Wat is CVD SiC-coating?
Chemische dampdepositie (CVD) is een vacuümdepositieproces dat wordt gebruikt om zeer zuivere vaste stoffen te produceren. Dit proces wordt vaak gebruikt in de halfgeleiderindustrie om dunne films te vormen op het oppervlak van wafers. Bij de bereiding van siliciumcarbide door middel van CVD wordt het substraat blootgesteld aan een of meer vluchtige precursors, die chemisch reageren op het oppervlak van het substraat om de gewenste siliciumcarbide-afzettingen af te zetten. Van de vele methoden voor de bereiding van siliciumcarbidematerialen hebben de producten die door middel van chemische dampdepositie worden bereid een hogere uniformiteit en zuiverheid, en is het proces bij deze methode zeer goed te controleren. CVD-siliciumcarbidematerialen hebben een unieke combinatie van uitstekende thermische, elektrische en chemische eigenschappen, waardoor ze zeer geschikt zijn voor gebruik in de halfgeleiderindustrie, waar hoogwaardige materialen vereist zijn. CVD-siliciumcarbidecomponenten worden veel gebruikt in etsapparatuur, MOCVD-apparatuur, Si-epitaxiale apparatuur en SiC-epitaxiale apparatuur, snelle thermische verwerkingsapparatuur en andere sectoren.
Dit artikel richt zich op het analyseren van de kwaliteit van dunne films die bij verschillende procestemperaturen zijn gegroeid tijdens de bereiding vanCVD SiC-coating, om zo de meest geschikte procestemperatuur te selecteren. Het experiment gebruikt grafiet als substraat en trichloormethylsilaan (MTS) als reactiegas. De SiC-coating wordt aangebracht door middel van een lagedruk-CVD-proces, en de micromorfologie van deCVD SiC-coatingwordt met behulp van scanning elektronenmicroscopie waargenomen om de structurele dichtheid ervan te analyseren.
Omdat de oppervlaktetemperatuur van het grafietsubstraat zeer hoog is, wordt het intermediaire gas gedesorbeerd en afgevoerd van het substraatoppervlak. Uiteindelijk vormen de C en Si die op het substraatoppervlak achterblijven SiC in vaste fase, wat resulteert in een SiC-coating. Uit het bovenstaande CVD-SiC-groeiproces blijkt dat de temperatuur de diffusie van het gas, de ontleding van MTS, de vorming van druppels en de desorptie en afvoer van intermediaire gas beïnvloedt. De depositietemperatuur speelt dus een sleutelrol in de morfologie van de SiC-coating. De microscopische morfologie van de coating is de meest intuïtieve uiting van de dichtheid van de coating. Daarom is het noodzakelijk om het effect van verschillende depositietemperaturen op de microscopische morfologie van de CVD-SiC-coating te bestuderen. Omdat MTS SiC-coating kan afbreken en afzetten bij temperaturen tussen 900 en 1600 °C, selecteert dit experiment vijf depositietemperaturen van 900 °C, 1000 °C, 1100 °C, 1200 °C en 1300 °C voor de bereiding van SiC-coating om het effect van temperatuur op CVD-SiC-coating te bestuderen. De specifieke parameters worden weergegeven in tabel 3. Figuur 2 toont de microscopische morfologie van CVD-SiC-coating, gegroeid bij verschillende depositietemperaturen.
Bij een depositietemperatuur van 900 °C ontwikkelt al het SiC zich tot vezelachtige structuren. De diameter van een enkele vezel is ongeveer 3,5 μm en de aspectverhouding is ongeveer 3 (<10). Bovendien bestaat het uit talloze nano-SiC-deeltjes, waardoor het tot een polykristallijne SiC-structuur behoort, die verschilt van de traditionele SiC-nanodraden en monokristallijne SiC-whiskers. Dit vezelachtige SiC is een structureel defect dat wordt veroorzaakt door onredelijke procesparameters. De structuur van deze SiC-coating is relatief los, er zitten veel poriën tussen het vezelachtige SiC en de dichtheid is zeer laag. Daarom is deze temperatuur niet geschikt voor de bereiding van dichte SiC-coatings. Structuurdefecten in vezelachtig SiC worden meestal veroorzaakt door een te lage depositietemperatuur. Bij lage temperaturen hebben de kleine moleculen die aan het oppervlak van het substraat worden geadsorbeerd een lage energie en een slecht migratievermogen. Kleine moleculen hebben daarom de neiging te migreren en te groeien naar de laagste oppervlakte-vrije energie van SiC-korrels (zoals de punt van de korrel). Continue, gerichte groei vormt uiteindelijk vezelachtige SiC-structuurdefecten.
Voorbereiding van CVD SiC-coating:
Eerst wordt het grafietsubstraat in een hogetemperatuur-vacuümoven geplaatst en gedurende 1 uur in een Ar-atmosfeer op 1500 °C gehouden om de as te verwijderen. Vervolgens wordt het grafietblok in blokken van 15 x 15 x 5 mm gesneden en wordt het oppervlak van het blok gepolijst met schuurpapier met een korrelgrootte van 1200 om de poriën te verwijderen die de afzetting van SiC beïnvloeden. Het behandelde grafietblok wordt gewassen met watervrije ethanol en gedestilleerd water en vervolgens in een oven bij 100 °C geplaatst om te drogen. Ten slotte wordt het grafietsubstraat in de hoofdtemperatuurzone van de buisoven geplaatst voor de SiC-afzetting. Het schema van het chemische dampdepositiesysteem is weergegeven in Figuur 1.
