Efekti i temperaturave të ndryshme në rritjen e veshjes CVD SiC

Çfarë është veshja CVD SiC?

Depozitimi kimik i avullit (CVD) është një proces depozitimi në vakum që përdoret për të prodhuar materiale të ngurta me pastërti të lartë. Ky proces përdoret shpesh në fushën e prodhimit të gjysmëpërçuesve për të formuar filma të hollë në sipërfaqen e pllakave. Në procesin e përgatitjes së karbidit të silicit me anë të CVD, substrati ekspozohet ndaj një ose më shumë pararendësve të paqëndrueshëm, të cilët reagojnë kimikisht në sipërfaqen e substratit për të depozituar depozitat e dëshiruara të karbidit të silicit. Ndër shumë metodat për përgatitjen e materialeve të karbidit të silicit, produktet e përgatitura me anë të depozitimit kimik të avullit kanë uniformitet dhe pastërti më të lartë, dhe kjo metodë ka kontrollueshmëri të fortë të procesit. Materialet e karabit të silicit CVD kanë një kombinim unik të vetive të shkëlqyera termike, elektrike dhe kimike, duke i bërë ato shumë të përshtatshme për përdorim në industrinë e gjysmëpërçuesve ku kërkohen materiale me performancë të lartë. Komponentët e karabit të silicit CVD përdoren gjerësisht në pajisjet e gdhendjes, pajisjet MOCVD, pajisjet epitaksiale të Si dhe pajisjet epitaksiale të SiC, pajisjet e përpunimit të shpejtë termik dhe fusha të tjera.

Ky artikull përqendrohet në analizimin e cilësisë së filmave të hollë të rritur në temperatura të ndryshme të procesit gjatë përgatitjes sëVeshje CVD SiC, në mënyrë që të zgjidhet temperatura më e përshtatshme e procesit. Eksperimenti përdor grafitin si substrat dhe triklorometilsilanin (MTS) si gaz burim reagimi. Veshje SiC depozitohet me anë të procesit CVD me presion të ulët, dhe mikromorfologjia eVeshje CVD SiCvëzhgohet me anë të mikroskopisë elektronike skanuese për të analizuar dendësinë e saj strukturore.

Meqenëse temperatura sipërfaqësore e substratit të grafitit është shumë e lartë, gazi i ndërmjetëm do të desorbohet dhe shkarkohet nga sipërfaqja e substratit, dhe së fundmi C dhe Si që mbeten në sipërfaqen e substratit do të formojnë SiC të fazës së ngurtë për të formuar veshjen SiC. Sipas procesit të rritjes CVD-SiC të mësipërm, mund të shihet se temperatura do të ndikojë në përhapjen e gazit, dekompozimin e MTS, formimin e pikave dhe desorbimin dhe shkarkimin e gazit të ndërmjetëm, kështu që temperatura e depozitimit do të luajë një rol kyç në morfologjinë e veshjes SiC. Morfologjia mikroskopike e veshjes është manifestimi më intuitiv i dendësisë së veshjes. Prandaj, është e nevojshme të studiohet efekti i temperaturave të ndryshme të depozitimit në morfologjinë mikroskopike të veshjes CVD SiC. Meqenëse MTS mund të dekompozojë dhe depozitojë veshjen SiC midis 900~1600℃, ky eksperiment zgjedh pesë temperatura depozitimi 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ dhe 1300℃ për përgatitjen e veshjes SiC për të studiuar efektin e temperaturës në veshjen CVD-SiC. Parametrat specifikë janë paraqitur në Tabelën 3. Figura 2 tregon morfologjinë mikroskopike të veshjes CVD-SiC të rritur në temperatura të ndryshme depozitimi.

Kur temperatura e depozitimit është 900℃, i gjithë SiC rritet në forma fibre. Mund të shihet se diametri i një fibre të vetme është rreth 3.5μm, dhe raporti i saj i aspektit është rreth 3 (<10). Për më tepër, ai përbëhet nga grimca të panumërta nano-SiC, kështu që i përket një strukture polikristaline SiC, e cila është e ndryshme nga nanotelat tradicionalë të SiC dhe mustaqet SiC me një kristal të vetëm. Ky SiC fibroze është një defekt strukturor i shkaktuar nga parametra të paarsyeshëm të procesit. Mund të shihet se struktura e kësaj veshjeje SiC është relativisht e lirshme, dhe ka një numër të madh poresh midis SiC fibroze, dhe dendësia është shumë e ulët. Prandaj, kjo temperaturë nuk është e përshtatshme për përgatitjen e veshjeve të dendura SiC. Zakonisht, defektet strukturore fibroze të SiC shkaktohen nga temperatura shumë e ulët e depozitimit. Në temperatura të ulëta, molekulat e vogla të adsorbuara në sipërfaqen e substratit kanë energji të ulët dhe aftësi të dobët migrimi. Prandaj, molekulat e vogla kanë tendencë të migrojnë dhe të rriten në energjinë më të ulët të lirë sipërfaqësore të kokrrave të SiC (siç është maja e kokrrës). Rritja e vazhdueshme e drejtuar përfundimisht formon defekte strukturore fibroze të SiC.

Përgatitja e veshjes CVD SiC:

Së pari, substrati i grafitit vendoset në një furrë vakumi me temperaturë të lartë dhe mbahet në 1500℃ për 1 orë në një atmosferë Ar për heqjen e hirit. Pastaj blloku i grafitit pritet në një bllok prej 15x15x5 mm, dhe sipërfaqja e bllokut të grafitit lëmohet me letër zmerile 1200-mesh për të eliminuar poret sipërfaqësore që ndikojnë në depozitimin e SiC. Blloku i grafitit i trajtuar lahet me etanol anhidër dhe ujë të distiluar, dhe më pas vendoset në një furrë në 100℃ për tharje. Së fundmi, substrati i grafitit vendoset në zonën kryesore të temperaturës së furrës tubulare për depozitimin e SiC. Diagrami skematik i sistemit të depozitimit kimik të avullit tregohet në Figurën 1.

