CVD SiC పూత పెరుగుదలపై వివిధ ఉష్ణోగ్రతల ప్రభావం

CVD SiC కోటింగ్ అంటే ఏమిటి?

రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ (CVD) అనేది అధిక-స్వచ్ఛత ఘన పదార్థాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగించే వాక్యూమ్ నిక్షేపణ ప్రక్రియ. ఈ ప్రక్రియ తరచుగా సెమీకండక్టర్ తయారీ రంగంలో పొరల ఉపరితలంపై సన్నని పొరలను ఏర్పరచడానికి ఉపయోగించబడుతుంది. CVD ద్వారా సిలికాన్ కార్బైడ్‌ను తయారు చేసే ప్రక్రియలో, ఉపరితలం ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ అస్థిర పూర్వగాములకు గురవుతుంది, ఇవి కావలసిన సిలికాన్ కార్బైడ్ నిక్షేపాలను జమ చేయడానికి ఉపరితల ఉపరితలంపై రసాయనికంగా చర్య జరుపుతాయి. సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థాలను తయారు చేయడానికి అనేక పద్ధతులలో, రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ ద్వారా తయారు చేయబడిన ఉత్పత్తులు అధిక ఏకరూపత మరియు స్వచ్ఛతను కలిగి ఉంటాయి మరియు ఈ పద్ధతి బలమైన ప్రక్రియ నియంత్రణను కలిగి ఉంటుంది. CVD సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థాలు అద్భుతమైన ఉష్ణ, విద్యుత్ మరియు రసాయన లక్షణాల యొక్క ప్రత్యేకమైన కలయికను కలిగి ఉంటాయి, ఇవి అధిక-పనితీరు గల పదార్థాలు అవసరమయ్యే సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో ఉపయోగించడానికి చాలా అనుకూలంగా ఉంటాయి. CVD సిలికాన్ కార్బైడ్ భాగాలు ఎచింగ్ పరికరాలు, MOCVD పరికరాలు, Si ఎపిటాక్సియల్ పరికరాలు మరియు SiC ఎపిటాక్సియల్ పరికరాలు, వేగవంతమైన థర్మల్ ప్రాసెసింగ్ పరికరాలు మరియు ఇతర రంగాలలో విస్తృతంగా ఉపయోగించబడతాయి.

ఈ వ్యాసం తయారీ సమయంలో వివిధ ప్రక్రియ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పెరిగిన సన్నని పొరల నాణ్యతను విశ్లేషించడంపై దృష్టి పెడుతుందిCVD SiC పూత, అత్యంత సముచితమైన ప్రక్రియ ఉష్ణోగ్రతను ఎంచుకోవడానికి. ఈ ప్రయోగం గ్రాఫైట్‌ను ఉపరితలంగా మరియు ట్రైక్లోరోమెథైల్‌సిలేన్ (MTS) ను ప్రతిచర్య మూల వాయువుగా ఉపయోగిస్తుంది. SiC పూత తక్కువ-పీడన CVD ప్రక్రియ ద్వారా నిక్షేపించబడుతుంది మరియుCVD SiC పూతదాని నిర్మాణ సాంద్రతను విశ్లేషించడానికి స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ ద్వారా గమనించబడుతుంది.