DeCVD SiC-coatingwerd waargenomen met behulp van scanning elektronenmicroscopie om de deeltjesgrootte en -dichtheid te analyseren. Daarnaast werd de afzettingssnelheid van de SiC-coating berekend volgens de onderstaande formule: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Afzettingssnelheid; m2–massa van het coatingmonster (mg); m1–massa van het substraat (mg); S-oppervlakte van het substraat (mm2); t-de afzettingstijd (h). CVD-SiC is relatief complex en het proces kan als volgt worden samengevat: bij hoge temperatuur ondergaat MTS thermische ontleding om kleine moleculen te vormen, die afkomstig zijn van de koolstofbron en de siliciumbron. De kleine moleculen, die afkomstig zijn van de koolstofbron, omvatten voornamelijk CH3, C2H2 en C2H4, en de kleine moleculen, die afkomstig zijn van de siliciumbron, omvatten voornamelijk SiCl2, SiCl3, enz. Deze kleine moleculen, die afkomstig zijn van de koolstofbron en de siliciumbron, worden vervolgens door het dragergas en het verdunningsgas naar het oppervlak van het grafietsubstraat getransporteerd. Vervolgens worden deze kleine moleculen door middel van adsorptie aan het oppervlak van het substraat geadsorbeerd. Vervolgens vinden er chemische reacties plaats tussen de kleine moleculen, waardoor kleine druppeltjes ontstaan die geleidelijk groeien. De druppeltjes zullen ook samensmelten, en de reactie gaat gepaard met de vorming van tussenproducten (HCl-gas). Wanneer de temperatuur stijgt tot 1000 ℃, neemt de dichtheid van de SiC-coating aanzienlijk toe. Te zien is dat het grootste deel van de coating bestaat uit SiC-korrels (ongeveer 4 μm groot), maar er worden ook enkele vezelachtige SiC-defecten gevonden, wat aantoont dat er bij deze temperatuur nog steeds sprake is van gerichte groei van SiC en dat de coating nog steeds niet dicht genoeg is. Wanneer de temperatuur stijgt tot 1100 ℃, is te zien dat de SiC-coating zeer dicht is en dat de vezelachtige SiC-defecten volledig verdwenen zijn. De coating bestaat uit druppelvormige SiC-deeltjes met een diameter van ongeveer 5~10 μm, die dicht op elkaar zitten. Het oppervlak van de deeltjes is zeer ruw. Het bestaat uit talloze SiC-korrels op nanoschaal. Sterker nog, het CVD-SiC-groeiproces bij 1100 ℃ is massaoverdrachtsgestuurd geworden. De kleine moleculen die op het oppervlak van het substraat zijn geadsorbeerd, hebben voldoende energie en tijd om te nucleëren en uit te groeien tot SiC-korrels. De SiC-korrels vormen gelijkmatig grote druppels. Onder invloed van oppervlakte-energie lijken de meeste druppels bolvormig en sluiten ze dicht op elkaar aan om een dichte SiC-coating te vormen. Wanneer de temperatuur stijgt tot 1200 °C, is de SiC-coating ook dicht, maar de SiC-morfologie wordt meerlagig en het oppervlak van de coating lijkt ruwer. Wanneer de temperatuur stijgt tot 1300 °C, wordt een groot aantal regelmatige bolvormige deeltjes met een diameter van ongeveer 3 μm aangetroffen op het oppervlak van het grafietsubstraat. Dit komt doordat SiC bij deze temperatuur is omgezet in nucleatie in de gasfase en de MTS-ontledingssnelheid zeer hoog is. Kleine moleculen hebben gereageerd en nucleatie ondergaan om SiC-korrels te vormen voordat ze worden geadsorbeerd aan het substraatoppervlak. Nadat de korrels bolvormige deeltjes hebben gevormd, zullen ze eronder vallen, wat uiteindelijk resulteert in een losse SiC-deeltjescoating met een slechte dichtheid. Uiteraard kan 1300 °C niet worden gebruikt als de vormingstemperatuur voor dichte SiC-coating. Een uitgebreide vergelijking laat zien dat als er dichte SiC-coating moet worden bereid, de optimale CVD-depositietemperatuur 1100 °C is.
Figuur 3 toont de afzettingssnelheid van CVD SiC-coatings bij verschillende afzettingstemperaturen. Naarmate de afzettingstemperatuur stijgt, neemt de afzettingssnelheid van de SiC-coating geleidelijk af. De afzettingssnelheid bij 900 °C is 0,352 mg·h-1/mm², en de gerichte groei van de vezels leidt tot de hoogste afzettingssnelheid. De afzettingssnelheid van de coating met de hoogste dichtheid is 0,179 mg·h-1/mm². Door de afzetting van enkele SiC-deeltjes is de afzettingssnelheid bij 1300 °C het laagst, namelijk slechts 0,027 mg·h-1/mm². Conclusie: De beste CVD-depositietemperatuur is 1100 °C. Een lage temperatuur bevordert de gerichte groei van SiC, terwijl een hoge temperatuur ervoor zorgt dat SiC dampafzetting produceert en resulteert in een dunne coating. Met een stijgende depositietemperatuur neemt de depositiesnelheid vanCVD SiC-coatingneemt geleidelijk af.
Geplaatst op: 26 mei 2025