I/E/Të/TëVeshje CVD SiCu vëzhgua me anë të mikroskopisë elektronike skanuese për të analizuar madhësinë dhe dendësinë e grimcave të saj. Përveç kësaj, shkalla e depozitimit të veshjes SiC u llogarit sipas formulës më poshtë: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = Shkalla e depozitimit; m2–masa e mostrës së veshjes (mg); m1–masa e substratit (mg); Sipërfaqja S e substratit (mm2); t-koha e depozitimit (orë).   CVD-SiC është relativisht i ndërlikuar dhe procesi mund të përmblidhet si më poshtë: në temperaturë të lartë, MTS do t'i nënshtrohet dekompozimit termik për të formuar molekula të vogla me burim karboni dhe silici. Molekulat e vogla me burim karboni përfshijnë kryesisht CH3, C2H2 dhe C2H4, dhe molekulat e vogla me burim silici përfshijnë kryesisht SiCI2, SiCI3, etj.; këto molekula të vogla me burim karboni dhe silici do të transportohen më pas në sipërfaqen e substratit të grafitit nga gazi bartës dhe gazi hollues, dhe më pas këto molekula të vogla do të adsorbohen në sipërfaqen e substratit në formën e adsorbimit, dhe më pas do të ndodhin reaksione kimike midis molekulave të vogla për të formuar pika të vogla që rriten gradualisht, dhe pikat gjithashtu do të bashkohen, dhe reaksioni do të shoqërohet me formimin e nënprodukteve të ndërmjetme (gaz HCl); Kur temperatura rritet në 1000 ℃, dendësia e veshjes SiC përmirësohet shumë. Mund të shihet se pjesa më e madhe e veshjes përbëhet nga kokrriza SiC (me madhësi rreth 4μm), por gjenden edhe disa defekte fibroze të SiC, gjë që tregon se ende ka rritje të drejtuar të SiC në këtë temperaturë, dhe veshja ende nuk është mjaftueshëm e dendur. Kur temperatura rritet në 1100 ℃, mund të shihet se veshja SiC është shumë e dendur, dhe defektet fibroze të SiC janë zhdukur plotësisht. Veshje përbëhet nga grimca SiC në formë pikash me një diametër prej rreth 5~10μm, të cilat janë të kombinuara fort. Sipërfaqja e grimcave është shumë e ashpër. Ajo përbëhet nga kokrriza të panumërta SiC në shkallë nano. Në fakt, procesi i rritjes CVD-SiC në 1100 ℃ është bërë i kontrolluar nga transferimi i masës. Molekulat e vogla të adsorbuara në sipërfaqen e substratit kanë energji dhe kohë të mjaftueshme për t'u bërthamosur dhe për t'u rritur në kokrriza SiC. Kokrrat SiC formojnë në mënyrë uniforme pika të mëdha. Nën veprimin e energjisë sipërfaqësore, shumica e pikave duken sferike, dhe pikat kombinohen fort për të formuar një shtresë të dendur SiC. Kur temperatura rritet në 1200℃, veshja e SiC është gjithashtu e dendur, por morfologjia e SiC bëhet me shumë kreshta dhe sipërfaqja e veshjes duket më e ashpër. Kur temperatura rritet në 1300℃, një numër i madh grimcash sferike të rregullta me një diametër prej rreth 3μm gjenden në sipërfaqen e substratit të grafitit. Kjo ndodh sepse në këtë temperaturë, SiC është transformuar në bërthamëzim në fazë gazi, dhe shkalla e dekompozimit të MTS është shumë e shpejtë. Molekulat e vogla kanë reaguar dhe janë bërthamosur për të formuar kokrriza SiC para se të adsorbohen në sipërfaqen e substratit. Pasi kokrrat formojnë grimca sferike, ato do të bien poshtë, duke rezultuar përfundimisht në një shtresë të lirshme grimcash SiC me dendësi të dobët. Natyrisht, 1300℃ nuk mund të përdoret si temperaturë formimi e veshjes së dendur SiC. Krahasimi gjithëpërfshirës tregon se nëse do të përgatitet veshje e dendur SiC, temperatura optimale e depozitimit CVD është 1100℃.

Figura 3 tregon shkallën e depozitimit të veshjeve CVD SiC në temperatura të ndryshme depozitimi. Ndërsa temperatura e depozitimit rritet, shkalla e depozitimit të veshjes SiC zvogëlohet gradualisht. Shkalla e depozitimit në 900°C është 0.352 mg·h-1/mm2, dhe rritja e drejtuar e fibrave çon në shkallën më të shpejtë të depozitimit. Shkalla e depozitimit të veshjes me dendësinë më të lartë është 0.179 mg·h-1/mm2. Për shkak të depozitimit të disa grimcave SiC, shkalla e depozitimit në 1300°C është më e ulëta, vetëm 0.027 mg·h-1/mm2.   Përfundim: Temperatura më e mirë e depozitimit CVD është 1100℃. Temperatura e ulët nxit rritjen e drejtuar të SiC, ndërsa temperatura e lartë bën që SiC të prodhojë depozitim avulli dhe të rezultojë në shtresë të rrallë. Me rritjen e temperaturës së depozitimit, shkalla e depozitimit tëVeshje CVD SiCzvogëlohet gradualisht.