గ్రాఫైట్ ఉపరితలం యొక్క ఉపరితల ఉష్ణోగ్రత చాలా ఎక్కువగా ఉన్నందున, ఇంటర్మీడియట్ వాయువు శోషించబడి ఉపరితల ఉపరితలం నుండి విడుదల చేయబడుతుంది మరియు చివరకు ఉపరితల ఉపరితలంపై మిగిలి ఉన్న C మరియు Si ఘన దశ SiCని ఏర్పరుస్తాయి, ఇది SiC పూతను ఏర్పరుస్తుంది. పైన పేర్కొన్న CVD-SiC వృద్ధి ప్రక్రియ ప్రకారం, ఉష్ణోగ్రత వాయువు యొక్క వ్యాప్తి, MTS కుళ్ళిపోవడం, బిందువులు ఏర్పడటం మరియు ఇంటర్మీడియట్ వాయువు యొక్క శోషణ మరియు ఉత్సర్గాన్ని ప్రభావితం చేస్తుందని చూడవచ్చు, కాబట్టి నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత SiC పూత యొక్క పదనిర్మాణంలో కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది. పూత యొక్క సూక్ష్మదర్శిని పదనిర్మాణం పూత యొక్క సాంద్రత యొక్క అత్యంత స్పష్టమైన అభివ్యక్తి. అందువల్ల, CVD SiC పూత యొక్క సూక్ష్మదర్శిని పదనిర్మాణంపై వివిధ నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రతల ప్రభావాన్ని అధ్యయనం చేయడం అవసరం. MTS SiC పూతను 900~1600℃ మధ్య కుళ్ళిపోయి జమ చేయగలదు కాబట్టి, ఈ ప్రయోగం CVD-SiC పూతపై ఉష్ణోగ్రత ప్రభావాన్ని అధ్యయనం చేయడానికి SiC పూత తయారీకి 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ మరియు 1300℃ యొక్క ఐదు నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రతలను ఎంచుకుంటుంది. నిర్దిష్ట పారామితులు పట్టిక 3లో చూపబడ్డాయి. వివిధ నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పెరిగిన CVD-SiC పూత యొక్క సూక్ష్మదర్శిని స్వరూపాన్ని చిత్రం 2 చూపిస్తుంది.

నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత 900℃ ఉన్నప్పుడు, అన్ని SiCలు ఫైబర్ ఆకారాలుగా పెరుగుతాయి. ఒకే ఫైబర్ యొక్క వ్యాసం దాదాపు 3.5μm ఉంటుందని మరియు దాని కారక నిష్పత్తి దాదాపు 3 (<10) ఉంటుందని చూడవచ్చు. అంతేకాకుండా, ఇది లెక్కలేనన్ని నానో-SiC కణాలతో కూడి ఉంటుంది, కాబట్టి ఇది పాలీక్రిస్టలైన్ SiC నిర్మాణానికి చెందినది, ఇది సాంప్రదాయ SiC నానోవైర్లు మరియు సింగిల్-క్రిస్టల్ SiC మీసాల నుండి భిన్నంగా ఉంటుంది. ఈ ఫైబరస్ SiC అనేది అసమంజసమైన ప్రక్రియ పారామితుల వల్ల కలిగే నిర్మాణ లోపం. ఈ SiC పూత యొక్క నిర్మాణం సాపేక్షంగా వదులుగా ఉందని మరియు ఫైబరస్ SiC మధ్య పెద్ద సంఖ్యలో రంధ్రాలు ఉన్నాయని మరియు సాంద్రత చాలా తక్కువగా ఉంటుందని చూడవచ్చు. అందువల్ల, ఈ ఉష్ణోగ్రత దట్టమైన SiC పూతల తయారీకి తగినది కాదు. సాధారణంగా, ఫైబరస్ SiC నిర్మాణ లోపాలు చాలా తక్కువ నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత వల్ల సంభవిస్తాయి. తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, ఉపరితలం యొక్క ఉపరితలంపై శోషించబడిన చిన్న అణువులు తక్కువ శక్తిని మరియు పేలవమైన వలస సామర్థ్యాన్ని కలిగి ఉంటాయి. అందువల్ల, చిన్న అణువులు వలస వెళ్లి SiC ధాన్యాల యొక్క అత్యల్ప ఉపరితల ఉచిత శక్తికి (ధాన్యం యొక్క కొన వంటివి) పెరుగుతాయి. నిరంతర దిశాత్మక పెరుగుదల చివరికి ఫైబరస్ SiC నిర్మాణ లోపాలను ఏర్పరుస్తుంది.

CVD SiC పూత తయారీ:

ముందుగా, గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను అధిక-ఉష్ణోగ్రత వాక్యూమ్ ఫర్నేస్‌లో ఉంచి, బూడిద తొలగింపు కోసం Ar వాతావరణంలో 1 గంట పాటు 1500℃ వద్ద ఉంచుతారు. తర్వాత గ్రాఫైట్ బ్లాక్‌ను 15x15x5mm బ్లాక్‌గా కట్ చేస్తారు మరియు SiC నిక్షేపణను ప్రభావితం చేసే ఉపరితల రంధ్రాలను తొలగించడానికి గ్రాఫైట్ బ్లాక్ యొక్క ఉపరితలాన్ని 1200-మెష్ ఇసుక అట్టతో పాలిష్ చేస్తారు. చికిత్స చేయబడిన గ్రాఫైట్ బ్లాక్‌ను అన్‌హైడ్రస్ ఇథనాల్ మరియు స్వేదనజలంతో కడిగి, ఆపై ఎండబెట్టడం కోసం 100℃ వద్ద ఓవెన్‌లో ఉంచుతారు. చివరగా, SiC నిక్షేపణ కోసం గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను గొట్టపు కొలిమి యొక్క ప్రధాన ఉష్ణోగ్రత జోన్‌లో ఉంచుతారు. రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ వ్యవస్థ యొక్క స్కీమాటిక్ రేఖాచిత్రం చిత్రం 1లో చూపబడింది.

