Что такое CVD-покрытие SiC?
Химическое осаждение из газовой фазы (ХОСГ) — это процесс вакуумного осаждения, используемый для получения высокочистых твердых материалов. Этот процесс часто применяется в полупроводниковой промышленности для формирования тонких пленок на поверхности подложек. В процессе получения карбида кремния методом ХОСГ подложка подвергается воздействию одного или нескольких летучих прекурсоров, которые химически реагируют на поверхности подложки, осаждая желаемые отложения карбида кремния. Среди множества методов получения материалов из карбида кремния, продукты, полученные методом химического осаждения из газовой фазы, обладают более высокой однородностью и чистотой, а также высокой степенью управляемости процесса. Материалы из карбида кремния, полученные методом химического осаждения из газовой фазы (CVD), обладают уникальным сочетанием превосходных тепловых, электрических и химических свойств, что делает их очень подходящими для использования в полупроводниковой промышленности, где требуются высокоэффективные материалы. Компоненты из карбида кремния, полученные методом CVD, широко используются в травильном оборудовании, оборудовании для MOCVD-процессов, оборудовании для эпитаксиального осаждения кремния и карбида кремния, оборудовании для быстрой термической обработки и в других областях.
В данной статье рассматривается анализ качества тонких пленок, выращенных при различных температурах в процессе подготовки.CVD SiC покрытиедля выбора наиболее подходящей температуры процесса. В эксперименте в качестве подложки используется графит, а в качестве реакционного газа — трихлорметилсилан (МТС). Покрытие из карбида кремния (SiC) наносится методом низкотемпературного химического осаждения из газовой фазы (CVD), а микроморфология полученного покрытия изучается.CVD SiC покрытиеДля анализа структурной плотности проводится исследование с помощью сканирующей электронной микроскопии.
Поскольку температура поверхности графитовой подложки очень высока, промежуточный газ будет десорбироваться и удаляться с поверхности подложки, и в конечном итоге оставшиеся на поверхности подложки C и Si образуют твердую фазу SiC с образованием SiC-покрытия. Согласно описанному выше процессу роста CVD-SiC, видно, что температура влияет на диффузию газа, разложение MTS, образование капель, а также десорбцию и удаление промежуточного газа, поэтому температура осаждения играет ключевую роль в морфологии SiC-покрытия. Микроскопическая морфология покрытия является наиболее наглядным проявлением плотности покрытия. Поэтому необходимо изучить влияние различных температур осаждения на микроскопическую морфологию CVD-SiC-покрытия. Поскольку MTS может разлагаться и осаждать SiC-покрытие при температуре от 900 до 1600 ℃, в данном эксперименте были выбраны пять температур осаждения: 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃ и 1300 ℃ для получения SiC-покрытия с целью изучения влияния температуры на CVD-SiC покрытие. Конкретные параметры приведены в таблице 3. На рисунке 2 показана микроскопическая морфология CVD-SiC покрытия, выращенного при различных температурах осаждения.
При температуре осаждения 900℃ весь SiC вырастает в волокнистую форму. Видно, что диаметр отдельного волокна составляет около 3,5 мкм, а его соотношение сторон — около 3 (<10). Более того, он состоит из бесчисленных наночастиц SiC, поэтому относится к поликристаллической структуре SiC, которая отличается от традиционных нанопроволок SiC и монокристаллических нитевидных кристаллов SiC. Этот волокнистый SiC является структурным дефектом, вызванным нерациональными параметрами процесса. Видно, что структура этого SiC-покрытия относительно рыхлая, между волокнистыми частицами SiC имеется большое количество пор, а плотность очень низкая. Поэтому эта температура не подходит для получения плотных SiC-покрытий. Обычно волокнистые структурные дефекты SiC вызваны слишком низкой температурой осаждения. При низких температурах малые молекулы, адсорбированные на поверхности подложки, имеют низкую энергию и плохую миграционную способность. Следовательно, небольшие молекулы имеют тенденцию мигрировать и расти к месту с наименьшей поверхностной свободной энергией зерен SiC (например, к вершине зерна). Непрерывный направленный рост в конечном итоге приводит к образованию волокнистых структурных дефектов SiC.
