CVD SiC பூச்சின் வளர்ச்சியில் வெவ்வேறு வெப்பநிலைகளின் விளைவு

CVD SiC பூச்சு என்றால் என்ன?

வேதியியல் ஆவிப் படிவு (CVD) என்பது உயர் தூய்மையான திடப் பொருட்களை உற்பத்தி செய்யப் பயன்படும் ஒரு வெற்றிடப் படிவுச் செயல்முறையாகும். இந்தச் செயல்முறை, குறைக்கடத்தி உற்பத்தித் துறையில் சிலிக்கான் தகடுகளின் (வேஃபர்களின்) மேற்பரப்பில் மெல்லிய படலங்களை உருவாக்கப் பெரும்பாலும் பயன்படுத்தப்படுகிறது. வேதியியல் ஆவிப் படிவு மூலம் சிலிக்கான் கார்பைடைத் தயாரிக்கும் செயல்முறையில், அடிமூலக்கூறானது ஒன்று அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட ஆவியாகும் முன்னோடிப் பொருட்களுக்கு உட்படுத்தப்படுகிறது. அவை அடிமூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் வேதியியல் ரீதியாக வினைபுரிந்து, விரும்பிய சிலிக்கான் கார்பைடு படிவுகளைப் படியவைக்கின்றன. சிலிக்கான் கார்பைடு பொருட்களைத் தயாரிப்பதற்கான பல முறைகளில், வேதியியல் ஆவிப் படிவு மூலம் தயாரிக்கப்படும் பொருட்கள் அதிக சீரான தன்மையையும் தூய்மையையும் கொண்டுள்ளன, மேலும் இந்த முறை வலுவான செயல்முறைக் கட்டுப்பாட்டுத் திறனைக் கொண்டுள்ளது. CVD சிலிக்கான் கார்பைடு பொருட்கள், சிறந்த வெப்ப, மின் மற்றும் வேதியியல் பண்புகளின் தனித்துவமான கலவையைக் கொண்டுள்ளன. இதனால், உயர் செயல்திறன் கொண்ட பொருட்கள் தேவைப்படும் குறைக்கடத்தித் துறையில் பயன்படுத்துவதற்கு அவை மிகவும் பொருத்தமானவையாக இருக்கின்றன. CVD சிலிக்கான் கார்பைடு கூறுகள், எச்சிங் கருவிகள், MOCVD கருவிகள், Si எபிடெக்சியல் கருவிகள் மற்றும் SiC எபிடெக்சியல் கருவிகள், விரைவான வெப்பச் செயலாக்கக் கருவிகள் மற்றும் பிற துறைகளில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

இந்தக் கட்டுரை, தயாரிப்பின் போது வெவ்வேறு செயல்முறை வெப்பநிலைகளில் வளர்க்கப்படும் மெல்லிய படங்களின் தரத்தைப் பகுப்பாய்வு செய்வதில் கவனம் செலுத்துகிறது.CVD SiC பூச்சுமிகவும் பொருத்தமான செயல்முறை வெப்பநிலையைத் தேர்ந்தெடுப்பதற்காக, இந்தச் சோதனையில் கிராஃபைட் அடி மூலக்கூறாகவும், டிரைகுளோரோமெத்தில்சிலேன் (MTS) வினை மூல வாயுவாகவும் பயன்படுத்தப்படுகிறது. SiC பூச்சானது குறைந்த அழுத்த CVD செயல்முறை மூலம் படியவைக்கப்படுகிறது, மேலும் அதன் நுண்ணுருவவியல்...CVD SiC பூச்சுஅதன் கட்டமைப்பு அடர்த்தியைப் பகுப்பாய்வு செய்ய, ஸ்கேனிங் எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கி மூலம் இது உற்றுநோக்கப்படுகிறது.

