CVD SiC பூச்சு வளர்ச்சியில் வெவ்வேறு வெப்பநிலைகளின் விளைவு

CVD SiC பூச்சு என்றால் என்ன?

வேதியியல் நீராவி படிவு (CVD) என்பது உயர்-தூய்மை திடப்பொருட்களை உற்பத்தி செய்யப் பயன்படுத்தப்படும் ஒரு வெற்றிட படிவு செயல்முறையாகும். இந்த செயல்முறை பெரும்பாலும் குறைக்கடத்தி உற்பத்தித் துறையில் செதில்களின் மேற்பரப்பில் மெல்லிய படலங்களை உருவாக்கப் பயன்படுத்தப்படுகிறது. CVD மூலம் சிலிக்கான் கார்பைடைத் தயாரிக்கும் செயல்பாட்டில், அடி மூலக்கூறு ஒன்று அல்லது அதற்கு மேற்பட்ட ஆவியாகும் முன்னோடிகளுக்கு வெளிப்படும், அவை விரும்பிய சிலிக்கான் கார்பைடு படிவுகளை வைப்பதற்கு அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் வேதியியல் ரீதியாக வினைபுரிகின்றன. சிலிக்கான் கார்பைடு பொருட்களைத் தயாரிப்பதற்கான பல முறைகளில், வேதியியல் நீராவி படிவு மூலம் தயாரிக்கப்பட்ட பொருட்கள் அதிக சீரான தன்மை மற்றும் தூய்மையைக் கொண்டுள்ளன, மேலும் இந்த முறை வலுவான செயல்முறை கட்டுப்பாட்டைக் கொண்டுள்ளது. CVD சிலிக்கான் கார்பைடு பொருட்கள் சிறந்த வெப்ப, மின் மற்றும் வேதியியல் பண்புகளின் தனித்துவமான கலவையைக் கொண்டுள்ளன, இதனால் உயர் செயல்திறன் பொருட்கள் தேவைப்படும் குறைக்கடத்தித் தொழிலில் பயன்படுத்த மிகவும் பொருத்தமானவை. CVD சிலிக்கான் கார்பைடு கூறுகள் செதுக்குதல் உபகரணங்கள், MOCVD உபகரணங்கள், Si எபிடாக்சியல் உபகரணங்கள் மற்றும் SiC எபிடாக்சியல் உபகரணங்கள், விரைவான வெப்ப செயலாக்க உபகரணங்கள் மற்றும் பிற துறைகளில் பரவலாகப் பயன்படுத்தப்படுகின்றன.

இந்தக் கட்டுரை, பல்வேறு செயல்முறை வெப்பநிலைகளில் தயாரிக்கும் போது வளர்க்கப்படும் மெல்லிய படலங்களின் தரத்தை பகுப்பாய்வு செய்வதில் கவனம் செலுத்துகிறது.CVD SiC பூச்சு, மிகவும் பொருத்தமான செயல்முறை வெப்பநிலையைத் தேர்ந்தெடுக்க. சோதனையானது கிராஃபைட்டை அடி மூலக்கூறாகவும், ட்ரைக்ளோரோமெதில்சிலேன் (MTS) எதிர்வினை மூல வாயுவாகவும் பயன்படுத்துகிறது. SiC பூச்சு குறைந்த அழுத்த CVD செயல்முறையால் படிவு செய்யப்படுகிறது, மேலும்CVD SiC பூச்சுஅதன் கட்டமைப்பு அடர்த்தியை பகுப்பாய்வு செய்ய எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கியை ஸ்கேன் செய்வதன் மூலம் கவனிக்கப்படுகிறது.

