ผลกระทบของอุณหภูมิที่แตกต่างกันต่อการเจริญเติบโตของสารเคลือบ CVD SiC

การเคลือบ CVD SiC คืออะไร?

การสะสมไอเคมี (CVD) เป็นกระบวนการสะสมสูญญากาศที่ใช้ในการผลิตวัสดุแข็งที่มีความบริสุทธิ์สูง กระบวนการนี้มักใช้ในสาขาการผลิตเซมิคอนดักเตอร์เพื่อสร้างฟิล์มบางบนพื้นผิวของเวเฟอร์ ในกระบวนการเตรียมซิลิกอนคาร์ไบด์ด้วย CVD พื้นผิวจะถูกสัมผัสกับสารตั้งต้นระเหยหนึ่งชนิดหรือมากกว่า ซึ่งจะทำปฏิกิริยาทางเคมีบนพื้นผิวของพื้นผิวเพื่อสะสมซิลิกอนคาร์ไบด์ตามที่ต้องการ ในบรรดาวิธีการต่างๆ มากมายในการเตรียมวัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์ ผลิตภัณฑ์ที่เตรียมโดยการสะสมไอเคมีมีความสม่ำเสมอและความบริสุทธิ์ที่สูงกว่า และวิธีนี้สามารถควบคุมกระบวนการได้อย่างแข็งแกร่ง วัสดุซิลิกอนคาร์ไบด์ CVD มีคุณสมบัติทางความร้อน ไฟฟ้า และเคมีที่ยอดเยี่ยมผสมผสานกันอย่างลงตัว ทำให้เหมาะเป็นอย่างยิ่งสำหรับใช้ในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ที่ต้องใช้วัสดุประสิทธิภาพสูง ส่วนประกอบซิลิกอนคาร์ไบด์ CVD ใช้กันอย่างแพร่หลายในอุปกรณ์กัด อุปกรณ์ MOCVD อุปกรณ์เอพิแทกเซียล Si และอุปกรณ์เอพิแทกเซียล SiC อุปกรณ์ประมวลผลความร้อนอย่างรวดเร็ว และสาขาอื่นๆ

บทความนี้มุ่งเน้นไปที่การวิเคราะห์คุณภาพของฟิล์มบางที่ปลูกที่อุณหภูมิกระบวนการที่แตกต่างกันในระหว่างการเตรียมการเคลือบ CVD SiCเพื่อเลือกอุณหภูมิกระบวนการที่เหมาะสมที่สุด การทดลองนี้ใช้กราไฟท์เป็นสารตั้งต้นและไตรคลอโรเมทิลไซเลน (MTS) เป็นก๊าซต้นทางปฏิกิริยา การเคลือบ SiC เกิดขึ้นโดยกระบวนการ CVD แรงดันต่ำ และจุลสัณฐานของการเคลือบ CVD SiCจะถูกสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดเพื่อวิเคราะห์ความหนาแน่นของโครงสร้าง

