperatūra. Išsamus palyginimas rodo, kad norint paruošti tankią SiC dangą, optimali CVD nusodinimo temperatūra yra 1100 ℃.

3 paveiksle parodytas CVD SiC dangų nusodinimo greitis esant skirtingoms nusodinimo temperatūroms. Didėjant nusodinimo temperatūrai, SiC dangos nusodinimo greitis palaipsniui mažėja. Nusodinimo greitis esant 900 °C temperatūrai yra 0,352 mg·h-1/mm2, o kryptingas pluoštų augimas lemia greičiausią nusodinimo greitį. Didžiausio tankio dangos nusodinimo greitis yra 0,179 mg·h-1/mm2. Dėl kai kurių SiC dalelių nusodinimo nusodinimo greitis esant 1300 °C temperatūrai yra mažiausias – tik 0,027 mg·h-1/mm2.   Išvada: Geriausia CVD nusodinimo temperatūra yra 1100 ℃. Žema temperatūra skatina kryptingą SiC augimą, o aukšta temperatūra sukelia SiC garų nusodinimą ir retą dangos susidarymą. Didėjant nusodinimo temperatūrai, nusodinimo greitis didėja.CVD SiC dangapalaipsniui mažėja.