Vpliv različnih temperatur na rast CVD SiC prevleke

Kaj je CVD SiC prevleka?

Kemično nanašanje s paro (CVD) je postopek vakuumskega nanašanja, ki se uporablja za proizvodnjo trdnih materialov visoke čistosti. Ta postopek se pogosto uporablja na področju proizvodnje polprevodnikov za tvorbo tankih filmov na površini rezin. Pri postopku priprave silicijevega karbida s CVD je substrat izpostavljen enemu ali več hlapnim prekurzorjem, ki kemično reagirajo na površini substrata in povzročijo želene nanose silicijevega karbida. Med številnimi metodami za pripravo silicijevih karbidnih materialov imajo izdelki, pripravljeni s kemičnim nanašanjem s paro, večjo enakomernost in čistost, ta metoda pa ima tudi dobro nadzorovanost procesa. CVD silicijev karbidni materiali imajo edinstveno kombinacijo odličnih toplotnih, električnih in kemijskih lastnosti, zaradi česar so zelo primerni za uporabo v polprevodniški industriji, kjer so potrebni visokozmogljivi materiali. CVD silicijev karbidne komponente se pogosto uporabljajo v opremi za jedkanje, MOCVD opremi, Si epitaksialni opremi in SiC epitaksialni opremi, opremi za hitro termično obdelavo in drugih področjih.

Ta članek se osredotoča na analizo kakovosti tankih filmov, vzgojenih pri različnih procesnih temperaturah med pripravoCVD SiC prevleka, da bi izbrali najprimernejšo temperaturo procesa. V poskusu se kot substrat uporablja grafit, kot izvorni plin pa triklorometilsilan (MTS). Premaz SiC se nanaša z nizkotlačnim CVD postopkom, mikromorfologija pa jeCVD SiC prevlekase opazuje z vrstičnim elektronskim mikroskopom za analizo njegove strukturne gostote.

Ker je površinska temperatura grafitnega substrata zelo visoka, se vmesni plin desorbira in odvaja s površine substrata, na koncu pa C in Si, ki ostaneta na površini substrata, tvorita trdno fazo SiC in tvorita SiC prevleko. Glede na zgornji postopek rasti CVD-SiC je razvidno, da temperatura vpliva na difuzijo plina, razgradnjo MTS, nastanek kapljic ter desorpcijo in odvajanje vmesnega plina, zato ima temperatura nanašanja ključno vlogo pri morfologiji SiC prevleke. Mikroskopska morfologija prevleke je najbolj intuitivna manifestacija gostote prevleke. Zato je treba preučiti vpliv različnih temperatur nanašanja na mikroskopsko morfologijo CVD SiC prevleke. Ker lahko MTS razgradi in nanese SiC prevleko med 900 in 1600 ℃, je v tem poskusu za pripravo SiC prevleke izbranih pet temperatur nanašanja: 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃ in 1300 ℃, da bi preučili vpliv temperature na CVD-SiC prevleko. Specifični parametri so prikazani v tabeli 3. Slika 2 prikazuje mikroskopsko morfologijo CVD-SiC prevleke, vzgojene pri različnih temperaturah nanašanja.

Pri temperaturi nanašanja 900 ℃ ves SiC raste v vlaknaste oblike. Vidimo lahko, da je premer posameznega vlakna približno 3,5 μm, njegovo razmerje stranic pa približno 3 (<10). Poleg tega je sestavljen iz neštetih nanodelcev SiC, zato pripada polikristalni strukturi SiC, ki se razlikuje od tradicionalnih SiC nanožic in monokristalnih SiC lasičev. Ta vlaknati SiC je strukturna napaka, ki jo povzročajo nerazumni procesni parametri. Vidimo lahko, da je struktura te SiC prevleke relativno ohlapna, med vlaknatimi SiC pa je veliko število por, gostota pa je zelo nizka. Zato ta temperatura ni primerna za pripravo gostih SiC prevlek. Običajno so strukturne napake vlaknatega SiC posledica prenizke temperature nanašanja. Pri nizkih temperaturah imajo majhne molekule, adsorbirane na površini substrata, nizko energijo in slabo sposobnost migracije. Zato se majhne molekule nagibajo k migraciji in rasti do najnižje površinske proste energije zrn SiC (kot je konica zrna). Neprekinjena usmerjena rast sčasoma tvori vlaknate strukturne napake SiC.

Priprava CVD SiC prevleke:

Najprej se grafitni substrat postavi v visokotemperaturno vakuumsko peč in se 1 uro v argonski atmosferi segreva pri 1500 ℃ za odstranitev pepela. Nato se grafitni blok razreže na bloke velikosti 15 x 15 x 5 mm, površina grafitnega bloka pa se spolira z brusnim papirjem velikosti 1200 mesh, da se odstranijo površinske pore, ki vplivajo na nanašanje SiC. Obdelan grafitni blok se opere z brezvodnim etanolom in destilirano vodo ter se posuši v pečici pri 100 ℃. Nazadnje se grafitni substrat postavi v glavno temperaturno območje cevne peči za nanašanje SiC. Shematski diagram sistema za kemično nanašanje iz pare je prikazan na sliki 1.

