Kesan Suhu Berbeza Terhadap Pertumbuhan Salutan CVD SiC

Apakah Salutan CVD SiC?

Pemendapan wap kimia (CVD) ialah proses pemendapan vakum yang digunakan untuk menghasilkan bahan pepejal berketulenan tinggi. Proses ini sering digunakan dalam bidang pembuatan semikonduktor untuk membentuk filem nipis pada permukaan wafer. Dalam proses penyediaan silikon karbida melalui CVD, substrat didedahkan kepada satu atau lebih prekursor meruap, yang bertindak balas secara kimia pada permukaan substrat untuk memendapkan mendapan silikon karbida yang diingini. Antara banyak kaedah untuk menyediakan bahan silikon karbida, produk yang disediakan melalui pemendapan wap kimia mempunyai keseragaman dan ketulenan yang lebih tinggi, dan kaedah ini mempunyai kawalan proses yang kukuh. Bahan silikon karbida CVD mempunyai kombinasi unik sifat terma, elektrik dan kimia yang sangat baik, menjadikannya sangat sesuai untuk digunakan dalam industri semikonduktor di mana bahan berprestasi tinggi diperlukan. Komponen silikon karbida CVD digunakan secara meluas dalam peralatan pengukiran, peralatan MOCVD, peralatan epitaksi Si dan peralatan epitaksi SiC, peralatan pemprosesan terma pantas dan bidang lain.

Artikel ini memberi tumpuan kepada menganalisis kualiti filem nipis yang ditumbuhkan pada suhu proses yang berbeza semasa penyediaanSalutan CVD SiC, untuk memilih suhu proses yang paling sesuai. Eksperimen ini menggunakan grafit sebagai substrat dan triklorometilsilane (MTS) sebagai gas sumber tindak balas. Salutan SiC dimendapkan melalui proses CVD tekanan rendah, dan mikromorfologi bagiSalutan CVD SiCdiperhatikan dengan mikroskop elektron imbasan untuk menganalisis ketumpatan strukturnya.

Oleh kerana suhu permukaan substrat grafit sangat tinggi, gas perantaraan akan diserap dan dilepaskan dari permukaan substrat, dan akhirnya C dan Si yang tinggal di permukaan substrat akan membentuk fasa pepejal SiC untuk membentuk salutan SiC. Menurut proses pertumbuhan CVD-SiC di atas, dapat dilihat bahawa suhu akan mempengaruhi penyebaran gas, penguraian MTS, pembentukan titisan dan penyahjerapan dan pelepasan gas perantaraan, jadi suhu pemendapan akan memainkan peranan penting dalam morfologi salutan SiC. Morfologi mikroskopik salutan adalah manifestasi ketumpatan salutan yang paling intuitif. Oleh itu, adalah perlu untuk mengkaji kesan suhu pemendapan yang berbeza terhadap morfologi mikroskopik salutan CVD SiC. Memandangkan MTS boleh mengurai dan memendapkan salutan SiC antara 900~1600℃, eksperimen ini memilih lima suhu pemendapan iaitu 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ dan 1300℃ untuk penyediaan salutan SiC bagi mengkaji kesan suhu pada salutan CVD-SiC. Parameter khusus ditunjukkan dalam Jadual 3. Rajah 2 menunjukkan morfologi mikroskopik salutan CVD-SiC yang ditumbuhkan pada suhu pemendapan yang berbeza.

Apabila suhu pemendapan ialah 900℃, semua SiC tumbuh menjadi bentuk gentian. Dapat dilihat bahawa diameter gentian tunggal adalah kira-kira 3.5μm, dan nisbah aspeknya adalah kira-kira 3 (<10). Selain itu, ia terdiri daripada zarah nano-SiC yang tidak terkira banyaknya, jadi ia tergolong dalam struktur SiC polikristalin, yang berbeza daripada wayar nano SiC tradisional dan misai SiC kristal tunggal. SiC berserat ini adalah kecacatan struktur yang disebabkan oleh parameter proses yang tidak munasabah. Dapat dilihat bahawa struktur salutan SiC ini agak longgar, dan terdapat sejumlah besar liang di antara SiC berserat, dan ketumpatannya sangat rendah. Oleh itu, suhu ini tidak sesuai untuk penyediaan salutan SiC yang padat. Biasanya, kecacatan struktur SiC berserat disebabkan oleh suhu pemendapan yang terlalu rendah. Pada suhu rendah, molekul kecil yang terserap pada permukaan substrat mempunyai tenaga yang rendah dan keupayaan penghijrahan yang lemah. Oleh itu, molekul kecil cenderung untuk berhijrah dan tumbuh ke tenaga bebas permukaan terendah bagi butiran SiC (seperti hujung butiran). Pertumbuhan berarah yang berterusan akhirnya membentuk kecacatan struktur SiC berserat.

Penyediaan Salutan CVD SiC:

Pertama, substrat grafit diletakkan di dalam relau vakum suhu tinggi dan disimpan pada suhu 1500℃ selama 1 jam dalam atmosfera Ar untuk penyingkiran abu. Kemudian blok grafit dipotong menjadi blok berukuran 15x15x5mm, dan permukaan blok grafit digilap dengan kertas pasir 1200-mesh untuk menghilangkan liang permukaan yang mempengaruhi pemendapan SiC. Blok grafit yang dirawat dibasuh dengan etanol kontang dan air suling, kemudian diletakkan di dalam ketuhar pada suhu 100℃ untuk pengeringan. Akhir sekali, substrat grafit diletakkan di zon suhu utama relau tiub untuk pemendapan SiC. Gambarajah skematik sistem pemendapan wap kimia ditunjukkan dalam Rajah 1.