கிராஃபைட் அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பு வெப்பநிலை மிக அதிகமாக இருப்பதால், இடைநிலை வாயு உறிஞ்சப்பட்டு அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் இருந்து வெளியேற்றப்படும், இறுதியாக அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் மீதமுள்ள C மற்றும் Si ஆகியவை திட நிலை SiC ஐ உருவாக்கி SiC பூச்சு உருவாகும். மேலே உள்ள CVD-SiC வளர்ச்சி செயல்முறையின்படி, வெப்பநிலை வாயுவின் பரவல், MTS இன் சிதைவு, நீர்த்துளிகள் உருவாக்கம் மற்றும் இடைநிலை வாயுவின் உறிஞ்சுதல் மற்றும் வெளியேற்றத்தை பாதிக்கும் என்பதைக் காணலாம், எனவே படிவு வெப்பநிலை SiC பூச்சுகளின் உருவ அமைப்பில் முக்கிய பங்கு வகிக்கும். பூச்சுகளின் நுண்ணிய உருவவியல் பூச்சுகளின் அடர்த்தியின் மிகவும் உள்ளுணர்வு வெளிப்பாடாகும். எனவே, CVD SiC பூச்சுகளின் நுண்ணிய உருவ அமைப்பில் வெவ்வேறு படிவு வெப்பநிலைகளின் விளைவை ஆய்வு செய்வது அவசியம். MTS ஆனது SiC பூச்சுகளை 900~1600℃ க்கு இடையில் சிதைத்து படிய வைக்க முடியும் என்பதால், இந்த சோதனையானது CVD-SiC பூச்சு மீது வெப்பநிலையின் விளைவை ஆய்வு செய்வதற்காக SiC பூச்சு தயாரிப்பதற்காக 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ மற்றும் 1300℃ ஆகிய ஐந்து படிவு வெப்பநிலைகளைத் தேர்ந்தெடுக்கிறது. குறிப்பிட்ட அளவுருக்கள் அட்டவணை 3 இல் காட்டப்பட்டுள்ளன. படம் 2 வெவ்வேறு படிவு வெப்பநிலைகளில் வளர்க்கப்படும் CVD-SiC பூச்சுகளின் நுண்ணிய உருவ அமைப்பைக் காட்டுகிறது.

படிவு வெப்பநிலை 900℃ ஆக இருக்கும்போது, ​​அனைத்து SiC களும் ஃபைபர் வடிவங்களாக வளர்கின்றன. ஒரு ஒற்றை 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 பாலிகிரிஸ்டலின் SiC கட்டமைப்பைச் சேர்ந்தது, இது பாரம்பரிய SiC நானோவயர்கள் மற்றும் ஒற்றை-படிக SiC விஸ்கர்களிலிருந்து வேறுபட்டது. இந்த இழைம SiC என்பது நியாயமற்ற செயல்முறை அளவுருக்களால் ஏற்படும் கட்டமைப்பு குறைபாடாகும். இந்த SiC பூச்சுகளின் அமைப்பு ஒப்பீட்டளவில் தளர்வானதாகவும், இழைம SiC க்கு இடையில் அதிக எண்ணிக்கையிலான துளைகள் இருப்பதையும், அடர்த்தி மிகக் குறைவாக இருப்பதையும் காணலாம். எனவே, இந்த வெப்பநிலை அடர்த்தியான SiC பூச்சுகளைத் தயாரிப்பதற்கு ஏற்றதல்ல. பொதுவாக, இழைம SiC கட்டமைப்பு குறைபாடுகள் மிகக் குறைந்த படிவு வெப்பநிலையால் ஏற்படுகின்றன. குறைந்த வெப்பநிலையில், அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் உறிஞ்சப்படும் சிறிய மூலக்கூறுகள் குறைந்த ஆற்றலையும் மோசமான இடம்பெயர்வு திறனையும் கொண்டுள்ளன. எனவே, சிறிய மூலக்கூறுகள் இடம்பெயர்ந்து SiC தானியங்களின் மிகக் குறைந்த மேற்பரப்பு இலவச ஆற்றலுக்கு (தானியத்தின் நுனி போன்றவை) வளரும். தொடர்ச்சியான திசை வளர்ச்சி இறுதியில் நார்ச்சத்துள்ள SiC கட்டமைப்பு குறைபாடுகளை உருவாக்குகிறது.

CVD SiC பூச்சு தயாரித்தல்:

முதலில், கிராஃபைட் அடி மூலக்கூறு உயர் வெப்பநிலை வெற்றிட உலையில் வைக்கப்பட்டு, சாம்பல் அகற்றுவதற்காக ஒரு Ar வளிமண்டலத்தில் 1 மணிநேரம் 1500℃ வெப்பநிலையில் வைக்கப்படுகிறது. பின்னர் கிராஃபைட் தொகுதி 15x15x5மிமீ தொகுதியாக வெட்டப்பட்டு, கிராஃபைட் தொகுதியின் மேற்பரப்பு 1200-மெஷ் மணர்த்துகள்கள் கொண்ட காகிதத்தால் மெருகூட்டப்பட்டு SiC படிவை பாதிக்கும் மேற்பரப்பு துளைகளை நீக்குகிறது. சிகிச்சையளிக்கப்பட்ட கிராஃபைட் தொகுதி நீரற்ற எத்தனால் மற்றும் காய்ச்சி வடிகட்டிய நீரில் கழுவப்பட்டு, பின்னர் உலர்த்துவதற்காக 100℃ வெப்பநிலையில் ஒரு அடுப்பில் வைக்கப்படுகிறது. இறுதியாக, கிராஃபைட் அடி மூலக்கூறு SiC படிவுக்காக குழாய் உலையின் முக்கிய வெப்பநிலை மண்டலத்தில் வைக்கப்படுகிறது. வேதியியல் நீராவி படிவு அமைப்பின் திட்ட வரைபடம் படம் 1 இல் காட்டப்பட்டுள்ளது.