TheCVD SiC prevlekaje bil opazovan z vrstično elektronsko mikroskopijo za analizo velikosti in gostote delcev. Poleg tega je bila hitrost nanašanja prevleke SiC izračunana po spodnji formuli: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = hitrost nanašanja; m2 – masa vzorca premaza (mg); m1 – masa substrata (mg); S-površina substrata (mm2); t - čas nanašanja (h).   CVD-SiC je relativno zapleten postopek, postopek pa lahko povzamemo takole: pri visoki temperaturi se MTS termično razgradi in tvori majhne molekule vira ogljika in silicija. Majhne molekule vira ogljika vključujejo predvsem CH3, C2H2 in C2H4, majhne molekule vira silicija pa predvsem SiCl2, SiCl3 itd.; te majhne molekule vira ogljika in silicija se nato s pomočjo nosilnega plina in redčilnega plina prenesejo na površino grafitnega substrata, kjer se te majhne molekule adsorbirajo na površini substrata. Med majhnimi molekulami pride do kemijskih reakcij, ki tvorijo majhne kapljice, ki postopoma rastejo in se združijo, reakcijo pa spremlja nastanek vmesnih stranskih produktov (plin HCl). Ko temperatura naraste na 1000 ℃, se gostota prevleke SiC močno izboljša. Vidimo lahko, da je večina prevleke sestavljena iz zrn SiC (velikosti približno 4 μm), vendar so prisotne tudi nekatere vlaknaste napake SiC, kar kaže na to, da pri tej temperaturi še vedno obstaja usmerjena rast SiC in prevleka še vedno ni dovolj gosta. Ko temperatura naraste na 1100 ℃, lahko vidimo, da je prevleka SiC zelo gosta in da so vlaknaste napake SiC popolnoma izginile. Prevleka je sestavljena iz kapljic v obliki delcev SiC s premerom približno 5~10 μm, ki so tesno povezani. Površina delcev je zelo hrapava. Sestavljena je iz neštetih nanozrn SiC. Pravzaprav je proces rasti CVD-SiC pri 1100 ℃ postal nadzorovan s prenosom mase. Majhne molekule, adsorbirane na površini substrata, imajo dovolj energije in časa, da se nukleirajo in zrastejo v zrna SiC. Zrna SiC enakomerno tvorijo velike kapljice. Pod vplivom površinske energije je večina kapljic videti okrogla, kapljice pa so tesno povezane in tvorijo gosto prevleko SiC. Ko temperatura naraste na 1200 ℃, je prevleka SiC prav tako gosta, vendar morfologija SiC postane večrebrasta in površina prevleke je videti bolj hrapava. Ko temperatura naraste na 1300 ℃, se na površini grafitnega substrata pojavi veliko število pravilnih sferičnih delcev s premerom približno 3 μm. To je zato, ker se je pri tej temperaturi SiC pretvoril v plinsko fazo in je hitrost razgradnje MTS zelo hitra. Majhne molekule so reagirale in tvorile nukleacijo, da so tvorile zrna SiC, preden so se adsorbirale na površino substrata. Ko zrna tvorijo sferične delce, padejo pod to temperaturo, kar sčasoma povzroči rahel premaz z delci SiC in nizko gostoto. Očitno 1300 ℃ ni mogoče uporabiti kot temperaturo za oblikovanje goste prevleke SiC. Celovita primerjava kaže, da je za pripravo goste prevleke SiC optimalna temperatura nanašanja CVD 1100 ℃.

Slika 3 prikazuje hitrost nanašanja CVD SiC prevlek pri različnih temperaturah nanašanja. Z naraščanjem temperature nanašanja se hitrost nanašanja SiC prevleke postopoma zmanjšuje. Hitrost nanašanja pri 900 °C je 0,352 mg·h-1/mm2, usmerjena rast vlaken pa vodi do najhitrejše hitrosti nanašanja. Hitrost nanašanja prevleke z najvišjo gostoto je 0,179 mg·h-1/mm2. Zaradi nanašanja nekaterih delcev SiC je hitrost nanašanja pri 1300 °C najnižja, le 0,027 mg·h-1/mm2.   Zaključek: Najboljša temperatura za nanašanje s CVD je 1100 ℃. Nizka temperatura spodbuja usmerjeno rast SiC, medtem ko visoka temperatura povzroči nanašanje SiC s paro in posledično redko prevleko. Z naraščanjem temperature nanašanja se hitrost nanašanja povečuje.CVD SiC prevlekapostopoma zmanjšuje.