கிராஃபைட் அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பு வெப்பநிலை மிகவும் அதிகமாக இருப்பதால், இடைநிலை வாயு அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் இருந்து பிரிக்கப்பட்டு வெளியேற்றப்படும். இறுதியாக, அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் மீதமுள்ள C மற்றும் Si ஆகியவை திட நிலை SiC-ஐ உருவாக்கி, SiC பூச்சை உருவாக்கும். மேற்கூறிய CVD-SiC வளர்ச்சி செயல்முறையின்படி, வெப்பநிலை வாயுவின் பரவல், MTS-இன் சிதைவு, துளிகளின் உருவாக்கம் மற்றும் இடைநிலை வாயுவின் பிரிக்கப்பட்டு வெளியேற்றப்படுதல் ஆகியவற்றைப் பாதிக்கும் என்பது தெளிவாகிறது. எனவே, SiC பூச்சின் உருவமைப்பில் படிவு வெப்பநிலை ஒரு முக்கியப் பங்கு வகிக்கும். பூச்சின் அடர்த்தியின் மிகவும் உள்ளுணர்வு வெளிப்பாடே அதன் நுண்ணிய உருவமைப்பு ஆகும். எனவே, CVD SiC பூச்சின் நுண்ணிய உருவமைப்பில் வெவ்வேறு படிவு வெப்பநிலைகளின் விளைவைப் பற்றி ஆய்வு செய்வது அவசியமாகும். MTS ஆனது 900 முதல் 1600℃ வரையிலான வெப்பநிலையில் சிதைந்து SiC பூச்சைப் படியவைக்க முடியும் என்பதால், CVD-SiC பூச்சின் மீது வெப்பநிலையின் விளைவை ஆய்வு செய்வதற்காக, SiC பூச்சைத் தயாரிப்பதற்கு 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ மற்றும் 1300℃ ஆகிய ஐந்து படியவைப்பு வெப்பநிலைகள் இந்தச் சோதனையில் தேர்ந்தெடுக்கப்படுகின்றன. குறிப்பிட்ட அளவுருக்கள் அட்டவணை 3-இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. படம் 2, வெவ்வேறு படியவைப்பு வெப்பநிலைகளில் வளர்க்கப்பட்ட CVD-SiC பூச்சின் நுண்ணிய உருவமைப்பைக் காட்டுகிறது.

படிவு வெப்பநிலை 900℃ ஆக இருக்கும்போது, ​​அனைத்து SiC-யும் இழை வடிவங்களில் வளர்கிறது. ஒரு தனி இழையின் விட்டம் சுமார் 3.5μm ஆகவும், அதன் தோற்ற விகிதம் சுமார் 3 (<10) ஆகவும் இருப்பதைக் காணலாம். மேலும், இது எண்ணற்ற நானோ-SiC துகள்களால் ஆனது, எனவே இது ஒரு பலபடிக SiC கட்டமைப்பைச் சேர்ந்தது, இது பாரம்பரிய SiC நானோகம்பிகள் மற்றும் ஒற்றை-படிக SiC மீசைகளிலிருந்து வேறுபட்டது. இந்த இழை வடிவ SiC, பொருத்தமற்ற செயல்முறை அளவுருக்களால் ஏற்படும் ஒரு கட்டமைப்பு குறைபாடு ஆகும். இந்த SiC பூச்சின் கட்டமைப்பு ஒப்பீட்டளவில் தளர்வாக இருப்பதையும், இழை வடிவ SiC-க்கு இடையில் அதிக எண்ணிக்கையிலான துளைகள் இருப்பதையும், மற்றும் அடர்த்தி மிகவும் குறைவாக இருப்பதையும் காணலாம். எனவே, அடர்த்தியான SiC பூச்சுகளைத் தயாரிப்பதற்கு இந்த வெப்பநிலை பொருத்தமானதல்ல. பொதுவாக, இழை வடிவ SiC கட்டமைப்பு குறைபாடுகள் மிகக் குறைந்த படிவு வெப்பநிலையால் ஏற்படுகின்றன. குறைந்த வெப்பநிலையில், அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் உறிஞ்சப்பட்ட சிறிய மூலக்கூறுகள் குறைந்த ஆற்றலையும் மோசமான இடப்பெயர்வு திறனையும் கொண்டுள்ளன. எனவே, சிறிய மூலக்கூறுகள் SiC துகள்களின் மிகக் குறைந்த மேற்பரப்பு கட்டற்ற ஆற்றல் உள்ள பகுதிக்கு (துகளின் முனை போன்ற) இடம்பெயர்ந்து வளர முனைகின்றன. இந்தத் தொடர்ச்சியான திசைசார் வளர்ச்சி, இறுதியில் இழை போன்ற SiC கட்டமைப்பு குறைபாடுகளை உருவாக்குகிறது.

