X'inhu l-Kisi tas-SiC bis-CVD?
Id-depożizzjoni kimika tal-fwar (CVD) hija proċess ta' depożizzjoni bil-vakwu użat biex jipproduċi materjali solidi ta' purità għolja. Dan il-proċess spiss jintuża fil-qasam tal-manifattura tas-semikondutturi biex jifforma films irqaq fuq il-wiċċ tal-wejfers. Fil-proċess tat-tħejjija tas-silikon karbur permezz tas-CVD, is-sottostrat jiġi espost għal prekursur volatili wieħed jew aktar, li jirreaġixxu kimikament fuq il-wiċċ tas-sottostrat biex jiddepożitaw id-depożiti mixtieqa tas-silikon karbur. Fost il-ħafna metodi għat-tħejjija ta' materjali tas-silikon karbur, il-prodotti ppreparati permezz tad-depożizzjoni kimika tal-fwar għandhom uniformità u purità ogħla, u dan il-metodu għandu kontrollabbiltà qawwija tal-proċess. Il-materjali tas-silikon karbur CVD għandhom taħlita unika ta' proprjetajiet termali, elettriċi u kimiċi eċċellenti, li jagħmluhom adattati ħafna għall-użu fl-industrija tas-semikondutturi fejn huma meħtieġa materjali ta' prestazzjoni għolja. Il-komponenti tas-silikon karbur CVD jintużaw ħafna f'tagħmir tal-inċiżjoni, tagħmir MOCVD, tagħmir epitassjali Si u tagħmir epitassjali SiC, tagħmir tal-ipproċessar termali rapidu u oqsma oħra.
Dan l-artikolu jiffoka fuq l-analiżi tal-kwalità ta' films irqaq imkabbra f'temperaturi differenti tal-proċess matul il-preparazzjoni ta'Kisi tas-SiC CVD, sabiex tintgħażel l-aktar temperatura xierqa tal-proċess. L-esperiment juża l-grafita bħala s-sottostrat u t-trikloromethylsilane (MTS) bħala l-gass tas-sors tar-reazzjoni. Il-kisi tas-SiC jiġi depożitat permezz ta' proċess CVD bi pressjoni baxxa, u l-mikromorfoloġija tal-Kisi tas-SiC CVDjiġi osservat permezz ta' mikroskopija elettronika tal-iskannjar biex tiġi analizzata d-densità strutturali tiegħu.
Minħabba li t-temperatura tal-wiċċ tas-sottostrat tal-grafita hija għolja ħafna, il-gass intermedju se jiġi desorbit u skarikat mill-wiċċ tas-sottostrat, u finalment is-C u s-Si li jibqgħu fuq il-wiċċ tas-sottostrat se jiffurmaw SiC f'fażi solida biex jiffurmaw kisi tas-SiC. Skont il-proċess ta' tkabbir CVD-SiC ta' hawn fuq, jista' jidher li t-temperatura se taffettwa d-diffużjoni tal-gass, id-dekompożizzjoni tal-MTS, il-formazzjoni ta' qtar u d-desorbiment u l-iskariku tal-gass intermedju, għalhekk it-temperatura tad-depożizzjoni se jkollha rwol ewlieni fil-morfoloġija tal-kisi tas-SiC. Il-morfoloġija mikroskopika tal-kisi hija l-aktar manifestazzjoni intuwittiva tad-densità tal-kisi. Għalhekk, huwa meħtieġ li jiġi studjat l-effett ta' temperaturi differenti ta' depożizzjoni fuq il-morfoloġija mikroskopika tal-kisi CVD-SiC. Peress li l-MTS jista' jiddekomponi u jiddepożita kisi tas-SiC bejn 900~1600℃, dan l-esperiment jagħżel ħames temperaturi ta' depożizzjoni ta' 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ u 1300℃ għall-preparazzjoni tal-kisi tas-SiC biex jistudja l-effett tat-temperatura fuq il-kisi CVD-SiC. Il-parametri speċifiċi huma murija fit-Tabella 3. Il-Figura 2 turi l-morfoloġija mikroskopika tal-kisi CVD-SiC imkabbar f'temperaturi ta' depożizzjoni differenti.
