CVD SiC పూత పెరుగుదలపై వివిధ ఉష్ణోగ్రతల ప్రభావం

CVD SiC కోటింగ్ అంటే ఏమిటి?

కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ (CVD) అనేది అధిక స్వచ్ఛత గల ఘన పదార్థాలను ఉత్పత్తి చేయడానికి ఉపయోగించే ఒక వాక్యూమ్ డిపోజిషన్ ప్రక్రియ. ఈ ప్రక్రియను తరచుగా సెమీకండక్టర్ తయారీ రంగంలో వేఫర్‌ల ఉపరితలంపై పలుచని పొరలను ఏర్పరచడానికి ఉపయోగిస్తారు. CVD ద్వారా సిలికాన్ కార్బైడ్‌ను తయారుచేసే ప్రక్రియలో, సబ్‌స్ట్రేట్‌ను ఒకటి లేదా అంతకంటే ఎక్కువ బాష్పీభవనశీల ప్రికర్సర్‌లకు గురిచేస్తారు. ఇవి సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై రసాయనికంగా చర్య జరిపి, కావలసిన సిలికాన్ కార్బైడ్ నిక్షేపాలను ఏర్పరుస్తాయి. సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థాలను తయారుచేసే అనేక పద్ధతులలో, కెమికల్ వేపర్ డిపోజిషన్ ద్వారా తయారుచేసిన ఉత్పత్తులు అధిక ఏకరూపత మరియు స్వచ్ఛతను కలిగి ఉంటాయి, మరియు ఈ పద్ధతికి బలమైన ప్రక్రియ నియంత్రణ సామర్థ్యం ఉంటుంది. CVD సిలికాన్ కార్బైడ్ పదార్థాలు అద్భుతమైన ఉష్ణ, విద్యుత్ మరియు రసాయన లక్షణాల యొక్క విశిష్టమైన కలయికను కలిగి ఉంటాయి, అందువల్ల అధిక పనితీరు గల పదార్థాలు అవసరమయ్యే సెమీకండక్టర్ పరిశ్రమలో వీటిని ఉపయోగించడం చాలా అనుకూలంగా ఉంటుంది. CVD సిలికాన్ కార్బైడ్ భాగాలను ఎచింగ్ పరికరాలు, MOCVD పరికరాలు, Si ఎపిటాక్సియల్ పరికరాలు మరియు SiC ఎపిటాక్సియల్ పరికరాలు, వేగవంతమైన ఉష్ణ ప్రాసెసింగ్ పరికరాలు మరియు ఇతర రంగాలలో విస్తృతంగా ఉపయోగిస్తారు.

ఈ వ్యాసం తయారీ సమయంలో వివిధ ప్రక్రియ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పెరిగిన సన్నని పొరల నాణ్యతను విశ్లేషించడంపై దృష్టి పెడుతుంది.సివిడి SiC పూతఅత్యంత అనువైన ప్రక్రియ ఉష్ణోగ్రతను ఎంచుకోవడానికి. ఈ ప్రయోగంలో గ్రాఫైట్‌ను సబ్‌స్ట్రేట్‌గా మరియు ట్రైక్లోరోమిథైల్‌సిలేన్ (MTS)ను రియాక్షన్ సోర్స్ గ్యాస్‌గా ఉపయోగిస్తారు. SiC కోటింగ్‌ను తక్కువ-పీడన CVD ప్రక్రియ ద్వారా డిపాజిట్ చేస్తారు, మరియు సూక్ష్మ స్వరూపంసివిడి SiC పూతదాని నిర్మాణ సాంద్రతను విశ్లేషించడానికి స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ ద్వారా పరిశీలించబడుతుంది.

గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఉపరితల ఉష్ణోగ్రత చాలా ఎక్కువగా ఉండటం వల్ల, మధ్యస్థ వాయువు సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలం నుండి విసర్జించబడి, విడుదల అవుతుంది. చివరగా, సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై మిగిలి ఉన్న C మరియు Si, ఘన దశ SiC గా ఏర్పడి SiC పూతను ఏర్పరుస్తాయి. పైన పేర్కొన్న CVD-SiC వృద్ధి ప్రక్రియ ప్రకారం, ఉష్ణోగ్రత వాయువు యొక్క వ్యాప్తిని, MTS విచ్ఛిన్నతను, బిందువుల ఏర్పాటును మరియు మధ్యస్థ వాయువు యొక్క విసర్జనను ప్రభావితం చేస్తుందని చూడవచ్చు. అందువల్ల, SiC పూత యొక్క స్వరూపంలో నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత కీలక పాత్ర పోషిస్తుంది. పూత యొక్క సూక్ష్మ స్వరూపం, పూత యొక్క సాంద్రతకు అత్యంత స్పష్టమైన నిదర్శనం. అందువల్ల, CVD SiC పూత యొక్క సూక్ష్మ స్వరూపంపై వివిధ నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రతల ప్రభావాన్ని అధ్యయనం చేయడం అవసరం. MTS 900~1600℃ మధ్య వియోగం చెంది SiC పూతను నిక్షేపించగలదు కాబట్టి, CVD-SiC పూతపై ఉష్ణోగ్రత ప్రభావాన్ని అధ్యయనం చేయడానికి, ఈ ప్రయోగం SiC పూత తయారీ కోసం 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ మరియు 1300℃ అనే ఐదు నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రతలను ఎంచుకుంది. నిర్దిష్ట పారామితులు పట్టిక 3లో చూపబడ్డాయి. వివిధ నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద పెరిగిన CVD-SiC పూత యొక్క సూక్ష్మ స్వరూపాన్ని పటం 2 చూపిస్తుంది.

డిపాజిషన్ ఉష్ణోగ్రత 900℃ ఉన్నప్పుడు, SiC అంతా ఫైబర్ ఆకారంలో పెరుగుతుంది. ఒకే ఫైబర్ యొక్క వ్యాసం సుమారు 3.5μm ఉంటుందని, మరియు దాని యాస్పెక్ట్ రేషియో సుమారు 3 (<10) ఉంటుందని గమనించవచ్చు. అంతేకాకుండా, ఇది లెక్కలేనన్ని నానో-SiC కణాలతో కూడి ఉంటుంది, కాబట్టి ఇది పాలీక్రిస్టలైన్ SiC నిర్మాణానికి చెందుతుంది, ఇది సాంప్రదాయ SiC నానోవైర్లు మరియు సింగిల్-క్రిస్టల్ SiC విస్కర్‌ల నుండి భిన్నంగా ఉంటుంది. ఈ ఫైబరస్ SiC అనేది అసమంజసమైన ప్రాసెస్ పారామితుల వల్ల ఏర్పడిన ఒక నిర్మాణ లోపం. ఈ SiC కోటింగ్ యొక్క నిర్మాణం సాపేక్షంగా వదులుగా ఉంటుందని, ఫైబరస్ SiC మధ్య పెద్ద సంఖ్యలో రంధ్రాలు ఉంటాయని, మరియు సాంద్రత చాలా తక్కువగా ఉంటుందని గమనించవచ్చు. అందువల్ల, ఈ ఉష్ణోగ్రత సాంద్రమైన SiC కోటింగ్‌ల తయారీకి అనువైనది కాదు. సాధారణంగా, ఫైబరస్ SiC నిర్మాణ లోపాలు చాలా తక్కువ డిపాజిషన్ ఉష్ణోగ్రత వల్ల ఏర్పడతాయి. తక్కువ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద, సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై శోషించబడిన చిన్న అణువులకు తక్కువ శక్తి మరియు పేలవమైన వలస సామర్థ్యం ఉంటాయి. అందువల్ల, చిన్న అణువులు SiC గ్రెయిన్‌ల యొక్క అత్యల్ప ఉపరితల స్వేచ్ఛా శక్తి ఉన్న ప్రదేశానికి (గ్రెయిన్ యొక్క కొన వంటివి) వలస వెళ్లి పెరగడానికి మొగ్గు చూపుతాయి. నిరంతర దిశాత్మక పెరుగుదల చివరికి పీచు వంటి SiC నిర్మాణ లోపాలను ఏర్పరుస్తుంది.

