ผลกระทบของอุณหภูมิที่แตกต่างกันต่อการเจริญเติบโตของสารเคลือบ CVD SiC

การเคลือบ SiC ด้วยวิธี CVD คืออะไร?

การตกตะกอนด้วยไอสารเคมี (CVD) เป็นกระบวนการตกตะกอนในสภาวะสุญญากาศที่ใช้ในการผลิตวัสดุแข็งที่มีความบริสุทธิ์สูง กระบวนการนี้มักใช้ในอุตสาหกรรมการผลิตเซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างฟิล์มบางบนพื้นผิวของเวเฟอร์ ในกระบวนการเตรียมซิลิคอนคาร์ไบด์โดย CVD นั้น พื้นผิวของวัสดุจะสัมผัสกับสารตั้งต้นระเหยได้หนึ่งชนิดหรือมากกว่า ซึ่งจะทำปฏิกิริยาทางเคมีบนพื้นผิวของวัสดุเพื่อตกตะกอนซิลิคอนคาร์ไบด์ตามที่ต้องการ ในบรรดาวิธีการเตรียมวัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์หลายวิธี ผลิตภัณฑ์ที่เตรียมโดยการตกตะกอนด้วยไอสารเคมีมีความสม่ำเสมอและความบริสุทธิ์สูงกว่า และวิธีนี้มีการควบคุมกระบวนการที่ดี วัสดุซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผลิตด้วยวิธี CVD มีคุณสมบัติทางความร้อน ไฟฟ้า และเคมีที่ยอดเยี่ยมอย่างเป็นเอกลักษณ์ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องการวัสดุประสิทธิภาพสูง ชิ้นส่วนซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ผลิตด้วยวิธี CVD ถูกนำไปใช้อย่างกว้างขวางในอุปกรณ์กัดกรด อุปกรณ์ MOCVD อุปกรณ์การปลูกผลึกซิลิคอนแบบเอพิแท็กเซียล และอุปกรณ์การปลูกผลึกซิลิคอนคาร์ไบด์แบบเอพิแท็กเซียล อุปกรณ์การประมวลผลความร้อนอย่างรวดเร็ว และสาขาอื่นๆ

บทความนี้มุ่งเน้นการวิเคราะห์คุณภาพของฟิล์มบางที่ปลูกที่อุณหภูมิกระบวนการต่างๆ ในระหว่างการเตรียมการเคลือบ SiC ด้วยวิธี CVDเพื่อเลือกอุณหภูมิของกระบวนการที่เหมาะสมที่สุด การทดลองใช้กราไฟต์เป็นพื้นผิวและไตรคลอโรเมทิลไซเลน (MTS) เป็นก๊าซตั้งต้นในการทำปฏิกิริยา การเคลือบ SiC ทำได้โดยใช้กระบวนการ CVD ความดันต่ำ และลักษณะทางจุลภาคของ...การเคลือบ SiC ด้วยวิธี CVDตรวจสอบโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนเพื่อวิเคราะห์ความหนาแน่นของโครงสร้าง

