Efeito de diferentes temperaturas no crescimento do revestimento de SiC CVD

O que é revestimento CVD SiC?

A deposição química de vapor (CVD) é um processo de deposição a vácuo utilizado para produzir materiais sólidos de alta pureza. Esse processo é frequentemente utilizado na indústria de semicondutores para formar filmes finos na superfície de wafers. No processo de preparação de carboneto de silício por CVD, o substrato é exposto a um ou mais precursores voláteis, que reagem quimicamente na superfície do substrato para depositar os depósitos de carboneto de silício desejados. Dentre os diversos métodos de preparação de materiais de carboneto de silício, os produtos preparados por deposição química de vapor apresentam maior uniformidade e pureza, além de apresentar forte controlabilidade do processo. Os materiais de carboneto de silício CVD possuem uma combinação única de excelentes propriedades térmicas, elétricas e químicas, tornando-os muito adequados para uso na indústria de semicondutores, que exige materiais de alto desempenho. Os componentes de carboneto de silício CVD são amplamente utilizados em equipamentos de gravação, equipamentos MOCVD, equipamentos epitaxiais de Si e equipamentos epitaxiais de SiC, equipamentos de processamento térmico rápido e outros campos.

Este artigo se concentra na análise da qualidade de filmes finos cultivados em diferentes temperaturas de processo durante a preparação deRevestimento CVD SiC, de modo a selecionar a temperatura de processo mais adequada. O experimento utiliza grafite como substrato e triclorometilsilano (MTS) como gás de reação. O revestimento de SiC é depositado pelo processo CVD de baixa pressão, e a micromorfologia doRevestimento CVD SiCé observado por microscopia eletrônica de varredura para analisar sua densidade estrutural.

Como a temperatura da superfície do substrato de grafite é muito alta, o gás intermediário será dessorvido e descarregado da superfície do substrato e, finalmente, o C e o Si restantes na superfície do substrato formarão SiC em fase sólida, formando um revestimento de SiC. De acordo com o processo de crescimento CVD-SiC acima, pode-se observar que a temperatura afetará a difusão do gás, a decomposição do MTS, a formação de gotículas e a dessorção e descarga do gás intermediário, de modo que a temperatura de deposição desempenhará um papel fundamental na morfologia do revestimento de SiC. A morfologia microscópica do revestimento é a manifestação mais intuitiva da densidade do revestimento. Portanto, é necessário estudar o efeito de diferentes temperaturas de deposição na morfologia microscópica do revestimento CVD de SiC. Como o MTS pode decompor e depositar o revestimento de SiC entre 900 e 1600°C, este experimento selecionou cinco temperaturas de deposição: 900°C, 1000°C, 1100°C, 1200°C e 1300°C para a preparação do revestimento de SiC, a fim de estudar o efeito da temperatura no revestimento CVD-SiC. Os parâmetros específicos são mostrados na Tabela 3. A Figura 2 mostra a morfologia microscópica do revestimento CVD-SiC cultivado em diferentes temperaturas de deposição.

Quando a temperatura de deposição é de 900 ℃, todo o SiC cresce em formas de fibra. Pode-se observar que o diâmetro de uma única fibra é de cerca de 3,5 μm e sua razão de aspecto é de cerca de 3 (<10). Além disso, é composto por inúmeras partículas de nano-SiC, portanto, pertence a uma estrutura de SiC policristalina, que é diferente dos nanofios de SiC tradicionais e dos whiskers de SiC monocristalinos. Este SiC fibroso é um defeito estrutural causado por parâmetros de processo irracionais. Pode-se observar que a estrutura deste revestimento de SiC é relativamente frouxa, e há um grande número de poros entre o SiC fibroso, e a densidade é muito baixa. Portanto, esta temperatura não é adequada para a preparação de revestimentos de SiC densos. Normalmente, os defeitos estruturais do SiC fibroso são causados ​​por temperaturas de deposição muito baixas. Em baixas temperaturas, as pequenas moléculas adsorvidas na superfície do substrato têm baixa energia e baixa capacidade de migração. Portanto, pequenas moléculas tendem a migrar e crescer até a menor energia livre de superfície dos grãos de SiC (como a ponta do grão). O crescimento direcional contínuo acaba formando defeitos estruturais fibrosos no SiC.

Preparação do revestimento de SiC CVD:

Primeiramente, o substrato de grafite é colocado em um forno a vácuo de alta temperatura e mantido a 1500°C por 1h em atmosfera de Ar para remoção de cinzas. Em seguida, o bloco de grafite é cortado em um bloco de 15x15x5mm, e a superfície do bloco de grafite é polida com lixa de malha 1200 para eliminar os poros superficiais que afetam a deposição de SiC. O bloco de grafite tratado é lavado com etanol anidro e água destilada e, em seguida, colocado em um forno a 100°C para secagem. Finalmente, o substrato de grafite é colocado na zona de temperatura principal do forno tubular para deposição de SiC. O diagrama esquemático do sistema de deposição química de vapor é mostrado na Figura 1.