దిCVD SiC పూతదాని కణ పరిమాణం మరియు సాంద్రతను విశ్లేషించడానికి ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీని స్కాన్ చేయడం ద్వారా పరిశీలించారు. అదనంగా, SiC పూత యొక్క నిక్షేపణ రేటును క్రింది సూత్రం ప్రకారం లెక్కించారు: VSIC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=నిక్షేపణ రేటు; m2–కోటింగ్ నమూనా ద్రవ్యరాశి (mg); m1–ఉపరితల ద్రవ్యరాశి (mg); ఉపరితలం యొక్క S-ఉపరితల వైశాల్యం (mm2); t- నిక్షేపణ సమయం (h).   CVD-SiC సాపేక్షంగా సంక్లిష్టమైనది, మరియు ఈ ప్రక్రియను ఈ క్రింది విధంగా సంగ్రహించవచ్చు: అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద, MTS కార్బన్ మూలం మరియు సిలికాన్ మూలం చిన్న అణువులను ఏర్పరచడానికి ఉష్ణ కుళ్ళిపోతుంది. కార్బన్ మూలం చిన్న అణువులలో ప్రధానంగా CH3, C2H2 మరియు C2H4 ఉంటాయి మరియు సిలికాన్ మూలం చిన్న అణువులలో ప్రధానంగా SiCI2, SiCI3 మొదలైనవి ఉంటాయి; ఈ కార్బన్ మూలం మరియు సిలికాన్ మూలం చిన్న అణువులు క్యారియర్ వాయువు మరియు పలుచన వాయువు ద్వారా గ్రాఫైట్ ఉపరితలం యొక్క ఉపరితలానికి రవాణా చేయబడతాయి, ఆపై ఈ చిన్న అణువులను ఉపరితల ఉపరితలంపై శోషణ రూపంలో శోషించబడతాయి, ఆపై చిన్న అణువుల మధ్య రసాయన ప్రతిచర్యలు సంభవిస్తాయి, ఇవి క్రమంగా పెరుగుతాయి మరియు బిందువులు కూడా కలిసిపోతాయి మరియు ప్రతిచర్య ఇంటర్మీడియట్ ఉప-ఉత్పత్తులు (HCl వాయువు) ఏర్పడటంతో పాటు ఉంటుంది; ఉష్ణోగ్రత 1000 ℃ కి పెరిగినప్పుడు, SiC పూత యొక్క సాంద్రత బాగా మెరుగుపడుతుంది. పూతలో ఎక్కువ భాగం SiC ధాన్యాలతో (సుమారు 4μm పరిమాణంలో) కూడి ఉందని చూడవచ్చు, కానీ కొన్ని పీచు SiC లోపాలు కూడా కనిపిస్తాయి, ఇది ఈ ఉష్ణోగ్రత వద్ద SiC యొక్క దిశాత్మక పెరుగుదల ఇప్పటికీ ఉందని మరియు పూత ఇప్పటికీ తగినంత దట్టంగా లేదని చూపిస్తుంది. ఉష్ణోగ్రత 1100 ℃ కి పెరిగినప్పుడు, SiC పూత చాలా దట్టంగా ఉందని మరియు పీచు SiC లోపాలు పూర్తిగా అదృశ్యమయ్యాయని చూడవచ్చు. పూత దాదాపు 5~10μm వ్యాసం కలిగిన బిందువు ఆకారపు SiC కణాలతో కూడి ఉంటుంది, ఇవి గట్టిగా కలిసి ఉంటాయి. కణాల ఉపరితలం చాలా గరుకుగా ఉంటుంది. ఇది లెక్కలేనన్ని నానో-స్కేల్ SiC ధాన్యాలతో కూడి ఉంటుంది. వాస్తవానికి, 1100 ℃ వద్ద CVD-SiC వృద్ధి ప్రక్రియ ద్రవ్యరాశి బదిలీ నియంత్రణలో మారింది. ఉపరితలం యొక్క ఉపరితలంపై శోషించబడిన చిన్న అణువులు న్యూక్లియేట్ అవ్వడానికి మరియు SiC ధాన్యాలుగా పెరగడానికి తగినంత శక్తి మరియు సమయాన్ని కలిగి ఉంటాయి. SiC ధాన్యాలు ఏకరీతిలో పెద్ద బిందువులను ఏర్పరుస్తాయి. ఉపరితల శక్తి ప్రభావంతో, చాలా బిందువులు గోళాకారంగా కనిపిస్తాయి మరియు బిందువులు గట్టిగా కలిసి దట్టమైన SiC పూతను ఏర్పరుస్తాయి. ఉష్ణోగ్రత 1200℃ కి పెరిగినప్పుడు, SiC పూత కూడా దట్టంగా ఉంటుంది, కానీ SiC పదనిర్మాణం బహుళ-గీతలుగా మారుతుంది మరియు పూత యొక్క ఉపరితలం గరుకుగా కనిపిస్తుంది. ఉష్ణోగ్రత 1300℃ కి పెరిగినప్పుడు, గ్రాఫైట్ ఉపరితలం యొక్క ఉపరితలంపై సుమారు 3μm వ్యాసం కలిగిన పెద్ద సంఖ్యలో సాధారణ గోళాకార కణాలు కనిపిస్తాయి. ఎందుకంటే ఈ ఉష్ణోగ్రత వద్ద, SiC గ్యాస్ దశ న్యూక్లియేషన్‌గా రూపాంతరం చెందింది మరియు MTS కుళ్ళిపోయే రేటు చాలా వేగంగా ఉంటుంది. చిన్న అణువులు స్పందించి, న్యూక్లియేట్ చేయబడి, ఉపరితల ఉపరితలంపై శోషించబడే ముందు SiC ధాన్యాలను ఏర్పరుస్తాయి. ధాన్యాలు గోళాకార కణాలను ఏర్పరచిన తర్వాత, అవి క్రిందకు వస్తాయి, చివరికి తక్కువ సాంద్రతతో వదులుగా ఉండే SiC కణ పూత ఏర్పడుతుంది. స్పష్టంగా, 1300℃ ను దట్టమైన SiC పూత యొక్క నిర్మాణ ఉష్ణోగ్రతగా ఉపయోగించలేము. దట్టమైన SiC పూతను తయారు చేయాలంటే, సరైన CVD నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత 1100℃ అని సమగ్ర పోలిక చూపిస్తుంది.

