Effekt av olika temperaturer på tillväxten av CVD SiC-beläggning

Vad är CVD SiC-beläggning?

Kemisk ångavsättning (CVD) är en vakuumavsättningsprocess som används för att producera fasta material med hög renhet. Denna process används ofta inom halvledartillverkning för att bilda tunna filmer på ytan av wafers. Vid framställning av kiselkarbid genom CVD exponeras substratet för en eller flera flyktiga prekursorer, som reagerar kemiskt på substratets yta för att avsätta de önskade kiselkarbidavsättningarna. Bland de många metoderna för att framställa kiselkarbidmaterial har produkterna som framställs genom kemisk ångavsättning högre enhetlighet och renhet, och denna metod har stark processkontrollerbarhet. CVD-kiselkarbidmaterial har en unik kombination av utmärkta termiska, elektriska och kemiska egenskaper, vilket gör dem mycket lämpliga för användning inom halvledarindustrin där högpresterande material krävs. CVD-kiselkarbidkomponenter används ofta i etsningsutrustning, MOCVD-utrustning, epitaxialutrustning för kisel och epitaxialutrustning för kiselkarbid, snabb termisk bearbetningsutrustning och andra områden.

Denna artikel fokuserar på att analysera kvaliteten på tunna filmer som odlats vid olika processtemperaturer under framställningen avCVD SiC-beläggning, för att välja den lämpligaste processtemperaturen. Experimentet använder grafit som substrat och triklorometylsilan (MTS) som reaktionskällgas. SiC-beläggningen deponeras med lågtrycks-CVD-process, och mikromorfologin hosCVD SiC-beläggningobserveras med svepelektronmikroskopi för att analysera dess strukturella densitet.

Eftersom grafitsubstratets yttemperatur är mycket hög kommer mellangasen att desorberas och avges från substratytan, och slutligen kommer C och Si som finns kvar på substratytan att bilda fastfas-SiC för att bilda SiC-beläggning. Enligt ovanstående CVD-SiC-tillväxtprocess kan man se att temperaturen påverkar gasdiffusionen, nedbrytningen av MTS, bildandet av droppar samt desorptionen och avgivningen av mellangasen, så avsättningstemperaturen kommer att spela en nyckelroll i SiC-beläggningens morfologi. Beläggningens mikroskopiska morfologi är den mest intuitiva manifestationen av beläggningens densitet. Därför är det nödvändigt att studera effekten av olika avsättningstemperaturer på den mikroskopiska morfologin hos CVD SiC-beläggning. Eftersom MTS kan brytas ner och avsätta SiC-beläggning mellan 900~1600 ℃, väljer detta experiment fem avsättningstemperaturer på 900 ℃, 1000 ℃, 1100 ℃, 1200 ℃ och 1300 ℃ för framställning av SiC-beläggning för att studera temperaturens effekt på CVD-SiC-beläggning. De specifika parametrarna visas i tabell 3. Figur 2 visar den mikroskopiska morfologin hos CVD-SiC-beläggning odlad vid olika deponeringstemperaturer.

När avsättningstemperaturen är 900 ℃ växer all SiC till fiberformer. Det kan ses att diametern på en enda fiber är cirka 3,5 μm och dess bildförhållande är cirka 3 (<10). Dessutom består den av otaliga nano-SiC-partiklar, så den tillhör en polykristallin SiC-struktur, som skiljer sig från traditionella SiC-nanotrådar och enkristalliga SiC-whiskers. Denna fibrösa SiC är en strukturell defekt orsakad av orimliga processparametrar. Det kan ses att strukturen hos denna SiC-beläggning är relativt lös, och det finns ett stort antal porer mellan den fibrösa SiC, och densiteten är mycket låg. Därför är denna temperatur inte lämplig för framställning av täta SiC-beläggningar. Vanligtvis orsakas fibrösa SiC-strukturdefekter av för låg avsättningstemperatur. Vid låga temperaturer har de små molekylerna som adsorberas på substratytan låg energi och dålig migrationsförmåga. Därför tenderar små molekyler att migrera och växa till den lägsta ytfria energin hos SiC-kornen (såsom kornspetsen). Kontinuerlig riktad tillväxt bildar så småningom fibrösa SiC-strukturdefekter.

Framställning av CVD SiC-beläggning:

Först placeras grafitsubstratet i en högtemperaturvakuumugn och hålls vid 1500 ℃ i 1 timme i en Ar-atmosfär för att avlägsna aska. Därefter skärs grafitblocket till ett block på 15x15x5 mm, och ytan på grafitblocket poleras med 1200 mesh sandpapper för att eliminera ytporer som påverkar avsättningen av SiC. Det behandlade grafitblocket tvättas med vattenfri etanol och destillerat vatten och placeras sedan i en ugn vid 100 ℃ för torkning. Slutligen placeras grafitsubstratet i den rörformiga ugnens huvudtemperaturzon för SiC-avsättning. Det schematiska diagrammet för det kemiska ångavsättningssystemet visas i figur 1.