เนื่องจากอุณหภูมิพื้นผิวของสารตั้งต้นกราไฟต์นั้นสูงมาก ก๊าซตัวกลางจะถูกแยกออกและระบายออกจากพื้นผิวของสารตั้งต้น และในที่สุด C และ Si ที่เหลืออยู่บนพื้นผิวของสารตั้งต้นจะก่อตัวเป็นเฟสของแข็งของ SiC เพื่อสร้างการเคลือบ SiC ตามกระบวนการเติบโตของ CVD-SiC ข้างต้น จะเห็นได้ว่าอุณหภูมิจะส่งผลต่อการแพร่กระจายของก๊าซ การสลายตัวของ MTS การก่อตัวของหยด และการแยกออกและระบายของก๊าซตัวกลาง ดังนั้นอุณหภูมิในการสะสมจะมีบทบาทสำคัญในสัณฐานวิทยาของการเคลือบ SiC สัณฐานวิทยาในระดับจุลภาคของการเคลือบเป็นการแสดงออกที่ชัดเจนที่สุดของความหนาแน่นของการเคลือบ ดังนั้นจึงจำเป็นต้องศึกษาผลกระทบของอุณหภูมิในการสะสมที่แตกต่างกันต่อสัณฐานวิทยาในระดับจุลภาคของการเคลือบ SiC ของ CVD เนื่องจาก MTS สามารถสลายตัวและสะสมสารเคลือบ SiC ได้ที่อุณหภูมิระหว่าง 900~1600℃ การทดลองนี้จึงเลือกอุณหภูมิการสะสม 5 อุณหภูมิ ได้แก่ 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ และ 1300℃ สำหรับการเตรียมสารเคลือบ SiC เพื่อศึกษาผลกระทบของอุณหภูมิต่อสารเคลือบ CVD-SiC พารามิเตอร์เฉพาะแสดงอยู่ในตารางที่ 3 รูปที่ 2 แสดงสัณฐานวิทยาในระดับจุลภาคของสารเคลือบ CVD-SiC ที่เจริญเติบโตที่อุณหภูมิการสะสมที่แตกต่างกัน

เมื่ออุณหภูมิการสะสมอยู่ที่ 900℃ SiC ทั้งหมดจะเติบโตเป็นรูปร่างของเส้นใย จะเห็นได้ว่าเส้นผ่านศูนย์กลางของเส้นใยเดี่ยวอยู่ที่ประมาณ 3.5μm และอัตราส่วนกว้างยาวอยู่ที่ประมาณ 3 (<10) นอกจากนี้ ยังประกอบด้วยอนุภาคนาโน SiC นับไม่ถ้วน จึงจัดอยู่ในโครงสร้าง SiC แบบโพลีคริสตัลไลน์ ซึ่งแตกต่างจากนาโนไวร์ SiC แบบดั้งเดิมและหนวด SiC แบบผลึกเดี่ยว SiC ที่เป็นเส้นใยนี้เป็นข้อบกพร่องทางโครงสร้างที่เกิดจากพารามิเตอร์กระบวนการที่ไม่สมเหตุสมผล จะเห็นได้ว่าโครงสร้างของการเคลือบ SiC นี้ค่อนข้างหลวม และมีรูพรุนจำนวนมากระหว่าง SiC ที่เป็นเส้นใย และความหนาแน่นก็ต่ำมาก ดังนั้น อุณหภูมินี้จึงไม่เหมาะสำหรับการเตรียมการเคลือบ SiC แบบหนาแน่น โดยทั่วไป ข้อบกพร่องทางโครงสร้าง SiC ที่เป็นเส้นใยมักเกิดจากอุณหภูมิการสะสมที่ต่ำเกินไป ที่อุณหภูมิต่ำ โมเลกุลขนาดเล็กที่ดูดซับบนพื้นผิวของสารตั้งต้นจะมีพลังงานต่ำและมีความสามารถในการเคลื่อนที่ต่ำ ดังนั้น โมเลกุลขนาดเล็กจึงมีแนวโน้มที่จะอพยพและเติบโตไปยังพื้นผิวที่มีพลังงานอิสระต่ำที่สุดของเมล็ด SiC (เช่น ปลายเมล็ด) การเจริญเติบโตแบบมีทิศทางต่อเนื่องในที่สุดก็ก่อให้เกิดข้อบกพร่องทางโครงสร้างของ SiC ที่เป็นเส้นใย

การเตรียมการเคลือบ CVD SiC:

