Таъсири ҳароратҳои гуногун ба афзоиши рӯйпӯши CVD SiC

Пӯшиши CVD SiC чист?

Чопкунии буғии кимиёвӣ (CVD) як раванди ҷойгиркунии вакуумӣ аст, ки барои истеҳсоли маводҳои сахти тозагии баланд истифода мешавад. Ин раванд аксар вақт дар соҳаи истеҳсоли нимноқилҳо барои ташаккули плёнкаҳои тунук дар сатҳи пластинаҳо истифода мешавад. Дар раванди тайёр кардани карбиди кремний бо истифода аз CVD, субстрат ба як ё якчанд прекурсорҳои ноустувор дучор мешавад, ки дар сатҳи субстрат ба таври кимиёвӣ реаксия карда, чопкунии карбиди кремнийи дилхоҳро ба вуҷуд меоранд. Дар байни усулҳои зиёди тайёр кардани маводҳои карбиди кремний, маҳсулоте, ки бо чопкунии буғии кимиёвӣ омода карда мешаванд, якрангӣ ва покии баландтар доранд ва ин усул назорати қавии равандро дорад. Маводҳои карбиди кремнийи CVD дорои омезиши беназири хосиятҳои аълои гармӣ, электрикӣ ва химиявӣ мебошанд, ки онҳоро барои истифода дар саноати нимноқилҳо, ки дар он маводҳои баландсифат талаб карда мешаванд, хеле мувофиқ мегардонанд. Ҷузъҳои карбиди кремнийи CVD ба таври васеъ дар таҷҳизоти кандакорӣ, таҷҳизоти MOCVD, таҷҳизоти эпитаксиалии Si ва таҷҳизоти эпитаксиалии SiC, таҷҳизоти коркарди зуди гармӣ ва дигар соҳаҳо истифода мешаванд.

Ин мақола ба таҳлили сифати плёнкаҳои тунук, ки дар ҳарорати гуногуни равандҳо ҳангоми тайёр кардан парвариш карда мешаванд, тамаркуз мекунад.Пӯшиши CVD SiC, то ҳарорати мувофиқтарини равандро интихоб кунед. Дар таҷриба графит ҳамчун субстрат ва трихлорметилсилан (MTS) ҳамчун гази манбаи реаксия истифода мешаванд. Рӯйпӯши SiC бо истифода аз раванди CVD бо фишори паст ҷойгир карда мешавад ва микроморфологияи онПӯшиши CVD SiCбо истифода аз микроскопияи электронии сканеркунанда барои таҳлили зичии сохтории он мушоҳида карда мешавад.

Азбаски ҳарорати сатҳи субстрати графит хеле баланд аст, гази миёнаравӣ десорбсия ва аз сатҳи субстрат холӣ мешавад ва дар ниҳоят C ва Si, ки дар сатҳи субстрат боқӣ мондаанд, фазаи сахти SiC-ро ташкил медиҳанд, то пӯшиши SiC-ро ташкил диҳанд. Мувофиқи раванди афзоиши CVD-SiC, ки дар боло зикр шуд, дида мешавад, ки ҳарорат ба паҳншавии газ, таҷзияи MTS, ташаккули қатраҳо ва десорбсия ва холӣ шудани гази миёнаравӣ таъсир мерасонад, аз ин рӯ ҳарорати таҳшиншавӣ дар морфологияи пӯшиши SiC нақши калидӣ хоҳад дошт. Морфологияи микроскопии пӯшиш зуҳуроти интуитивии зичии пӯшиш аст. Аз ин рӯ, омӯхтани таъсири ҳарорати гуногуни таҳшиншавӣ ба морфологияи микроскопии пӯшиши CVD SiC зарур аст. Азбаски MTS метавонад пӯшиши SiC-ро дар байни 900~1600℃ таҷзия ва таҳшин кунад, ин таҷриба панҷ ҳарорати таҳшиншавиро аз 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ ва 1300℃ барои тайёр кардани пӯшиши SiC интихоб мекунад, то таъсири ҳарорат ба пӯшиши CVD-SiC омӯхта шавад. Параметрҳои мушаххас дар Ҷадвали 3 нишон дода шудаанд. Расми 2 морфологияи микроскопии рӯйпӯши CVD-SiC-ро, ки дар ҳароратҳои гуногуни таҳшиншавӣ парвариш карда мешаванд, нишон медиҳад.