เนื่องจากอุณหภูมิพื้นผิวของแผ่นกราไฟต์สูงมาก ก๊าซตัวกลางจะถูกดูดซับและระบายออกจากพื้นผิวของแผ่นกราไฟต์ และในที่สุด C และ Si ที่เหลืออยู่บนพื้นผิวของแผ่นกราไฟต์จะก่อตัวเป็น SiC ในสถานะของแข็งเพื่อสร้างชั้นเคลือบ SiC จากกระบวนการเติบโตของ SiC ด้วยวิธี CVD ข้างต้น จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิมีผลต่อการแพร่กระจายของก๊าซ การสลายตัวของ MTS การก่อตัวของหยดน้ำ และการดูดซับและการระบายของก๊าซตัวกลาง ดังนั้นอุณหภูมิการตกตะกอนจึงมีบทบาทสำคัญต่อลักษณะทางสัณฐานวิทยาของชั้นเคลือบ SiC ลักษณะทางสัณฐานวิทยาในระดับจุลภาคของชั้นเคลือบเป็นสิ่งที่แสดงให้เห็นถึงความหนาแน่นของชั้นเคลือบได้อย่างชัดเจนที่สุด ดังนั้นจึงจำเป็นต้องศึกษาผลของอุณหภูมิการตกตะกอนที่แตกต่างกันต่อลักษณะทางสัณฐานวิทยาในระดับจุลภาคของชั้นเคลือบ SiC ด้วยวิธี CVD เนื่องจาก MTS สามารถสลายตัวและตกตะกอนเป็นชั้นเคลือบ SiC ได้ในช่วงอุณหภูมิ 900~1600℃ การทดลองนี้จึงเลือกอุณหภูมิการตกตะกอน 5 ระดับ ได้แก่ 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ และ 1300℃ สำหรับการเตรียมชั้นเคลือบ SiC เพื่อศึกษาผลของอุณหภูมิที่มีต่อชั้นเคลือบ CVD-SiC พารามิเตอร์เฉพาะแสดงในตารางที่ 3 รูปที่ 2 แสดงลักษณะทางจุลภาคของชั้นเคลือบ CVD-SiC ที่ปลูกที่อุณหภูมิการตกตะกอนต่างกัน

เมื่ออุณหภูมิการตกตะกอนอยู่ที่ 900℃ ซิลิกาคาร์ไบด์ (SiC) ทั้งหมดจะเติบโตเป็นรูปทรงเส้นใย จะเห็นได้ว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยแต่ละเส้นอยู่ที่ประมาณ 3.5 ไมโครเมตร และอัตราส่วนความยาวต่อเส้นผ่านศูนย์กลางอยู่ที่ประมาณ 3 (<10) ยิ่งไปกว่านั้น เส้นใยนี้ประกอบด้วยอนุภาคนาโน SiC จำนวนมาก ดังนั้นจึงจัดเป็นโครงสร้าง SiC แบบผลึกหลายเหลี่ยม ซึ่งแตกต่างจากนาโนไวร์ SiC และหนวด SiC แบบผลึกเดี่ยวแบบดั้งเดิม SiC ที่เป็นเส้นใยนี้เป็นข้อบกพร่องทางโครงสร้างที่เกิดจากพารามิเตอร์กระบวนการที่ไม่เหมาะสม จะเห็นได้ว่าโครงสร้างของสารเคลือบ SiC นี้ค่อนข้างหลวม มีรูพรุนจำนวนมากระหว่างเส้นใย SiC และมีความหนาแน่นต่ำมาก ดังนั้นอุณหภูมินี้จึงไม่เหมาะสมสำหรับการเตรียมสารเคลือบ SiC ที่หนาแน่น โดยปกติแล้ว ข้อบกพร่องทางโครงสร้างของ SiC ที่เป็นเส้นใยเกิดจากอุณหภูมิการตกตะกอนที่ต่ำเกินไป ที่อุณหภูมิต่ำ โมเลกุลขนาดเล็กที่ดูดซับอยู่บนพื้นผิวของวัสดุรองรับจะมีพลังงานต่ำและมีความสามารถในการเคลื่อนย้ายต่ำ ดังนั้น โมเลกุลขนาดเล็กจึงมีแนวโน้มที่จะเคลื่อนที่และเติบโตไปยังบริเวณที่มีพลังงานอิสระของพื้นผิวต่ำที่สุดของผลึก SiC (เช่น ปลายผลึก) การเติบโตอย่างต่อเนื่องในทิศทางเดียวจะก่อให้เกิดข้อบกพร่องทางโครงสร้างแบบเส้นใยของ SiC ในที่สุด

การเตรียมสารเคลือบ CVD SiC:

ขั้นแรก นำแผ่นกราไฟต์ไปวางในเตาสุญญากาศอุณหภูมิสูงและคงอุณหภูมิไว้ที่ 1500℃ เป็นเวลา 1 ชั่วโมง ในบรรยากาศอาร์กอน เพื่อกำจัดเถ้า จากนั้นตัดบล็อกกราไฟต์เป็นบล็อกขนาด 15x15x5 มม. และขัดผิวบล็อกกราไฟต์ด้วยกระดาษทรายเบอร์ 1200 เพื่อกำจัดรูพรุนบนผิวที่ส่งผลต่อการตกตะกอนของ SiC บล็อกกราไฟต์ที่ผ่านการบำบัดแล้วจะถูกล้างด้วยเอทานอลปราศจากน้ำและน้ำกลั่น จากนั้นนำไปอบแห้งในเตาอบที่อุณหภูมิ 100℃ สุดท้าย นำแผ่นกราไฟต์ไปวางในโซนอุณหภูมิหลักของเตาเผาท่อเพื่อทำการตกตะกอน SiC แผนภาพแสดงระบบการตกตะกอนด้วยไอสารเคมีแสดงในรูปที่ 1

เดอะการเคลือบ SiC ด้วยวิธี CVDได้ทำการตรวจสอบโดยใช้กล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบสแกนเพื่อวิเคราะห์ขนาดอนุภาคและความหนาแน่น นอกจากนี้ อัตราการตกตะกอนของสารเคลือบ SiC ยังคำนวณตามสูตรด้านล่าง: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = อัตราการตกตะกอน; m2 – มวลของตัวอย่างสารเคลือบ (มิลลิกรัม); m1 – มวลของสารตั้งต้น (มิลลิกรัม); S - พื้นที่ผิวของวัสดุรองรับ (มม.²); t - เวลาในการตกตะกอน (ชั่วโมง)   กระบวนการผลิต CVD-SiC ค่อนข้างซับซ้อน และสามารถสรุปได้ดังนี้: ที่อุณหภูมิสูง MTS จะสลายตัวด้วยความร้อนเพื่อสร้างโมเลกุลขนาดเล็กของแหล่งคาร์บอนและแหล่งซิลิคอน โมเลกุลขนาดเล็กของแหล่งคาร์บอนส่วนใหญ่ได้แก่ CH3, C2H2 และ C2H4 และโมเลกุลขนาดเล็กของแหล่งซิลิคอนส่วนใหญ่ได้แก่ SiCl2, SiCl3 เป็นต้น จากนั้นโมเลกุลขนาดเล็กของแหล่งคาร์บอนและแหล่งซิลิคอนเหล่านี้จะถูกลำเลียงไปยังพื้นผิวของแผ่นรองพื้นกราไฟต์โดยก๊าซพาหะและก๊าซเจือจาง จากนั้นโมเลกุลขนาดเล็กเหล่านี้จะถูกดูดซับบนพื้นผิวของแผ่นรองพื้นในรูปแบบของการดูดซับ จากนั้นปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลขนาดเล็กเพื่อสร้างหยดขนาดเล็กที่ค่อยๆ เติบโตขึ้น และหยดเหล่านี้ก็จะรวมตัวกัน และปฏิกิริยานี้จะเกิดขึ้นพร้อมกับการเกิดผลิตภัณฑ์พลอยได้ระดับกลาง (ก๊าซ HCl) เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 1000 ℃ ความหนาแน่นของชั้นเคลือบ SiC จะดีขึ้นอย่างมาก จะเห็นได้ว่าชั้นเคลือบส่วนใหญ่ประกอบด้วยเม็ด SiC (ขนาดประมาณ 4 μm) แต่ก็ยังพบข้อบกพร่องที่เป็นเส้นใย SiC อยู่บ้าง ซึ่งแสดงให้เห็นว่ายังคงมีการเติบโตของ SiC ในทิศทางที่กำหนดที่อุณหภูมินี้ และชั้นเคลือบยังไม่หนาแน่นเพียงพอ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 1100 ℃ จะเห็นได้ว่าชั้นเคลือบ SiC มีความหนาแน่นมาก และข้อบกพร่องที่เป็นเส้นใย SiC ก็หายไปอย่างสมบูรณ์ ชั้นเคลือบประกอบด้วยอนุภาค SiC รูปหยดน้ำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5-10 μm ซึ่งยึดติดกันอย่างแน่นหนา พื้นผิวของอนุภาคมีความหยาบมาก ประกอบด้วยเม็ด SiC ขนาดนาโนจำนวนนับไม่ถ้วน อันที่จริง กระบวนการเติบโตของ CVD-SiC ที่ 1100 ℃ ได้กลายเป็นกระบวนการควบคุมโดยการถ่ายโอนมวล โมเลกุลขนาดเล็กที่ดูดซับอยู่บนพื้นผิวของวัสดุรองรับมีพลังงานและเวลาเพียงพอที่จะก่อตัวและเติบโตเป็นเม็ด SiC อนุภาค SiC จะรวมตัวกันเป็นหย droplets ขนาดใหญ่อย่างสม่ำเสมอ ภายใต้การกระทำของพลังงานพื้นผิว หย droplets ส่วนใหญ่จะปรากฏเป็นทรงกลม และหย droplets เหล่านั้นจะรวมตัวกันอย่างแน่นหนาเพื่อก่อตัวเป็นชั้นเคลือบ SiC ที่หนาแน่น เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 1200℃ ชั้นเคลือบ SiC ก็มีความหนาแน่นเช่นกัน แต่รูปร่างของ SiC จะกลายเป็นร่องหลายร่อง และพื้นผิวของชั้นเคลือบจะดูหยาบขึ้น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นถึง 1300℃ จะพบอนุภาคทรงกลมที่มีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 3 μm จำนวนมากบนพื้นผิวของวัสดุรองรับกราไฟต์ นี่เป็นเพราะที่อุณหภูมินี้ SiC ได้เปลี่ยนไปเป็นการเกิดนิวเคลียสในเฟสแก๊ส และอัตราการสลายตัวของ MTS นั้นเร็วมาก โมเลกุลขนาดเล็กได้ทำปฏิกิริยาและเกิดนิวเคลียสเพื่อสร้างเม็ด SiC ก่อนที่จะถูกดูดซับบนพื้นผิวของวัสดุรองรับ หลังจากที่เม็ดเหล่านี้ก่อตัวเป็นอนุภาคทรงกลมแล้ว พวกมันจะตกลงมาด้านล่าง ทำให้เกิดชั้นเคลือบอนุภาค SiC ที่หลวมและมีความหนาแน่นต่ำ เห็นได้ชัดว่า 1300℃ ไม่สามารถใช้เป็นอุณหภูมิในการสร้างชั้นเคลือบ SiC ที่หนาแน่นได้ การเปรียบเทียบโดยรวมแสดงให้เห็นว่า หากต้องการเตรียมชั้นเคลือบ SiC ที่หนาแน่น อุณหภูมิการตกตะกอน CVD ที่เหมาะสมที่สุดคือ 1100℃