ขั้นแรก ให้วางพื้นผิวของกราไฟต์ในเตาเผาสูญญากาศอุณหภูมิสูง และเก็บไว้ที่อุณหภูมิ 1,500 องศาเซลเซียส เป็นเวลา 1 ชั่วโมง ในบรรยากาศอาร์กอน เพื่อกำจัดเถ้า จากนั้น ตัดบล็อกกราไฟต์เป็นบล็อกขนาด 15x15x5 มม. และขัดพื้นผิวของบล็อกกราไฟต์ด้วยกระดาษทราย 1,200 เมช เพื่อขจัดรูพรุนบนพื้นผิวที่ส่งผลต่อการสะสมของ SiC จากนั้นล้างบล็อกกราไฟต์ที่ผ่านการบำบัดด้วยเอธานอลที่ปราศจากน้ำและน้ำกลั่น แล้วจึงนำเข้าเตาอบที่อุณหภูมิ 100 องศาเซลเซียสเพื่อให้แห้ง ในที่สุด ให้วางพื้นผิวของกราไฟต์ในโซนอุณหภูมิหลักของเตาเผาแบบท่อสำหรับการสะสม SiC แผนผังของระบบการสะสมไอเคมีแสดงอยู่ในรูปที่ 1

การการเคลือบ CVD SiCสังเกตโดยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดเพื่อวิเคราะห์ขนาดและความหนาแน่นของอนุภาค นอกจากนี้ อัตราการสะสมของสารเคลือบ SiC ยังคำนวณตามสูตรด้านล่าง: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=อัตราการสะสม; m2 – มวลของตัวอย่างเคลือบ (มก.); m1–มวลของสารตั้งต้น (มก.); S-พื้นที่ผิวของพื้นผิว (mm2) t- เวลาในการสะสม (ชั่วโมง)   CVD-SiC ค่อนข้างซับซ้อน และสามารถสรุปกระบวนการได้ดังนี้: ที่อุณหภูมิสูง MTS จะสลายตัวด้วยความร้อนเพื่อสร้างโมเลกุลขนาดเล็กของแหล่งคาร์บอนและแหล่งซิลิกอน โมเลกุลขนาดเล็กของแหล่งคาร์บอนประกอบด้วย CH3, C2H2 และ C2H4 เป็นหลัก และโมเลกุลขนาดเล็กของแหล่งซิลิกอนประกอบด้วย SiCI2, SiCI3 เป็นต้น โมเลกุลขนาดเล็กของแหล่งคาร์บอนและแหล่งซิลิกอนเหล่านี้จะถูกขนส่งไปยังพื้นผิวของสารตั้งต้นกราไฟต์โดยก๊าซพาหะและก๊าซเจือจาง จากนั้นโมเลกุลขนาดเล็กเหล่านี้จะถูกดูดซับบนพื้นผิวของสารตั้งต้นในรูปแบบของการดูดซับ จากนั้นปฏิกิริยาเคมีจะเกิดขึ้นระหว่างโมเลกุลขนาดเล็กเพื่อสร้างหยดเล็กๆ ที่ค่อยๆ เติบโต และหยดเหล่านั้นจะหลอมรวมกัน และปฏิกิริยาจะมาพร้อมกับการก่อตัวของผลิตภัณฑ์รองกลาง (ก๊าซ HCl) เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 1,000 ℃ ความหนาแน่นของการเคลือบ SiC จะดีขึ้นอย่างมาก จะเห็นได้ว่าการเคลือบส่วนใหญ่ประกอบด้วยเกรน SiC (ขนาดประมาณ 4 ไมโครเมตร) แต่ยังพบข้อบกพร่องของ SiC ที่เป็นเส้นใยบางส่วน ซึ่งแสดงให้เห็นว่ายังคงมีการเติบโตแบบมีทิศทางของ SiC ที่อุณหภูมินี้ และการเคลือบก็ยังไม่หนาแน่นเพียงพอ เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 1,100 ℃ จะเห็นได้ว่าการเคลือบ SiC มีความหนาแน่นมาก และข้อบกพร่องของ SiC ที่เป็นเส้นใยก็หายไปหมด การเคลือบประกอบด้วยอนุภาค SiC รูปหยดน้ำที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 5~10 ไมโครเมตร ซึ่งรวมกันแน่น พื้นผิวของอนุภาคมีความหยาบมาก ประกอบด้วยเกรน SiC ในระดับนาโนจำนวนนับไม่ถ้วน ในความเป็นจริง กระบวนการเติบโต CVD-SiC ที่อุณหภูมิ 1,100 ℃ ได้รับการควบคุมการถ่ายเทมวล โมเลกุลขนาดเล็กที่ดูดซับบนพื้นผิวของสารตั้งต้นมีพลังงานและเวลาเพียงพอที่จะเกิดนิวเคลียสและเติบโตเป็นเกรน SiC เม็ด SiC ก่อตัวเป็นหยดน้ำขนาดใหญ่สม่ำเสมอ ภายใต้การกระทำของพลังงานพื้นผิว หยดน้ำส่วนใหญ่จะปรากฏเป็นทรงกลม และหยดน้ำเหล่านี้รวมตัวกันอย่างแน่นหนาเพื่อสร้างชั้นเคลือบ SiC ที่หนาแน่น เมื่ออุณหภูมิสูงขึ้นถึง 1,200℃ การเคลือบ SiC ก็จะหนาแน่นเช่นกัน แต่โครงสร้าง SiC จะกลายเป็นสันนูนหลายชั้น และพื้นผิวของการเคลือบก็จะดูหยาบขึ้น เมื่ออุณหภูมิเพิ่มขึ้นถึง 1,300℃ จะพบอนุภาคทรงกลมปกติจำนวนมากที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางประมาณ 3μm บนพื้นผิวของพื้นผิวกราไฟต์ เนื่องจากที่อุณหภูมินี้ SiC จะถูกเปลี่ยนเป็นนิวเคลียสในเฟสก๊าซ และอัตราการสลายตัวของ MTS ก็เร็วมาก โมเลกุลขนาดเล็กได้ทำปฏิกิริยาและสร้างนิวเคลียสเพื่อสร้างเกรน SiC ก่อนที่จะถูกดูดซับบนพื้นผิวของพื้นผิว หลังจากเกรนสร้างอนุภาคทรงกลมแล้ว อนุภาคจะตกลงไปด้านล่าง ส่งผลให้มีการเคลือบอนุภาค SiC ที่หลวมและมีความหนาแน่นต่ำในที่สุด เห็นได้ชัดว่าไม่สามารถใช้ 1,300℃ เป็นอุณหภูมิในการสร้างการเคลือบ SiC แบบหนาแน่นได้ การเปรียบเทียบอย่างครอบคลุมแสดงให้เห็นว่าหากต้องเตรียมการเคลือบ SiC แบบหนาแน่น อุณหภูมิการสะสม CVD ที่เหมาะสมที่สุดคือ 1,100℃