Вақте ки ҳарорати таҳшиншавӣ 900℃ аст, ҳамаи SiC ба шаклҳои нахӣ табдил меёбанд. Дидан мумкин аст, ки диаметри як нах тақрибан 3,5μm ва таносуби паҳлӯии он тақрибан 3 (<10) аст. Ғайр аз ин, он аз зарраҳои бешумори нано-SiC иборат аст, аз ин рӯ он ба сохтори поликристаллии SiC тааллуқ дорад, ки аз наносимҳои анъанавии SiC ва мӯйлабҳои яккристаллии SiC фарқ мекунад. Ин SiC-и нахдор як нуқсони сохторӣ аст, ки аз сабаби параметрҳои беасоси раванд ба вуҷуд омадааст. Дидан мумкин аст, ки сохтори ин пӯшиши SiC нисбатан фуҷур аст ва байни SiC-и нахдор шумораи зиёди сӯрохиҳо мавҷуданд ва зичии он хеле паст аст. Аз ин рӯ, ин ҳарорат барои тайёр кардани пӯшишҳои зичи SiC мувофиқ нест. Одатан, нуқсонҳои сохтории нахдори SiC аз ҳарорати хеле пасти таҳшиншавӣ ба вуҷуд меоянд. Дар ҳарорати паст, молекулаҳои хурде, ки дар сатҳи субстрат адсорбсия шудаанд, энергияи паст ва қобилияти сусти муҳоҷират доранд. Аз ин рӯ, молекулаҳои хурд майл доранд, ки ба пасттарин энергияи озоди сатҳии донаҳои SiC (масалан, нӯги донаҳо) муҳоҷират кунанд ва афзоиш ёбанд. Афзоиши пайвастаи самтӣ дар ниҳоят нуқсонҳои сохтории нахдори SiC-ро ба вуҷуд меорад.

Тайёр кардани рӯйпӯши CVD SiC:

Аввалан, субстрати графит дар кӯраи вакуумии баландҳарорат ҷойгир карда мешавад ва барои тоза кардани хокистар дар ҳарорати 1500℃ барои 1 соат дар атмосфераи Ar нигоҳ дошта мешавад. Сипас, блоки графит ба блоки 15x15x5 мм бурида мешавад ва сатҳи блоки графит бо коғази регдори 1200-тор сайқал дода мешавад, то сӯрохиҳои рӯизаминӣ, ки ба таҳшиншавии SiC таъсир мерасонанд, бартараф карда шаванд. Блоки графити коркардшуда бо этаноли беоб ва оби дистилятсияшуда шуста мешавад ва сипас барои хушк кардан дар танӯр дар ҳарорати 100℃ гузошта мешавад. Дар ниҳоят, субстрати графит дар минтақаи асосии ҳарорати кӯраи найчашакл барои таҳшиншавии SiC ҷойгир карда мешавад. Диаграммаи схематикии системаи таҳшиншавии буғи кимиёвӣ дар расми 1 нишон дода шудааст.