CVD SiC பூச்சு தயாரித்தல்:

முதலில், கிராஃபைட் அடிமூலமானது ஒரு உயர்-வெப்பநிலை வெற்றிட உலையில் வைக்கப்பட்டு, சாம்பலை அகற்றுவதற்காக ஆர்கான் (Ar) வளிமண்டலத்தில் 1500℃ வெப்பநிலையில் 1 மணி நேரம் வைக்கப்படுகிறது. பின்னர், கிராஃபைட் கட்டியானது 15x15x5 மிமீ அளவுள்ள ஒரு கட்டியாக வெட்டப்பட்டு, SiC படிதலைப் பாதிக்கும் மேற்பரப்புத் துளைகளை நீக்குவதற்காக, கிராஃபைட் கட்டியின் மேற்பரப்பு 1200-மெஷ் மணர்த்தாள் கொண்டு மெருகூட்டப்படுகிறது. இவ்வாறு பதப்படுத்தப்பட்ட கிராஃபைட் கட்டியானது நீரற்ற எத்தனால் மற்றும் காய்ச்சி வடிகட்டிய நீரால் கழுவப்பட்டு, பின்னர் உலர்த்துவதற்காக 100℃ வெப்பநிலையில் ஒரு சூளையில் வைக்கப்படுகிறது. இறுதியாக, கிராஃபைட் அடிமூலமானது SiC படிதலுக்காகக் குழாய் உலையின் பிரதான வெப்பநிலை மண்டலத்தில் வைக்கப்படுகிறது. வேதி ஆவிப் படிதல் அமைப்பின் திட்ட வரைபடம் படம் 1-இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.

திCVD SiC பூச்சுஅதன் துகள் அளவு மற்றும் அடர்த்தியைப் பகுப்பாய்வு செய்ய, ஸ்கேனிங் எலக்ட்ரான் மைக்ரோஸ்கோபி மூலம் அது உற்றுநோக்கப்பட்டது. மேலும், SiC பூச்சின் படிவு வீதம் கீழ்க்காணும் சூத்திரத்தின்படி கணக்கிடப்பட்டது: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = படிவு வீதம்; m2–பூச்சு மாதிரியின் நிறை (mg); m1–அடி மூலக்கூறின் நிறை (mg); அடித்தளத்தின் S-மேற்பரப்பு (மிமீ²); t - படிதல் நேரம் (மணி).   CVD-SiC ஒப்பீட்டளவில் சிக்கலானது, மேலும் இந்த செயல்முறையை பின்வருமாறு சுருக்கமாகக் கூறலாம்: உயர் வெப்பநிலையில், MTS வெப்பச் சிதைவுக்கு உள்ளாகி கார்பன் மூல மற்றும் சிலிக்கான் மூல சிறு மூலக்கூறுகளை உருவாக்கும். கார்பன் மூல சிறு மூலக்கூறுகளில் முக்கியமாக CH3, C2H2 மற்றும் C2H4 ஆகியவை அடங்கும், மேலும் சிலிக்கான் மூல சிறு மூலக்கூறுகளில் முக்கியமாக SiCl2, SiCl3 போன்றவை அடங்கும்; இந்த கார்பன் மூல மற்றும் சிலிக்கான் மூல சிறு மூலக்கூறுகள் பின்னர் கடத்தி வாயு மற்றும் நீர்க்கும் வாயுவால் கிராஃபைட் அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பிற்கு கொண்டு செல்லப்படும், பின்னர் இந்த சிறு மூலக்கூறுகள் அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் ஒட்டுதல் வடிவில் உறிஞ்சப்படும், அதன் பிறகு சிறு மூலக்கூறுகளுக்கு இடையில் வேதி வினைகள் நிகழ்ந்து படிப்படியாக வளரும் சிறு துளிகளை உருவாக்கும், மேலும் அந்தத் துளிகள் ஒன்றிணைந்து, இடைநிலை துணை விளைபொருட்களான (HCl வாயு) உருவாக்கத்துடன் நிகழும்; வெப்பநிலை 1000 ℃ ஆக உயரும்போது, ​​SiC பூச்சின் அடர்த்தி பெருமளவில் மேம்படுகிறது. பூச்சின் பெரும்பகுதி SiC துகள்களால் (சுமார் 4μm அளவு) ஆனது என்பதைக் காணலாம், ஆனால் சில இழை போன்ற SiC குறைபாடுகளும் காணப்படுகின்றன. இது, இந்த வெப்பநிலையில் SiC-யின் திசைசார் வளர்ச்சி இன்னும் உள்ளது என்பதையும், பூச்சு இன்னும் போதுமான அளவு அடர்த்தியாக இல்லை என்பதையும் காட்டுகிறது. வெப்பநிலை 1100 ℃ ஆக உயரும்போது, ​​SiC பூச்சு மிகவும் அடர்த்தியாக இருப்பதையும், இழை போன்ற SiC குறைபாடுகள் முற்றிலுமாக மறைந்துவிட்டதையும் காணலாம். இந்தப் பூச்சானது, சுமார் 5~10μm விட்டம் கொண்ட, இறுக்கமாகப் பிணைக்கப்பட்ட துளி வடிவ SiC துகள்களால் ஆனது. துகள்களின் மேற்பரப்பு மிகவும் சொரசொரப்பாக உள்ளது. இது எண்ணற்ற நானோ-அளவிலான SiC துகள்களால் ஆனது. உண்மையில், 1100 ℃ வெப்பநிலையில் CVD-SiC வளர்ச்சி செயல்முறையானது நிறை பரிமாற்றத்தால் கட்டுப்படுத்தப்படுகிறது. அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் உறிஞ்சப்பட்ட சிறிய மூலக்கூறுகளுக்கு, SiC துகள்களாக உருவாகி வளர்வதற்குத் தேவையான ஆற்றலும் நேரமும் கிடைக்கிறது. SiC துகள்கள் சீராகப் பெரிய துளிகளை உருவாக்குகின்றன. மேற்பரப்பு ஆற்றலின் செயல்பாட்டால், பெரும்பாலான துளிகள் கோள வடிவத்தில் தோன்றி, இறுக்கமாக இணைந்து ஒரு அடர்த்தியான SiC பூச்சை உருவாக்குகின்றன. வெப்பநிலை 1200℃ ஆக உயரும்போது, ​​SiC பூச்சும் அடர்த்தியாகிறது, ஆனால் SiC-யின் உருவமைப்பு பல வரிகளைக் கொண்டதாக மாறி, பூச்சின் மேற்பரப்பு சொரசொரப்பாகத் தோன்றுகிறது. வெப்பநிலை 1300℃ ஆக அதிகரிக்கும்போது, ​​கிராஃபைட் அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் சுமார் 3μm விட்டம் கொண்ட ஏராளமான சீரான கோள வடிவத் துகள்கள் காணப்படுகின்றன. இதற்குக் காரணம், இந்த வெப்பநிலையில், SiC வாயு நிலை உட்கருவாக்கத்திற்கு மாற்றப்பட்டுள்ளது, மேலும் MTS சிதைவு விகிதம் மிகவும் வேகமாக உள்ளது. அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் உறிஞ்சப்படுவதற்கு முன்பு, சிறிய மூலக்கூறுகள் வினைபுரிந்து உட்கருவாக்கம் அடைந்து SiC துகள்களை உருவாக்குகின்றன. துகள்கள் கோள வடிவத் துகள்களாக மாறிய பிறகு, அவை கீழே விழுந்து, இறுதியில் குறைந்த அடர்த்தி கொண்ட தளர்வான SiC துகள் பூச்சாக மாறும். வெளிப்படையாக, அடர்த்தியான SiC பூச்சின் உருவாக்க வெப்பநிலையாக 1300℃-ஐப் பயன்படுத்த முடியாது. விரிவான ஒப்பீட்டின்படி, அடர்த்தியான SiC பூச்சு தயாரிக்கப்பட வேண்டுமானால், உகந்த CVD படிவு வெப்பநிலை 1100℃ ஆகும்.