DeCVD SiC-beläggningobserverades med svepelektronmikroskopi för att analysera dess partikelstorlek och densitet. Dessutom beräknades avsättningshastigheten för SiC-beläggningen enligt följande formel: VSiC=(m²-m³)/(Sxt)x100% VSiC=Deponeringshastighet; m2–massa av beläggningsprov (mg); m1–substratets massa (mg); S-yta av substratet (mm2); t - avsättningstiden (h).   CVD-SiC är relativt komplicerat, och processen kan sammanfattas enligt följande: vid hög temperatur kommer MTS att genomgå termisk nedbrytning för att bilda små molekyler från kolkälla och kiselkälla. De små molekylerna från kolkällan inkluderar huvudsakligen CH3, C2H2 och C2H4, och de små molekylerna från kiselkällan inkluderar huvudsakligen SiCI2, SiCI3, etc.; dessa små molekyler från kolkällan och kiselkällan kommer sedan att transporteras till ytan av grafitsubstratet av bärgasen och utspädningsgasen, och sedan kommer dessa små molekyler att adsorberas på substratytan i form av adsorption, och sedan kommer kemiska reaktioner att ske mellan de små molekylerna för att bilda små droppar som gradvis växer, och dropparna kommer också att smälta samman, och reaktionen kommer att åtföljas av bildandet av mellanprodukter (HCl-gas); När temperaturen stiger till 1000 ℃ förbättras densiteten hos SiC-beläggningen avsevärt. Det kan ses att den största delen av beläggningen består av SiC-korn (cirka 4 μm stora), men vissa fibrösa SiC-defekter finns också, vilket visar att det fortfarande finns riktad tillväxt av SiC vid denna temperatur, och beläggningen är fortfarande inte tillräckligt tät. När temperaturen stiger till 1100 ℃ kan man se att SiC-beläggningen är mycket tät och de fibrösa SiC-defekterna har försvunnit helt. Beläggningen består av droppformade SiC-partiklar med en diameter på cirka 5~10 μm, som är tätt sammanfogade. Partiklarnas yta är mycket grov. Den består av otaliga nanoskaliga SiC-korn. Faktum är att CVD-SiC-tillväxtprocessen vid 1100 ℃ har blivit massöverföringskontrollerad. De små molekylerna som adsorberas på substratytan har tillräckligt med energi och tid för att bilda kärnor och växa till SiC-korn. SiC-kornen bildar jämnt stora droppar. Under inverkan av ytenergi verkar de flesta dropparna sfäriska, och dropparna är tätt kombinerade för att bilda en tät SiC-beläggning. När temperaturen stiger till 1200 ℃ är även SiC-beläggningen tät, men SiC-morfologin blir mångkantig och beläggningens yta verkar grövre. När temperaturen ökar till 1300 ℃ finns ett stort antal regelbundna sfäriska partiklar med en diameter på cirka 3 μm på grafitsubstratets yta. Detta beror på att SiC vid denna temperatur har omvandlats till gasfaskärnbildning, och MTS-sönderdelningshastigheten är mycket snabb. Små molekyler har reagerat och kärnbildats för att bilda SiC-korn innan de adsorberas på substratytan. Efter att kornen bildat sfäriska partiklar kommer de att sjunka ner, vilket så småningom resulterar i en lös SiC-partikelbeläggning med dålig densitet. Självklart kan 1300 ℃ inte användas som formningstemperatur för tät SiC-beläggning. Omfattande jämförelser visar att om en tät SiC-beläggning ska framställas är den optimala CVD-avsättningstemperaturen 1100 ℃.

Figur 3 visar avsättningshastigheten för CVD SiC-beläggningar vid olika avsättningstemperaturer. När avsättningstemperaturen ökar minskar avsättningshastigheten för SiC-beläggningen gradvis. Avsättningshastigheten vid 900 °C är 0,352 mg·h⁻¹/mm², och fibrernas riktningstillväxt leder till den snabbaste avsättningshastigheten. Avsättningshastigheten för beläggningen med högst densitet är 0,179 mg·h⁻¹/mm². På grund av avsättningen av vissa SiC-partiklar är avsättningshastigheten vid 1300 °C den lägsta, endast 0,027 mg·h⁻¹/mm².   Slutsats: Den bästa CVD-deponeringstemperaturen är 1100 ℃. Låg temperatur främjar den riktade tillväxten av SiC, medan hög temperatur gör att SiC producerar ångdeponering och resulterar i gles beläggning. Med ökande deponeringstemperatur ökar deponeringshastigheten förCVD SiC-beläggningminskar gradvis.