Meta t-temperatura tad-depożizzjoni tkun 900℃, is-SiC kollu jikber f'forom ta' fibra. Jista' jidher li d-dijametru ta' fibra waħda huwa madwar 3.5μm, u l-proporzjon tal-aspett tagħha huwa madwar 3 (<10). Barra minn hekk, huwa magħmul minn għadd kbir ta' partiċelli nano-SiC, għalhekk jappartjeni għal struttura polikristallina tas-SiC, li hija differenti min-nanowires tradizzjonali tas-SiC u l-whiskers tas-SiC b'kristall wieħed. Dan is-SiC fibruż huwa difett strutturali kkawżat minn parametri tal-proċess mhux raġonevoli. Jista' jidher li l-istruttura ta' dan il-kisi tas-SiC hija relattivament maħlula, u hemm numru kbir ta' pori bejn is-SiC fibruż, u d-densità hija baxxa ħafna. Għalhekk, din it-temperatura mhijiex adattata għall-preparazzjoni ta' kisi dens tas-SiC. Normalment, id-difetti strutturali fibrużi tas-SiC huma kkawżati minn temperatura ta' depożizzjoni baxxa wisq. F'temperaturi baxxi, il-molekuli żgħar assorbiti fuq il-wiċċ tas-sottostrat għandhom enerġija baxxa u kapaċità ta' migrazzjoni fqira. Għalhekk, il-molekuli żgħar għandhom it-tendenza li jemigraw u jikbru sal-inqas enerġija ħielsa tal-wiċċ tal-qmuħ tas-SiC (bħall-ponta tal-qamħ). It-tkabbir direzzjonali kontinwu eventwalment jifforma difetti strutturali fibrużi tas-SiC.
Tħejjija tal-Kisi tas-SiC bis-CVD:
L-ewwel, is-sottostrat tal-grafita jitqiegħed f'forn tal-vakwu b'temperatura għolja u jinżamm f'1500℃ għal siegħa f'atmosfera ta' Ar għat-tneħħija tal-irmied. Imbagħad il-blokka tal-grafita tinqata' f'blokka ta' 15x15x5mm, u l-wiċċ tal-blokka tal-grafita jiġi llustrat b'karta tal-ħmieġ ta' 1200-mesh biex jiġu eliminati l-pori tal-wiċċ li jaffettwaw id-depożizzjoni tas-SiC. Il-blokka tal-grafita trattata tinħasel b'etanol anidru u ilma distillat, u mbagħad titqiegħed f'forn f'100℃ għat-tnixxif. Fl-aħħar, is-sottostrat tal-grafita jitqiegħed fiż-żona tat-temperatura ewlenija tal-forn tubulari għad-depożizzjoni tas-SiC. Id-dijagramma skematika tas-sistema ta' depożizzjoni kimika bil-fwar hija murija fil-Figura 1.
Il-Kisi tas-SiC CVDġiet osservata permezz ta' mikroskopija elettronika tal-iskannjar biex jiġu analizzati d-daqs u d-densità tal-partiċelli tagħha. Barra minn hekk, ir-rata ta' depożizzjoni tal-kisi tas-SiC ġiet ikkalkulata skont il-formula t'hawn taħt: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Rata ta' depożizzjoni; m2–massa tal-kampjun tal-kisi (mg); m1–massa tas-sottostrat (mg); L-erja tal-wiċċ S tas-sottostrat (mm2); t-il-ħin tad-depożizzjoni (h). Is-CVD-SiC huwa relattivament ikkumplikat, u l-proċess jista' jiġi mqassar kif ġej: f'temperatura għolja, l-MTS jgħaddi minn dekompożizzjoni termali biex jifforma molekuli żgħar tas-sors tal-karbonju u tas-sors tas-silikon. Il-molekuli żgħar tas-sors tal-karbonju jinkludu prinċipalment CH3, C2H2 u C2H4, u l-molekuli żgħar tas-sors tas-silikon jinkludu prinċipalment SiCI2, SiCI3, eċċ.; dawn il-molekuli żgħar tas-sors tal-karbonju u tas-sors tas-silikon imbagħad jiġu ttrasportati lejn il-wiċċ tas-sottostrat tal-grafita mill-gass trasportatur u l-gass dilwent, u mbagħad dawn il-molekuli żgħar jiġu assorbiti fuq il-wiċċ tas-sottostrat fil-forma ta' adsorbiment, u mbagħad iseħħu reazzjonijiet kimiċi bejn