ДарПӯшиши CVD SiCбо истифода аз микроскопияи электронии сканкунӣ барои таҳлили андоза ва зичии зарраҳои он мушоҳида карда шуд. Илова бар ин, суръати ҷойгиршавии рӯйпӯши SiC мувофиқи формулаи зерин ҳисоб карда шуд: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Суръати таҳшиншавӣ; м2 – массаи намунаи рӯйпӯш (мг); м1 – массаи субстрат (мг); Масоҳати S-сатҳи субстрат (мм2); t- вақти ҷойгиркунӣ (соат).   CVD-SiC нисбатан мураккаб аст ва ин равандро метавон чунин ҷамъбаст кард: дар ҳарорати баланд, MTS барои ташкили молекулаҳои хурди манбаи карбон ва манбаи кремний аз таҷзияи гармӣ мегузарад. Молекулаҳои хурди манбаи карбон асосан CH3, C2H2 ва C2H4-ро дар бар мегиранд ва молекулаҳои хурди манбаи кремний асосан SiCI2, SiCI3 ва ғайраро дар бар мегиранд; ин молекулаҳои хурди манбаи карбон ва манбаи кремний сипас тавассути гази интиқолдиҳанда ва гази ҳалкунанда ба сатҳи субстрати графит интиқол дода мешаванд ва сипас ин молекулаҳои хурд дар сатҳи субстрат дар шакли адсорбсия адсорбсия карда мешаванд ва сипас байни молекулаҳои хурд реаксияҳои кимиёвӣ ба амал меоянд, то қатраҳои хурдро ташкил диҳанд, ки тадриҷан афзоиш меёбанд ва қатраҳо низ якҷоя мешаванд ва реаксия бо ташаккули маҳсулоти иловагии мобайнӣ (газ HCl) ҳамроҳ мешавад; Вақте ки ҳарорат ба 1000 ℃ мерасад, зичии пӯшиши SiC хеле беҳтар мешавад. Дидан мумкин аст, ки қисми зиёди пӯшиш аз донаҳои SiC (тақрибан 4μm андоза) иборат аст, аммо баъзе камбудиҳои нахдори SiC низ мавҷуданд, ки нишон медиҳад, ки дар ин ҳарорат афзоиши самтии SiC ҳанӯз ҳам вуҷуд дорад ва пӯшиш ҳанӯз ҳам ба қадри кофӣ зич нест. Вақте ки ҳарорат ба 1100 ℃ мерасад, дидан мумкин аст, ки пӯшиши SiC хеле зич аст ва камбудиҳои нахдори SiC комилан нопадид шудаанд. Пӯшиш аз зарраҳои SiC-и қатрагӣ бо диаметри тақрибан 5~10μm иборат аст, ки зич пайваст шудаанд. Сатҳи зарраҳо хеле ноҳамвор аст. Он аз донаҳои бешумори SiC-и нано-андоза иборат аст. Дар асл, раванди афзоиши CVD-SiC дар 1100 ℃ интиқоли массаро назорат мекунад. Молекулаҳои хурде, ки дар сатҳи субстрат адсорбсия шудаанд, энергия ва вақти кофӣ барои ядрошавӣ ва афзоиш ба донаҳои SiC доранд. Донаҳои SiC яксон қатраҳои калонро ташкил медиҳанд. Таҳти таъсири энергияи сатҳӣ, аксари қатраҳо шакли курашакл доранд ва қатраҳо бо ҳам зич пайваст шуда, як қабати зичи SiC-ро ташкил медиҳанд. Вақте ки ҳарорат ба 1200℃ мерасад, пӯшиши SiC низ зич аст, аммо морфологияи SiC бисёрқабата мешавад ва сатҳи пӯшиш ноҳамвортар ба назар мерасад. Вақте ки ҳарорат ба 1300℃ мерасад, дар сатҳи субстрати графит шумораи зиёди зарраҳои муқаррарии курашакл бо диаметри тақрибан 3μm мавҷуданд. Ин аз он сабаб аст, ки дар ин ҳарорат, SiC ба ядрошавии фазаи газӣ табдил ёфтааст ва суръати таҷзияи MTS хеле зуд аст. Молекулаҳои хурд пеш аз адсорбсия дар сатҳи субстрат реаксия карда, донаҳои SiC-ро ташкил медиҳанд. Пас аз он ки донаҳо зарраҳои курашаклро ташкил медиҳанд, онҳо ба поён меафтанд ва дар ниҳоят пӯшиши зарраҳои фуҷури SiC бо зичии паст ба вуҷуд меояд. Албатта, 1300℃-ро ҳамчун ҳарорати ташаккули пӯшиши зичи SiC истифода бурдан мумкин нест. Муқоисаи ҳамаҷониба нишон медиҳад, ки агар пӯшиши зичи SiC омода карда шавад, ҳарорати оптималии ҷойгиршавии CVD 1100℃ аст.

Расми 3 суръати ҷойгиршавии рӯйпӯшҳои CVD SiC-ро дар ҳарорати гуногуни ҷойгиршавӣ нишон медиҳад. Бо афзоиши ҳарорати ҷойгиршавӣ, суръати ҷойгиршавии рӯйпӯши SiC тадриҷан кам мешавад. Суръати ҷойгиршавӣ дар 900°C 0,352 мг·соат-1/мм2 аст ва афзоиши самтии нахҳо ба суръати тезтарини ҷойгиршавӣ оварда мерасонад. Суръати ҷойгиршавии рӯйпӯш бо зичии баландтарин 0,179 мг·соат-1/мм2 аст. Аз сабаби ҷойгиршавии баъзе зарраҳои SiC, суръати ҷойгиршавӣ дар 1300°C пасттарин аст, танҳо 0,027 мг·соат-1/мм2.   Хулоса: Беҳтарин ҳарорати таҳшиншавии CVD 1100℃ аст. Ҳарорати паст афзоиши самтии SiC-ро мусоидат мекунад, дар ҳоле ки ҳарорати баланд боиси таҳшиншавии буғӣ дар SiC мегардад ва боиси пайдоиши пӯшиши пароканда мегардад. Бо афзоиши ҳарорати таҳшиншавӣ, суръати таҳшиншавииПӯшиши CVD SiCтадриҷан коҳиш меёбад.