YangSalutan CVD SiCdiperhatikan melalui mikroskop elektron imbasan untuk menganalisis saiz dan ketumpatan zarahnya. Di samping itu, kadar pemendapan salutan SiC dikira mengikut formula di bawah: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Kadar pemendapan; m2–jisim sampel salutan (mg); m1–jisim substrat (mg); Luas permukaan-S substrat (mm2); t-masa pemendapan (j).   CVD-SiC agak rumit, dan prosesnya boleh diringkaskan seperti berikut: pada suhu tinggi, MTS akan mengalami penguraian terma untuk membentuk molekul kecil sumber karbon dan sumber silikon. Molekul kecil sumber karbon terutamanya termasuk CH3, C2H2 dan C2H4, dan molekul kecil sumber silikon terutamanya termasuk SiCI2, SiCI3, dan sebagainya; molekul kecil sumber karbon dan sumber silikon ini kemudiannya akan diangkut ke permukaan substrat grafit oleh gas pembawa dan gas pelarut, dan kemudian molekul kecil ini akan terserap pada permukaan substrat dalam bentuk penjerapan, dan kemudian tindak balas kimia akan berlaku antara molekul kecil untuk membentuk titisan kecil yang secara beransur-ansur membesar, dan titisan juga akan bergabung, dan tindak balas akan disertai dengan pembentukan hasil sampingan perantaraan (gas HCl); Apabila suhu meningkat kepada 1000 ℃, ketumpatan salutan SiC bertambah baik dengan ketara. Dapat dilihat bahawa kebanyakan salutan terdiri daripada butiran SiC (saiz kira-kira 4μm), tetapi beberapa kecacatan SiC berserat juga ditemui, yang menunjukkan bahawa masih terdapat pertumbuhan berarah SiC pada suhu ini, dan salutan masih belum cukup padat. Apabila suhu meningkat kepada 1100 ℃, dapat dilihat bahawa salutan SiC sangat padat, dan kecacatan SiC berserat telah hilang sepenuhnya. Salutan ini terdiri daripada zarah SiC berbentuk titisan dengan diameter kira-kira 5~10μm, yang bergabung rapat. Permukaan zarah sangat kasar. Ia terdiri daripada butiran SiC skala nano yang tidak terkira banyaknya. Malah, proses pertumbuhan CVD-SiC pada 1100 ℃ telah dikawal pemindahan jisim. Molekul kecil yang terserap pada permukaan substrat mempunyai tenaga dan masa yang mencukupi untuk nukleasi dan tumbuh menjadi butiran SiC. Butiran SiC secara seragam membentuk titisan besar. Di bawah tindakan tenaga permukaan, kebanyakan titisan kelihatan sfera, dan titisan bergabung rapat untuk membentuk salutan SiC yang padat. Apabila suhu meningkat kepada 1200℃, salutan SiC juga padat, tetapi morfologi SiC menjadi berjumbai dan permukaan salutan kelihatan lebih kasar. Apabila suhu meningkat kepada 1300℃, sebilangan besar zarah sfera biasa dengan diameter kira-kira 3μm ditemui pada permukaan substrat grafit. Ini kerana pada suhu ini, SiC telah berubah menjadi nukleasi fasa gas, dan kadar penguraian MTS adalah sangat cepat. Molekul kecil telah bertindak balas dan nukleasi untuk membentuk butiran SiC sebelum ia terserap pada permukaan substrat. Selepas butiran membentuk zarah sfera, ia akan jatuh ke bawah, akhirnya menghasilkan salutan zarah SiC yang longgar dengan ketumpatan yang lemah. Jelas sekali, 1300℃ tidak boleh digunakan sebagai suhu pembentukan salutan SiC yang padat. Perbandingan komprehensif menunjukkan bahawa jika salutan SiC yang padat hendak disediakan, suhu pemendapan CVD yang optimum ialah 1100℃.

Rajah 3 menunjukkan kadar pemendapan salutan CVD SiC pada suhu pemendapan yang berbeza. Apabila suhu pemendapan meningkat, kadar pemendapan salutan SiC secara beransur-ansur menurun. Kadar pemendapan pada 900°C ialah 0.352 mg·h-1/mm2, dan pertumbuhan berarah gentian membawa kepada kadar pemendapan terpantas. Kadar pemendapan salutan dengan ketumpatan tertinggi ialah 0.179 mg·h-1/mm2. Disebabkan oleh pemendapan beberapa zarah SiC, kadar pemendapan pada 1300°C adalah yang terendah, hanya 0.027 mg·h-1/mm2.   Kesimpulan: Suhu pemendapan CVD terbaik ialah 1100℃. Suhu rendah menggalakkan pertumbuhan berarah SiC, manakala suhu tinggi menyebabkan SiC menghasilkan pemendapan wap dan mengakibatkan salutan jarang. Dengan peningkatan suhu pemendapan, kadar pemendapanSalutan CVD SiCberansur-ansur berkurangan.