படம் 3, வெவ்வேறு படிவு வெப்பநிலைகளில் CVD SiC பூச்சுகளின் படிவு வீதத்தைக் காட்டுகிறது. படிவு வெப்பநிலை அதிகரிக்கும்போது, ​​SiC பூச்சின் படிவு வீதம் படிப்படியாகக் குறைகிறது. 900°C-இல் படிவு வீதம் 0.352 mg·h-1/mm2 ஆகும், மேலும் இழைகளின் திசைசார் வளர்ச்சி மிக வேகமான படிவு வீதத்திற்கு வழிவகுக்கிறது. மிக அதிக அடர்த்தி கொண்ட பூச்சின் படிவு வீதம் 0.179 mg·h-1/mm2 ஆகும். சில SiC துகள்கள் படிவதால், 1300°C-இல் படிவு வீதம் மிகக் குறைவாக, வெறும் 0.027 mg·h-1/mm2 ஆக உள்ளது.   முடிவுரை: CVD படிவுக்கான சிறந்த வெப்பநிலை 1100℃ ஆகும். குறைந்த வெப்பநிலை SiC-இன் திசைசார் வளர்ச்சியை ஊக்குவிக்கிறது, அதேசமயம் அதிக வெப்பநிலை SiC ஆவிப் படிவை ஏற்படுத்தி, மெல்லிய பூச்சு உருவாக வழிவகுக்கிறது. படிவு வெப்பநிலை அதிகரிக்கும்போது, ​​படிவு வீதமும் அதிகரிக்கிறது.CVD SiC பூச்சுபடிப்படியாக குறைகிறது.