il-molekuli żgħar biex jiffurmaw qtar żgħir li jikber gradwalment, u l-qtar jingħaqad ukoll, u r-reazzjoni tkun akkumpanjata mill-formazzjoni ta' prodotti sekondarji intermedji (gass HCl); Meta t-temperatura titla’ għal 1000 ℃, id-densità tal-kisi tas-SiC titjieb ħafna. Jidher li l-biċċa l-kbira tal-kisi hija magħmula minn qmuħ tas-SiC (madwar 4μm fid-daqs), iżda jinstabu wkoll xi difetti fibrużi tas-SiC, li juri li għad hemm tkabbir direzzjonali tas-SiC f’din it-temperatura, u l-kisi għadu mhux dens biżżejjed. Meta t-temperatura titla’ għal 1100 ℃, jidher li l-kisi tas-SiC huwa dens ħafna, u d-difetti fibrużi tas-SiC sparixxew kompletament. Il-kisi huwa magħmul minn partiċelli tas-SiC f’forma ta’ qtar b’dijametru ta’ madwar 5 ~ 10μm, li huma magħqudin sew. Il-wiċċ tal-partiċelli huwa mhux maħdum ħafna. Huwa magħmul minn għadd kbir ta’ qmuħ tas-SiC fuq skala nanometrika. Fil-fatt, il-proċess ta’ tkabbir CVD-SiC f’1100 ℃ sar ikkontrollat mit-trasferiment tal-massa. Il-molekuli żgħar assorbiti fuq il-wiċċ tas-sottostrat għandhom biżżejjed enerġija u ħin biex jinnukleaw u jikbru fi qmuħ tas-SiC. Il-qmuħ tas-SiC jiffurmaw qtar kbar b’mod uniformi. Taħt l-azzjoni tal-enerġija tal-wiċċ, il-biċċa l-kbira tal-qtar jidhru sferiċi, u l-qtar huma kkombinati sew biex jiffurmaw kisi dens ta' SiC. Meta t-temperatura titla’ għal 1200℃, il-kisi tas-SiC ikun ukoll dens, iżda l-morfoloġija tas-SiC issir b’ħafna xfar u l-wiċċ tal-kisi jidher aktar mhux maħdum. Meta t-temperatura tiżdied għal 1300℃, numru kbir ta’ partiċelli sferiċi regolari b’dijametru ta’ madwar 3μm jinstabu fuq il-wiċċ tas-sottostrat tal-grafita. Dan għaliex f’din it-temperatura, is-SiC ikun ġie ttrasformat f’nukleazzjoni tal-fażi tal-gass, u r-rata ta’ dekompożizzjoni tal-MTS hija mgħaġġla ħafna. Molekuli żgħar irreaġixxew u nnukleaw biex jiffurmaw qmuħ tas-SiC qabel ma jiġu assorbiti fuq il-wiċċ tas-sottostrat. Wara li l-qmuħ jiffurmaw partiċelli sferiċi, jaqgħu taħtha, u eventwalment jirriżultaw f’kisi ta’ partiċelli tas-SiC maħlul b’densità fqira. Ovvjament, 1300℃ ma jistgħux jintużaw bħala t-temperatura tal-iffurmar ta’ kisi dens tas-SiC. Paragun komprensiv juri li jekk għandu jiġi ppreparat kisi dens tas-SiC, it-temperatura ottimali tad-depożizzjoni tas-CVD hija 1100℃.
Il-Figura 3 turi r-rata ta' depożizzjoni ta' kisi CVD SiC f'temperaturi ta' depożizzjoni differenti. Hekk kif it-temperatura tad-depożizzjoni tiżdied, ir-rata ta' depożizzjoni tal-kisi SiC tonqos gradwalment. Ir-rata ta' depożizzjoni f'900°C hija 0.352 mg·h-1/mm2, u t-tkabbir direzzjonali tal-fibri jwassal għall-aktar rata ta' depożizzjoni mgħaġġla. Ir-rata ta' depożizzjoni tal-kisi bl-ogħla densità hija 0.179 mg·h-1/mm2. Minħabba d-depożizzjoni ta' xi partiċelli SiC, ir-rata ta' depożizzjoni f'1300°C hija l-aktar baxxa, 0.027 mg·h-1/mm2 biss. Konklużjoni: L-aħjar temperatura ta' depożizzjoni CVD hija 1100℃. Temperatura baxxa tippromwovi t-tkabbir direzzjonali tas-SiC, filwaqt li temperatura għolja tikkawża li s-SiC jipproduċi depożizzjoni tal-fwar u jirriżulta f'kisi spars. Biż-żieda fit-temperatura tad-depożizzjoni, ir-rata ta' depożizzjoni ta'Kisi tas-SiC CVDtonqos gradwalment.
Ħin tal-posta: 26 ta' Mejju 2025