திCVD SiC பூச்சுஅதன் துகள் அளவு மற்றும் அடர்த்தியை பகுப்பாய்வு செய்ய எலக்ட்ரான் நுண்ணோக்கியை ஸ்கேன் செய்வதன் மூலம் கவனிக்கப்பட்டது. கூடுதலாக, SiC பூச்சுகளின் படிவு விகிதம் பின்வரும் சூத்திரத்தின்படி கணக்கிடப்பட்டது: விஎஸ்ஐசி=(மீ2-மீ1)/(சதுரம்)x100% VSiC=படிவு விகிதம்; m2–பூச்சு மாதிரியின் நிறை (மிகி); அடி மூலக்கூறின் m1–நிறை (மிகி); அடி மூலக்கூறின் S-மேற்பரப்பு பகுதி (மிமீ2); t-படிவு நேரம் (h).   CVD-SiC ஒப்பீட்டளவில் சிக்கலானது, மேலும் இந்த செயல்முறையை பின்வருமாறு சுருக்கமாகக் கூறலாம்: அதிக வெப்பநிலையில், MTS வெப்ப சிதைவுக்கு உட்பட்டு கார்பன் மூலத்தையும் சிலிக்கான் மூல சிறிய மூலக்கூறுகளையும் உருவாக்கும். கார்பன் மூல சிறிய மூலக்கூறுகளில் முக்கியமாக CH3, C2H2 மற்றும் C2H4 ஆகியவை அடங்கும், மேலும் சிலிக்கான் மூல சிறிய மூலக்கூறுகளில் முக்கியமாக SiCI2, SiCI3 போன்றவை அடங்கும்; இந்த கார்பன் மூல மற்றும் சிலிக்கான் மூல சிறிய மூலக்கூறுகள் பின்னர் கேரியர் வாயு மற்றும் நீர்த்த வாயுவால் கிராஃபைட் அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்புக்கு கொண்டு செல்லப்படும், பின்னர் இந்த சிறிய மூலக்கூறுகள் உறிஞ்சுதல் வடிவத்தில் அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் உறிஞ்சப்படும், பின்னர் சிறிய மூலக்கூறுகளுக்கு இடையில் வேதியியல் எதிர்வினைகள் நிகழும், இதனால் படிப்படியாக வளரும் சிறிய துளிகள் உருவாகும், மேலும் நீர்த்துளிகளும் உருகும், மேலும் எதிர்வினை இடைநிலை துணை தயாரிப்புகள் (HCl வாயு) உருவாவதோடு சேர்ந்து கொள்ளும்; வெப்பநிலை 1000 ℃ ஆக உயரும்போது, ​​SiC பூச்சுகளின் அடர்த்தி பெரிதும் மேம்படுகிறது. பெரும்பாலான பூச்சு SiC தானியங்களால் (சுமார் 4μm அளவு) ஆனது என்பதைக் காணலாம், ஆனால் சில நார்ச்சத்துள்ள SiC குறைபாடுகளும் காணப்படுகின்றன, இது இந்த வெப்பநிலையில் SiC இன் திசை வளர்ச்சி இன்னும் இருப்பதைக் காட்டுகிறது, மேலும் பூச்சு இன்னும் போதுமான அடர்த்தியாக இல்லை. வெப்பநிலை 1100 ℃ ஆக உயரும்போது, ​​SiC பூச்சு மிகவும் அடர்த்தியாக இருப்பதைக் காணலாம், மேலும் நார்ச்சத்துள்ள SiC குறைபாடுகள் முற்றிலும் மறைந்துவிட்டன. பூச்சு சுமார் 5~10μm விட்டம் கொண்ட துளி வடிவ SiC துகள்களால் ஆனது, அவை இறுக்கமாக இணைக்கப்பட்டுள்ளன. துகள்களின் மேற்பரப்பு மிகவும் கரடுமுரடானது. இது எண்ணற்ற நானோ-அளவிலான SiC தானியங்களால் ஆனது. உண்மையில், 1100 ℃ இல் CVD-SiC வளர்ச்சி செயல்முறை நிறை பரிமாற்றக் கட்டுப்பாட்டிற்குள் மாறியுள்ளது. அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் உறிஞ்சப்பட்ட சிறிய மூலக்கூறுகள் அணுக்கருவாக்கப்பட்டு SiC தானியங்களாக வளர போதுமான ஆற்றலையும் நேரத்தையும் கொண்டுள்ளன. SiC தானியங்கள் சீராக பெரிய நீர்த்துளிகளை உருவாக்குகின்றன. மேற்பரப்பு ஆற்றலின் செயல்பாட்டின் கீழ், பெரும்பாலான நீர்த்துளிகள் கோள வடிவில் தோன்றும், மேலும் நீர்த்துளிகள் இறுக்கமாக இணைக்கப்பட்டு அடர்த்தியான SiC பூச்சு உருவாகின்றன. வெப்பநிலை 1200℃ ஆக உயரும்போது, ​​SiC பூச்சும் அடர்த்தியாக இருக்கும், ஆனால் SiC உருவவியல் பல-முகடுகளாக மாறும் மற்றும் பூச்சுகளின் மேற்பரப்பு கரடுமுரடாகத் தோன்றும். வெப்பநிலை 1300℃ ஆக அதிகரிக்கும் போது, ​​சுமார் 3μm விட்டம் கொண்ட வழக்கமான கோளத் துகள்கள் அதிக எண்ணிக்கையில் கிராஃபைட் அடி மூலக்கூறின் மேற்பரப்பில் காணப்படுகின்றன. ஏனெனில் இந்த வெப்பநிலையில், SiC வாயு கட்ட அணுக்கருவாக மாற்றப்பட்டுள்ளது, மேலும் MTS சிதைவு விகிதம் மிக வேகமாக உள்ளது. சிறிய மூலக்கூறுகள் வினைபுரிந்து அணுக்கருவாக்கப்பட்டு, அடி மூலக்கூறு மேற்பரப்பில் உறிஞ்சப்படுவதற்கு முன்பு SiC தானியங்களை உருவாக்குகின்றன. தானியங்கள் கோளத் துகள்களை உருவாக்கிய பிறகு, அவை கீழே விழும், இறுதியில் மோசமான அடர்த்தியுடன் தளர்வான SiC துகள் பூச்சு ஏற்படுகிறது. வெளிப்படையாக, 1300℃ ஐ அடர்த்தியான SiC பூச்சு உருவாக்கும் வெப்பநிலையாகப் பயன்படுத்த முடியாது. அடர்த்தியான SiC பூச்சு தயாரிக்கப்பட வேண்டும் என்றால், உகந்த CVD படிவு வெப்பநிலை 1100℃ என்பதை விரிவான ஒப்பீடு காட்டுகிறது.