Получение покрытия из карбида кремния методом химического осаждения из газовой фазы (CVD):
Сначала графитовую подложку помещают в высокотемпературную вакуумную печь и выдерживают при температуре 1500℃ в течение 1 часа в атмосфере аргона для удаления золы. Затем графитовый блок разрезают на блоки размером 15x15x5 мм, а поверхность графитового блока полируют наждачной бумагой с зернистостью 1200 для удаления поверхностных пор, влияющих на осаждение SiC. Обработанный графитовый блок промывают безводным этанолом и дистиллированной водой, а затем помещают в печь при температуре 100℃ для сушки. Наконец, графитовую подложку помещают в основную температурную зону трубчатой печи для осаждения SiC. Схема системы химического осаждения из газовой фазы показана на рисунке 1.
ОнCVD SiC покрытиеС помощью сканирующей электронной микроскопии был проведен анализ размера и плотности частиц. Кроме того, скорость осаждения покрытия из SiC была рассчитана по следующей формуле: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = скорость осаждения; м2 – масса образца покрытия (мг); m1 – масса субстрата (мг); S — площадь поверхности подложки (мм²); t — время осаждения (ч). Процесс CVD-SiC достаточно сложен и может быть кратко описан следующим образом: при высокой температуре MTS подвергается термическому разложению с образованием малых молекул, являющихся источником углерода и источником кремния. В качестве источников углерода в основном используются CH3, C2H2 и C2H4, а в качестве источников кремния — SiCl2, SiCl3 и др.; затем эти малые молекулы переносятся на поверхность графитовой подложки с помощью газа-носителя и разбавляющего газа, после чего адсорбируются на поверхности подложки. Затем между молекулами происходят химические реакции с образованием мелких капель, которые постепенно растут, сливаются, и реакция сопровождается образованием промежуточных побочных продуктов (газа HCl). При повышении температуры до 1000 ℃ плотность SiC-покрытия значительно увеличивается. Видно, что большая часть покрытия состоит из зерен SiC (размером около 4 мкм), но также обнаруживаются некоторые волокнистые дефекты SiC, что свидетельствует о сохранении направленного роста SiC при этой температуре и недостаточной плотности покрытия. При повышении температуры до 1100 ℃ наблюдается очень высокая плотность SiC-покрытия, а волокнистые дефекты SiC полностью исчезают. Покрытие состоит из плотно связанных частиц SiC каплевидной формы диаметром около 5–10 мкм. Поверхность частиц очень шероховатая. Покрытие состоит из бесчисленных наноразмерных зерен SiC. Фактически, процесс роста SiC методом CVD при 1100 ℃ становится контролируемым массопереносом. Малые молекулы, адсорбированные на поверхности подложки, обладают достаточной энергией и временем для нуклеации и роста зерен SiC. Зерна SiC равномерно образуют крупные капли. Под действием поверхностной энергии большинство капель приобретают сферическую форму, и они плотно соединяются, образуя плотное покрытие из SiC. При повышении температуры до 1200℃ покрытие из SiC также становится плотным, но морфология SiC становится многогребенчатой, а поверхность покрытия выглядит более шероховатой. При повышении температуры до 1300℃ на поверхности графитовой подложки обнаруживается большое количество правильных сферических частиц диаметром около 3 мкм. Это происходит потому, что при этой температуре SiC переходит в фазу газофазного зарождения, и скорость разложения MTS очень высока. Малые молекулы реагируют и образуют зародыши, формируя зерна SiC, прежде чем они адсорбируются на поверхности подложки. После образования сферических частиц зерна оседают, в конечном итоге приводя к рыхлому покрытию из частиц SiC с низкой плотностью. Очевидно, что 1300℃ нельзя использовать в качестве температуры формирования плотного покрытия из SiC. Комплексное сравнение показывает, что для получения плотного покрытия из SiC оптимальная температура осаждения CVD составляет 1100℃.
На рисунке 3 показана скорость осаждения CVD-покрытий SiC при различных температурах осаждения. С повышением температуры осаждения скорость осаждения покрытия SiC постепенно снижается. Скорость осаждения при 900°C составляет 0,352 мг·ч⁻¹/мм², при этом направленный рост волокон приводит к самой высокой скорости осаждения. Скорость осаждения покрытия с наибольшей плотностью составляет 0,179 мг·ч⁻¹/мм². Из-за осаждения некоторых частиц SiC скорость осаждения при 1300°C является самой низкой и составляет всего 0,027 мг·ч⁻¹/мм². Вывод: Оптимальная температура осаждения методом CVD составляет 1100℃. Низкая температура способствует направленному росту SiC, в то время как высокая температура приводит к осаждению SiC из паровой фазы и образованию разреженного покрытия. С повышением температуры осаждения скорость осаждения увеличивается.CVD SiC покрытиепостепенно уменьшается.
Дата публикации: 26 мая 2025 г.