CVD SiC పూత తయారీ:

మొదట, గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను అధిక-ఉష్ణోగ్రత వాక్యూమ్ ఫర్నేస్‌లో ఉంచి, బూడిదను తొలగించడానికి Ar వాతావరణంలో 1500℃ వద్ద 1 గంట పాటు ఉంచుతారు. ఆ తర్వాత గ్రాఫైట్ బ్లాక్‌ను 15x15x5mm కొలతలు గల బ్లాక్‌గా కత్తిరించి, SiC నిక్షేపణను ప్రభావితం చేసే ఉపరితల రంధ్రాలను తొలగించడానికి గ్రాఫైట్ బ్లాక్ ఉపరితలాన్ని 1200-మెష్ సాండ్‌పేపర్‌తో పాలిష్ చేస్తారు. శుద్ధి చేసిన గ్రాఫైట్ బ్లాక్‌ను నిర్జల ఇథనాల్ మరియు స్వేదన జలంతో కడిగి, ఆపై ఆరబెట్టడం కోసం 100℃ వద్ద ఉన్న ఓవెన్‌లో ఉంచుతారు. చివరగా, SiC నిక్షేపణ కోసం గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్‌ను ట్యూబులర్ ఫర్నేస్ యొక్క ప్రధాన ఉష్ణోగ్రతా మండలంలో ఉంచుతారు. రసాయన ఆవిరి నిక్షేపణ వ్యవస్థ యొక్క రేఖాచిత్రం పటం 1లో చూపబడింది.

దిసివిడి SiC పూతదాని కణ పరిమాణం మరియు సాంద్రతను విశ్లేషించడానికి స్కానింగ్ ఎలక్ట్రాన్ మైక్రోస్కోపీ ద్వారా పరిశీలించబడింది. అదనంగా, SiC పూత యొక్క నిక్షేపణ రేటును క్రింది సూత్రం ప్రకారం లెక్కించారు: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=డిపాజిషన్ రేటు; m2–పూత నమూనా ద్రవ్యరాశి (mg); m1–అధస్తరపు ద్రవ్యరాశి (mg); S-అధస్తరపు ఉపరితల వైశాల్యం (mm2); t - నిక్షేపణ సమయం (గంటలు).   CVD-SiC అనేది సాపేక్షంగా సంక్లిష్టమైనది, మరియు ఈ ప్రక్రియను ఈ క్రింది విధంగా సంగ్రహించవచ్చు: అధిక ఉష్ణోగ్రత వద్ద, MTS ఉష్ణ విఘటనకు గురై కార్బన్ మూలం మరియు సిలికాన్ మూలం అనే చిన్న అణువులను ఏర్పరుస్తుంది. 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 అప్పుడు వాహక వాయువు మరియు విలీన వాయువు ద్వారా గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఉపరితలానికి రవాణా చేయబడతాయి, ఆపై ఈ చిన్న అణువులు అధిశోషణ రూపంలో సబ్‌స్ట్రేట్ యొక్క ఉపరితలంపై శోషించబడతాయి, మరియు తరువాత చిన్న అణువుల మధ్య రసాయన చర్యలు జరిగి క్రమంగా పెరిగే చిన్న బిందువులను ఏర్పరుస్తాయి, మరియు ఆ బిందువులు కూడా కలిసిపోతాయి, మరియు ఈ చర్యతో పాటు మధ్యంతర ఉప-ఉత్పత్తులు (HCl వాయువు) ఏర్పడతాయి; ఉష్ణోగ్రత 1000 ℃ కు పెరిగినప్పుడు, SiC పూత యొక్క సాంద్రత బాగా మెరుగుపడుతుంది. పూతలో ఎక్కువ భాగం SiC రేణువులతో (సుమారు 4μm పరిమాణంలో) ఏర్పడిందని గమనించవచ్చు, కానీ కొన్ని పీచు వంటి SiC లోపాలు కూడా కనిపిస్తాయి. ఇది ఈ ఉష్ణోగ్రత వద్ద SiC యొక్క దిశాత్మక పెరుగుదల ఇంకా ఉందని, మరియు పూత ఇంకా తగినంత సాంద్రంగా లేదని సూచిస్తుంది. ఉష్ణోగ్రత 1100 ℃ కు పెరిగినప్పుడు, SiC పూత చాలా సాంద్రంగా ఉందని, మరియు పీచు వంటి SiC లోపాలు పూర్తిగా అదృశ్యమయ్యాయని గమనించవచ్చు. ఈ పూత, సుమారు 5~10μm వ్యాసం కలిగిన, బిందువుల ఆకారంలో ఉండే SiC కణాలతో ఏర్పడి, అవి ఒకదానికొకటి గట్టిగా అతుక్కుని ఉంటాయి. ఈ కణాల ఉపరితలం చాలా గరుకుగా ఉంటుంది. ఇది లెక్కలేనన్ని నానో-స్కేల్ SiC రేణువులతో కూడి ఉంటుంది. వాస్తవానికి, 1100 ℃ వద్ద CVD-SiC పెరుగుదల ప్రక్రియ ద్రవ్య బదిలీ నియంత్రితంగా మారింది. సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై శోషించబడిన చిన్న అణువులకు, కేంద్రకం ఏర్పడి SiC రేణువులుగా పెరగడానికి తగినంత శక్తి మరియు సమయం లభిస్తాయి. SiC రేణువులు ఏకరీతిగా పెద్ద బిందువులుగా ఏర్పడతాయి. ఉపరితల శక్తి చర్య వలన, చాలా బిందువులు గోళాకారంగా కనిపిస్తాయి మరియు ఆ బిందువులు గట్టిగా కలిసిపోయి ఒక దట్టమైన SiC పూతను ఏర్పరుస్తాయి. ఉష్ణోగ్రత 1200℃ కు పెరిగినప్పుడు, SiC పూత కూడా దట్టంగా ఉంటుంది, కానీ SiC స్వరూపం బహుళ-గట్లు గలదిగా మారుతుంది మరియు పూత యొక్క ఉపరితలం మరింత గరుకుగా కనిపిస్తుంది. ఉష్ణోగ్రత 1300℃ కు పెరిగినప్పుడు, గ్రాఫైట్ సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై సుమారు 3μm వ్యాసం కలిగిన పెద్ద సంఖ్యలో క్రమమైన గోళాకార కణాలు కనిపిస్తాయి. దీనికి కారణం, ఈ ఉష్ణోగ్రత వద్ద, SiC వాయు దశ కేంద్రకంగా రూపాంతరం చెందడం మరియు MTS విచ్ఛిన్న రేటు చాలా వేగంగా ఉండటం. చిన్న అణువులు సబ్‌స్ట్రేట్ ఉపరితలంపై అధిశోషించబడటానికి ముందే, చర్య జరిపి కేంద్రకంగా మారి SiC రేణువులను ఏర్పరుస్తాయి. ఈ రేణువులు గోళాకార కణాలుగా ఏర్పడిన తర్వాత, అవి కిందకు పడిపోతాయి, చివరికి తక్కువ సాంద్రత కలిగిన వదులైన SiC కణాల పూత ఏర్పడుతుంది. స్పష్టంగా, దట్టమైన SiC పూతను ఏర్పరచడానికి 1300℃ ను ఉష్ణోగ్రతగా ఉపయోగించలేము. సమగ్ర పోలిక ప్రకారం, దట్టమైన SiC పూతను తయారు చేయాలంటే, సరైన CVD నిక్షేపణ ఉష్ణోగ్రత 1100℃ అని తెలుస్తుంది.