படம் 3 வெவ்வேறு படிவு வெப்பநிலைகளில் CVD SiC பூச்சுகளின் படிவு விகிதத்தைக் காட்டுகிறது. படிவு வெப்பநிலை அதிகரிக்கும் போது, ​​SiC பூச்சுகளின் படிவு விகிதம் படிப்படியாகக் குறைகிறது. 900°C இல் படிவு விகிதம் 0.352 mg·h-1/mm2 ஆகும், மேலும் இழைகளின் திசை வளர்ச்சி வேகமான படிவு விகிதத்திற்கு வழிவகுக்கிறது. அதிக அடர்த்தி கொண்ட பூச்சுகளின் படிவு விகிதம் 0.179 mg·h-1/mm2 ஆகும். சில SiC துகள்களின் படிவு காரணமாக, 1300°C இல் படிவு விகிதம் மிகக் குறைவு, 0.027 mg·h-1/mm2 மட்டுமே.   முடிவு: சிறந்த CVD படிவு வெப்பநிலை 1100℃ ஆகும். குறைந்த வெப்பநிலை SiC இன் திசை வளர்ச்சியை ஊக்குவிக்கிறது, அதே நேரத்தில் அதிக வெப்பநிலை SiC நீராவி படிவை உருவாக்கி அரிதான பூச்சுக்கு காரணமாகிறது. படிவு வெப்பநிலை அதிகரிப்புடன், படிவு விகிதம்CVD SiC பூச்சுபடிப்படியாக குறைகிறது.