รูปที่ 3 แสดงอัตราการตกตะกอนของสารเคลือบ CVD SiC ที่อุณหภูมิการตกตะกอนต่างกัน เมื่ออุณหภูมิการตกตะกอนเพิ่มขึ้น อัตราการตกตะกอนของสารเคลือบ SiC จะค่อยๆ ลดลง อัตราการตกตะกอนที่ 900°C คือ 0.352 mg·h⁻¹/mm² และการเติบโตแบบมีทิศทางของเส้นใยทำให้มีอัตราการตกตะกอนเร็วที่สุด อัตราการตกตะกอนของสารเคลือบที่มีความหนาแน่นสูงสุดคือ 0.179 mg·h⁻¹/mm² เนื่องจากการตกตะกอนของอนุภาค SiC บางส่วน อัตราการตกตะกอนที่ 1300°C จึงต่ำที่สุด เพียง 0.027 mg·h⁻¹/mm²   สรุป: อุณหภูมิการตกตะกอน CVD ที่ดีที่สุดคือ 1100℃ อุณหภูมิต่ำส่งเสริมการเจริญเติบโตแบบมีทิศทางของ SiC ในขณะที่อุณหภูมิสูงทำให้ SiC เกิดการตกตะกอนแบบไอและส่งผลให้ได้การเคลือบที่บางเบา อัตราการตกตะกอนจะเพิ่มขึ้นเมื่ออุณหภูมิการตกตะกอนเพิ่มขึ้นการเคลือบ SiC ด้วยวิธี CVDค่อยๆ ลดลง