รูปที่ 3 แสดงอัตราการสะสมของสารเคลือบ CVD SiC ที่อุณหภูมิการสะสมที่แตกต่างกัน เมื่ออุณหภูมิการสะสมเพิ่มขึ้น อัตราการสะสมของสารเคลือบ SiC จะลดลงเรื่อยๆ อัตราการสะสมที่อุณหภูมิ 900°C คือ 0.352 mg·h-1/mm2 และการเติบโตแบบมีทิศทางของเส้นใยทำให้มีอัตราการสะสมที่เร็วที่สุด อัตราการสะสมของสารเคลือบที่มีความหนาแน่นสูงสุดคือ 0.179 mg·h-1/mm2 เนื่องจากมีการสะสมของอนุภาค SiC บางส่วน อัตราการสะสมที่อุณหภูมิ 1300°C จึงเป็นอัตราที่ต่ำที่สุด โดยอยู่ที่เพียง 0.027 mg·h-1/mm2 เท่านั้น   บทสรุป: อุณหภูมิการสะสม CVD ที่ดีที่สุดคือ 1,100℃ อุณหภูมิต่ำส่งเสริมการเจริญเติบโตแบบมีทิศทางของ SiC ในขณะที่อุณหภูมิสูงทำให้ SiC เกิดการสะสมไอและส่งผลให้เกิดการเคลือบแบบเบาบาง เมื่ออุณหภูมิการสะสมเพิ่มขึ้น อัตราการสะสมของการเคลือบ CVD SiCค่อยๆลดลง