Efeito de diferentes temperaturas no crescimento do revestimento de SiC por CVD

O que é o revestimento de SiC por CVD?

A deposição química em vapor (CVD) é um processo de deposição a vácuo utilizado para produzir materiais sólidos de alta pureza. Este processo é frequentemente empregado na fabricação de semicondutores para formar filmes finos na superfície de wafers. No processo de preparação de carbeto 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 carbeto de silício desejados. Dentre os diversos métodos para a preparação de materiais de carbeto de silício, os produtos preparados por deposição química em vapor apresentam maior uniformidade e pureza, além de um forte controle do processo. Os materiais de carbeto de silício CVD possuem uma combinação única de excelentes propriedades térmicas, elétricas e químicas, tornando-os muito adequados para uso na indústria de semicondutores, onde materiais de alto desempenho são necessários. Os componentes de carbeto de silício CVD são amplamente utilizados em equipamentos de corrosão, equipamentos MOCVD, equipamentos de epitaxia de Si e equipamentos de epitaxia de SiC, equipamentos de processamento térmico rápido e outras áreas.

Este artigo centra-se na análise da qualidade de filmes finos crescidos a diferentes temperaturas de processo durante a preparação deRevestimento de SiC por CVD, 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 por processo CVD de baixa pressão, e a micromorfologia doRevestimento de SiC por CVDé observada por microscopia eletrônica de varredura para analisar sua densidade estrutural.

Devido à alta temperatura da superfície do substrato de grafite, o gás intermediário será dessorvido e expelido da superfície do substrato, e finalmente o C e o Si remanescentes na superfície do substrato formarão a fase sólida de SiC, constituindo o revestimento de SiC. De acordo com o processo de crescimento de SiC por CVD descrito acima, observa-se que a temperatura afeta a difusão do gás, a decomposição do MTS, a formação de gotículas e a dessorção e expulsão do gás intermediário; portanto, a temperatura de deposição desempenha um papel fundamental na morfologia do revestimento de SiC. A morfologia microscópica do revestimento é a manifestação mais intuitiva da sua densidade. Assim, é necessário estudar o efeito de diferentes temperaturas de deposição na morfologia microscópica do revestimento de SiC por CVD. Como o MTS pode se decompor e depositar um 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 de SiC depositado por CVD. Os parâmetros específicos são mostrados na Tabela 3. A Figura 2 mostra a morfologia microscópica do revestimento de SiC depositado por CVD em diferentes temperaturas de deposição.

Quando a temperatura de deposição é de 900 °C, todo o SiC cresce em formato de fibra. Observa-se que o diâmetro de uma única fibra é de aproximadamente 3,5 μm e sua relação de aspecto é de cerca de 3 (<10). Além disso, é composta por inúmeras nanopartículas de SiC, pertencendo, portanto, a uma estrutura de SiC policristalino, diferente dos nanofios de SiC tradicionais e dos whiskers de SiC monocristalinos. Esse SiC fibroso é um defeito estrutural causado por parâmetros de processo inadequados. Nota-se que a estrutura desse revestimento de SiC é relativamente frouxa, com grande número de poros entre as fibras de SiC, e a densidade é muito baixa. Portanto, essa temperatura não é adequada para a preparação de revestimentos de SiC densos. Geralmente, os defeitos estruturais de SiC fibroso são causados ​​por temperaturas de deposição muito baixas. Em baixas temperaturas, as pequenas moléculas adsorvidas na superfície do substrato possuem baixa energia e baixa capacidade de migração. Portanto, moléculas pequenas tendem a migrar e crescer em direção à menor energia livre superficial 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 por CVD:

Primeiramente, o substrato de grafite é colocado em um forno a vácuo de alta temperatura e mantido a 1500 °C por 1 h em atmosfera de argônio para remoção de cinzas. Em seguida, o bloco de grafite é cortado em um bloco de 15 x 15 x 5 mm, e sua superfície é polida com lixa de grão 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 uma estufa a 100 °C para secagem. Finalmente, o substrato de grafite é colocado na zona de temperatura principal do forno tubular para a deposição de SiC. O diagrama esquemático do sistema de deposição química de vapor é mostrado na Figura 1.

ORevestimento de SiC por CVDA análise do tamanho e da densidade das partículas foi realizada por microscopia eletrônica de varredura. 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).   A deposição química de vapor de silício (CVD-SiC) é relativamente complexa, e o processo pode ser resumido da seguinte forma: em alta temperatura, o MTS sofre decomposição térmica para formar pequenas moléculas de carbono e silício. As pequenas moléculas de carbono incluem principalmente CH3, C2H2 e C2H4, e as pequenas moléculas de silício incluem principalmente SiCl2, SiCl3, etc.; essas pequenas moléculas de carbono e silício são então transportadas para a superfície do substrato de grafite pelo gás de arraste e pelo gás diluente, e são adsorvidas na superfície do substrato. Em seguida, ocorrem reações químicas entre as pequenas moléculas para formar pequenas gotículas que crescem gradualmente e se fundem, sendo a reação acompanhada pela formação de subprodutos intermediários (gás HCl). Quando a temperatura sobe para 1000 °C, a densidade do revestimento de SiC melhora significativamente. Observa-se que a maior parte do revestimento é composta por grãos de SiC (com cerca de 4 μm de tamanho), mas também são encontrados alguns defeitos fibrosos de SiC, o que indica que ainda ocorre crescimento direcional de SiC nessa temperatura e que o revestimento ainda não é suficientemente denso. Quando a temperatura sobe para 1100 °C, observa-se que o revestimento de SiC torna-se muito denso e os defeitos fibrosos de SiC desaparecem completamente. O revestimento é composto por partículas de SiC em forma de gotículas com um diâmetro de cerca de 5 a 10 μm, que estão fortemente unidas. A superfície das partículas é muito rugosa. É composta por inúmeros grãos de SiC em nanoescala. De fato, o processo de crescimento de SiC por CVD a 1100 °C passa a ser controlado pela transferência de massa. As pequenas moléculas adsorvidas na superfície do substrato têm energia e tempo suficientes para nucleação e crescimento, formando grãos de SiC. Os grãos de SiC formam gotículas grandes de maneira uniforme. Sob a ação da energia superficial, a maioria das gotículas adquire formato esférico e se combinam firmemente para formar um revestimento denso de SiC. Quando a temperatura sobe para 1200 °C, o revestimento de SiC também é denso, mas a morfologia do SiC torna-se multirranhurada e a superfície do revestimento apresenta-se mais rugosa. Quando a temperatura aumenta para 1300 °C, um grande número de partículas esféricas regulares com um diâmetro de cerca de 3 μm é encontrado na superfície do substrato de grafite. Isso ocorre porque, nessa temperatura, o SiC se transforma em nucleação na fase gasosa e a taxa de decomposição do MTS é muito rápida. Pequenas moléculas reagem e nucleiam para formar grãos de SiC antes de serem adsorvidas na superfície do substrato. Após a formação de partículas esféricas, os grãos se depositam, resultando eventualmente em um revestimento de partículas de SiC frouxas e com baixa densidade. Obviamente, 1300 °C não pode ser usado como temperatura de formação de um revestimento denso de SiC. Uma comparação abrangente mostra que, para a preparação de um revestimento denso de SiC, a temperatura ideal de deposição por CVD é 1100 °C.

A Figura 3 mostra a taxa de deposição de revestimentos de SiC por 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 maior taxa de deposição. 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 causam a deposição de vapor do SiC, resultando em um revestimento esparso. Com o aumento da temperatura de deposição, a taxa de deposição deRevestimento de SiC por CVDdiminui gradualmente.