Czym jest powłoka CVD SiC?
Osadzanie chemiczne z fazy gazowej (CVD) to proces osadzania próżniowego stosowany do produkcji materiałów stałych o wysokiej czystości. Proces ten jest często stosowany w przemyśle półprzewodnikowym do formowania cienkich warstw na powierzchni płytek. W procesie wytwarzania węglika krzemu metodą CVD podłoże jest wystawiane na działanie jednego lub kilku lotnych prekursorów, które reagują chemicznie na powierzchni podłoża, osadzając pożądane warstwy węglika krzemu. Spośród wielu metod wytwarzania materiałów z węglika krzemu, produkty otrzymywane metodą chemicznego osadzania z fazy gazowej charakteryzują się wyższą jednorodnością i czystością, a metoda ta zapewnia wysoką sterowalność procesu. Materiały z węglika krzemu CVD charakteryzują się unikalnym połączeniem doskonałych właściwości termicznych, elektrycznych i chemicznych, co czyni je idealnymi do zastosowań w przemyśle półprzewodnikowym, gdzie wymagane są materiały o wysokiej wydajności. Elementy z węglika krzemu CVD są szeroko stosowane w urządzeniach do trawienia, urządzeniach MOCVD, urządzeniach epitaksjalnych Si i SiC, urządzeniach do szybkiej obróbki cieplnej i innych dziedzinach.
W artykule tym skupiono się na analizie jakości cienkich warstw wytwarzanych w różnych temperaturach procesu podczas przygotowywaniaPowłoka CVD SiC, aby wybrać najodpowiedniejszą temperaturę procesu. W eksperymencie wykorzystano grafit jako podłoże i trichlorometylosilan (MTS) jako gaz źródłowy reakcji. Powłoka SiC jest osadzana metodą CVD pod niskim ciśnieniem, a mikromorfologiaPowłoka CVD SiCjest obserwowany za pomocą mikroskopii elektronowej skaningowej w celu analizy gęstości strukturalnej.
Ponieważ temperatura powierzchni podłoża grafitowego jest bardzo wysoka, gaz pośredni zostanie zdesorbowany i uwolniony z powierzchni podłoża, a ostatecznie C i Si pozostałe na powierzchni podłoża utworzą fazę stałą SiC, tworząc powłokę SiC. Zgodnie z powyższym procesem wzrostu CVD-SiC, można zauważyć, że temperatura wpływa na dyfuzję gazu, rozkład MTS, tworzenie się kropel oraz desorpcję i uwolnienie gazu pośredniego, dlatego temperatura osadzania odgrywa kluczową rolę w morfologii powłoki SiC. Mikroskopowa morfologia powłoki jest najbardziej intuicyjnym przejawem jej gęstości. Dlatego konieczne jest zbadanie wpływu różnych temperatur osadzania na mikroskopową morfologię powłoki SiC CVD. Ponieważ MTS może rozkładać i osadzać powłoki SiC w temperaturach 900–1600°C, w tym eksperymencie wybrano pięć temperatur osadzania: 900°C, 1000°C, 1100°C, 1200°C i 1300°C do przygotowania powłoki SiC, aby zbadać wpływ temperatury na powłokę CVD-SiC. Szczegółowe parametry przedstawiono w tabeli 3. Rysunek 2 przedstawia mikroskopową morfologię powłoki CVD-SiC wytwarzanej w różnych temperaturach osadzania.
Gdy temperatura osadzania wynosi 900°C, cały SiC rozrasta się do postaci włókien. Widać, że średnica pojedynczego włókna wynosi około 3,5 μm, a jego współczynnik kształtu wynosi około 3 (<10). Ponadto składa się ono z niezliczonej liczby nanocząstek SiC, a zatem należy do polikrystalicznej struktury SiC, która różni się od tradycyjnych nanodrutów SiC i monokrystalicznych wiskerów SiC. Ten włóknisty SiC jest defektem strukturalnym spowodowanym przez nieracjonalne parametry procesu. Widać, że struktura tej powłoki SiC jest stosunkowo luźna, a między włóknistym SiC występuje duża liczba porów, a gęstość jest bardzo niska. Dlatego ta temperatura nie jest odpowiednia do wytwarzania gęstych powłok SiC. Zazwyczaj defekty strukturalne włóknistego SiC są spowodowane zbyt niską temperaturą osadzania. W niskich temperaturach małe cząsteczki zaadsorbowane na powierzchni podłoża mają niską energię i słabą zdolność migracji. W związku z tym małe cząsteczki mają tendencję do migracji i wzrostu do najniższej swobodnej energii powierzchniowej ziaren SiC (takiej jak wierzchołek ziarna). Ciągły wzrost kierunkowy ostatecznie prowadzi do powstania włóknistych defektów strukturalnych SiC.
Przygotowanie powłoki SiC CVD:
Najpierw podłoże grafitowe umieszcza się w piecu próżniowym o wysokiej temperaturze i utrzymuje w temperaturze 1500°C przez 1 godzinę w atmosferze argonu (Ar) w celu usunięcia popiołu. Następnie blok grafitowy jest cięty na bloki o wymiarach 15x15x5 mm, a jego powierzchnia jest polerowana papierem ściernym o oczkach 1200 mesh w celu usunięcia porów powierzchniowych, które utrudniają osadzanie SiC. Obrobiony blok grafitowy jest myty bezwodnym etanolem i wodą destylowaną, a następnie umieszczany w piecu o temperaturze 100°C w celu wysuszenia. Na koniec podłoże grafitowe umieszcza się w głównej strefie temperaturowej pieca rurowego w celu osadzania SiC. Schemat systemu chemicznego osadzania z fazy gazowej przedstawiono na rysunku 1.