ORevestimento CVD SiCfoi observado por microscopia eletrônica de varredura para analisar seu tamanho e densidade de partículas. Além disso, a taxa de deposição do revestimento de SiC foi calculada de acordo com a fórmula abaixo: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Taxa de deposição; m2–massa da amostra de revestimento (mg); m1–massa do substrato (mg); Área da superfície S do substrato (mm2); t-o tempo de deposição (h).   O CVD-SiC é relativamente complexo, e o processo pode ser resumido da seguinte forma: em altas temperaturas, o MTS sofrerá decomposição térmica para formar pequenas moléculas de fonte de carbono e fonte de silício. As pequenas moléculas de fonte de carbono incluem principalmente CH3, C2H2 e C2H4, e as pequenas moléculas de fonte de silício incluem principalmente SiCI2, SiCI3, etc.; essas pequenas moléculas de fonte de carbono e fonte de silício serão então transportadas para a superfície do substrato de grafite pelo gás de arraste e pelo gás diluente, e então essas pequenas moléculas serão adsorvidas na superfície do substrato na forma de adsorção, e então ocorrerão reações químicas entre as pequenas moléculas para formar pequenas gotículas que crescem gradualmente, e as gotículas também se fundirão, e a reação será acompanhada pela formação de subprodutos intermediários (gás HCl); Quando a temperatura sobe para 1000 ℃, a densidade do revestimento de SiC é significativamente melhorada. Pode-se observar que a maior parte do revestimento é composta por grãos de SiC (cerca de 4 μm de tamanho), mas também são encontrados alguns defeitos fibrosos de SiC, o que indica que ainda há crescimento direcional de SiC nessa temperatura, e o revestimento ainda não é denso o suficiente. Quando a temperatura sobe para 1100 ℃, pode-se observar que o revestimento de SiC é muito denso e os defeitos fibrosos de SiC desapareceram completamente. O revestimento é composto por partículas de SiC em forma de gota com um diâmetro de cerca de 5 a 10 μm, que são firmemente combinadas. A superfície das partículas é muito rugosa. É composto por inúmeros grãos de SiC em nanoescala. De fato, o processo de crescimento CVD-SiC a 1100 ℃ tornou-se controlado por transferência de massa. As pequenas moléculas adsorvidas na superfície do substrato têm energia e tempo suficientes para nuclear e crescer em grãos de SiC. Os grãos de SiC formam grandes gotículas uniformemente. Sob a ação da energia de superfície, a maioria das gotículas parece esférica, e elas se combinam firmemente para formar um denso revestimento de SiC. Quando a temperatura sobe para 1200 ℃, o revestimento de SiC também é denso, mas a morfologia do SiC torna-se multi-nervurada e a superfície do revestimento parece mais rugosa. Quando a temperatura aumenta para 1300 ℃, um grande número de partículas esféricas regulares com um diâmetro de cerca de 3 μm são encontradas na superfície do substrato de grafite. Isso ocorre porque, a essa temperatura, o SiC foi transformado em nucleação em fase gasosa e a taxa de decomposição do MTS é muito rápida. Pequenas moléculas reagiram e nuclearam para formar grãos de SiC antes de serem adsorvidas na superfície do substrato. Depois que os grãos formam partículas esféricas, eles cairão abaixo, resultando eventualmente em um revestimento de partículas de SiC solto com baixa densidade. Obviamente, 1300 ℃ não pode ser usado como a temperatura de formação de revestimento de SiC denso. Uma comparação abrangente mostra que, se o revestimento de SiC denso for preparado, a temperatura ideal de deposição CVD é 1100 ℃.

A Figura 3 mostra a taxa de deposição de revestimentos de SiC CVD em diferentes temperaturas de deposição. À medida que a temperatura de deposição aumenta, a taxa de deposição do revestimento de SiC diminui gradualmente. A taxa de deposição a 900 °C é de 0,352 mg·h-1/mm², e o crescimento direcional das fibras resulta na taxa de deposição mais rápida. A taxa de deposição do revestimento com a maior densidade é de 0,179 mg·h-1/mm². Devido à deposição de algumas partículas de SiC, a taxa de deposição a 1300 °C é a mais baixa, de apenas 0,027 mg·h-1/mm².   Conclusão: A melhor temperatura de deposição por CVD é 1100°C. Baixas temperaturas promovem o crescimento direcional do SiC, enquanto altas temperaturas fazem com que o SiC produza deposição de vapor e resulte em um revestimento esparso. Com o aumento da temperatura de deposição, a taxa de deposição deRevestimento CVD SiCdiminui gradualmente.