పటం 3 వివిధ డిపాజిషన్ ఉష్ణోగ్రతల వద్ద CVD SiC పూతల డిపాజిషన్ రేటును చూపుతుంది. డిపాజిషన్ ఉష్ణోగ్రత పెరిగేకొద్దీ, SiC పూత యొక్క డిపాజిషన్ రేటు క్రమంగా తగ్గుతుంది. 900°C వద్ద డిపాజిషన్ రేటు 0.352 mg·h-1/mm2, మరియు ఫైబర్‌ల దిశాత్మక పెరుగుదల అత్యంత వేగవంతమైన డిపాజిషన్ రేటుకు దారితీస్తుంది. అత్యధిక సాంద్రత కలిగిన పూత యొక్క డిపాజిషన్ రేటు 0.179 mg·h-1/mm2. కొన్ని SiC కణాలు డిపాజిట్ అవ్వడం వలన, 1300°C వద్ద డిపాజిషన్ రేటు అత్యల్పంగా, కేవలం 0.027 mg·h-1/mm2గా ఉంది.   ముగింపు: అత్యుత్తమ CVD డిపాజిషన్ ఉష్ణోగ్రత 1100℃. తక్కువ ఉష్ణోగ్రత SiC యొక్క దిశాత్మక పెరుగుదలను ప్రోత్సహిస్తుంది, అయితే అధిక ఉష్ణోగ్రత SiC ఆవిరి డిపాజిషన్‌ను ఉత్పత్తి చేయడానికి మరియు పలుచని పూతకు దారితీస్తుంది. డిపాజిషన్ ఉష్ణోగ్రత పెరిగేకొద్దీ, డిపాజిషన్ రేటుసివిడి SiC పూతక్రమంగా తగ్గుతుంది.