TenPowłoka CVD SiCObserwowano za pomocą skaningowej mikroskopii elektronowej, aby przeanalizować wielkość i gęstość cząstek. Dodatkowo, szybkość osadzania powłoki SiC obliczono zgodnie z poniższym wzorem: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Szybkość osadzania; m2 – masa próbki powłoki (mg); m1 – masa substratu (mg); S - powierzchnia podłoża (mm2); t - czas osadzania (h). CVD-SiC jest stosunkowo skomplikowany, a proces można podsumować następująco: w wysokiej temperaturze MTS ulega rozkładowi termicznemu, tworząc małe cząsteczki będące źródłem węgla i krzemu. Małe cząsteczki będące źródłem węgla obejmują głównie CH3, C2H2 i C2H4, a małe cząsteczki będące źródłem krzemu obejmują głównie SiCI2, SiCI3 itd.; te małe cząsteczki będące źródłem węgla i krzemu będą następnie transportowane na powierzchnię podłoża grafitowego przez gaz nośny i gaz rozcieńczający, a następnie te małe cząsteczki zostaną zaadsorbowane na powierzchni podłoża w formie adsorpcji, a następnie zajdą reakcje chemiczne między małymi cząsteczkami, tworząc małe kropelki, które stopniowo rosną, a kropelki również się połączą, a reakcji będzie towarzyszyć tworzenie pośrednich produktów ubocznych (gaz HCl); Po wzroście temperatury do 1000°C gęstość powłoki SiC ulega znacznej poprawie. Widać, że większość powłoki składa się z ziaren SiC (o wielkości około 4 μm), ale występują również pewne włókniste defekty SiC, co wskazuje na to, że w tej temperaturze nadal występuje kierunkowy wzrost SiC, a powłoka nadal nie jest wystarczająco gęsta. Po wzroście temperatury do 1100°C widać, że powłoka SiC jest bardzo gęsta, a włókniste defekty SiC całkowicie zanikają. Powłoka składa się z kropelkowych cząstek SiC o średnicy około 5–10 μm, które są ściśle ze sobą połączone. Powierzchnia cząstek jest bardzo szorstka. Składa się ona z niezliczonych nanocząstek SiC. W rzeczywistości proces wzrostu CVD-SiC w temperaturze 1100°C stał się kontrolowanym transferem masy. Małe cząsteczki zaadsorbowane na powierzchni podłoża mają wystarczającą energię i czas, aby zarodkować i rozrosnąć się w ziarna SiC. Ziarna SiC równomiernie tworzą duże krople. Pod wpływem energii powierzchniowej większość kropli przybiera kształt kulisty, a krople są ściśle ze sobą połączone, tworząc gęstą powłokę SiC. Gdy temperatura wzrasta do 1200°C, powłoka SiC również staje się gęsta, ale morfologia SiC staje się wieloprążkowana, a powierzchnia powłoki wydaje się bardziej szorstka. Gdy temperatura wzrasta do 1300°C, na powierzchni podłoża grafitowego pojawia się duża liczba regularnych, kulistych cząstek o średnicy około 3 μm. Dzieje się tak, ponieważ w tej temperaturze SiC przekształca się w fazę gazową, a tempo rozkładu MTS jest bardzo szybkie. Małe cząsteczki reagują i tworzą nukleacje, tworząc ziarna SiC, zanim zostaną zaadsorbowane na powierzchni podłoża. Po utworzeniu kulistych cząstek ziarna opadają poniżej, co ostatecznie prowadzi do powstania luźnej powłoki SiC o niskiej gęstości. Oczywiście, 1300°C nie może być stosowane jako temperatura formowania gęstej powłoki SiC. Kompleksowe porównanie pokazuje, że w przypadku przygotowania gęstej powłoki SiC optymalna temperatura osadzania CVD wynosi 1100°C.
Rysunek 3 przedstawia szybkość osadzania powłok SiC CVD w różnych temperaturach osadzania. Wraz ze wzrostem temperatury osadzania, szybkość osadzania powłoki SiC stopniowo maleje. Szybkość osadzania w temperaturze 900°C wynosi 0,352 mg·h-1/mm², a kierunkowy wzrost włókien zapewnia najwyższą szybkość osadzania. Szybkość osadzania powłoki o największej gęstości wynosi 0,179 mg·h-1/mm². Ze względu na osadzanie się cząstek SiC, szybkość osadzania w temperaturze 1300°C jest najniższa i wynosi zaledwie 0,027 mg·h-1/mm². Wniosek: Najlepsza temperatura osadzania CVD wynosi 1100°C. Niska temperatura sprzyja kierunkowemu wzrostowi SiC, podczas gdy wysoka temperatura powoduje osadzanie z fazy gazowej SiC, co skutkuje rzadkim osadem. Wraz ze wzrostem temperatury osadzania, szybkość osadzaniaPowłoka CVD SiCstopniowo maleje.
Czas publikacji: 26-05-2025