వివిధ నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద CVD SiC పూతల నిక్షేపణ రేటును చిత్రం 3 చూపిస్తుంది. నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత పెరిగేకొద్దీ, SiC పూత యొక్క నిక్షేపణ రేటు క్రమంగా తగ్గుతుంది. 900°C వద్ద నిక్షేపణ రేటు 0.352 mg·h-1/mm2, మరియు ఫైబర్‌ల దిశాత్మక పెరుగుదల వేగవంతమైన నిక్షేపణ రేటుకు దారితీస్తుంది. అత్యధిక సాంద్రత కలిగిన పూత యొక్క నిక్షేపణ రేటు 0.179 mg·h-1/mm2. కొన్ని SiC కణాల నిక్షేపణ కారణంగా, 1300°C వద్ద నిక్షేపణ రేటు అత్యల్పంగా ఉంటుంది, కేవలం 0.027 mg·h-1/mm2 మాత్రమే.   ముగింపు: ఉత్తమ CVD నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత 1100℃. తక్కువ ఉష్ణోగ్రత SiC యొక్క దిశాత్మక పెరుగుదలను ప్రోత్సహిస్తుంది, అయితే అధిక ఉష్ణోగ్రత SiC ఆవిరి నిక్షేపణను ఉత్పత్తి చేయడానికి కారణమవుతుంది మరియు స్పార్స్ పూతకు దారితీస్తుంది. నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత పెరుగుదలతో, నిక్షేపణ రేటుCVD SiC పూతక్రమంగా తగ్గుతుంది.