CVD SiC Kaplama Nedir?
Kimyasal buhar biriktirme (CVD), yüksek saflıkta katı malzemeler üretmek için kullanılan bir vakum biriktirme işlemidir. Bu işlem genellikle yarı iletken üretim alanında, yongaların yüzeyinde ince filmler oluşturmak için kullanılır. CVD ile silisyum karbür hazırlama sürecinde, alt tabaka, istenen silisyum karbür birikimlerini biriktirmek için alt tabakanın yüzeyinde kimyasal olarak reaksiyona giren bir veya daha fazla uçucu öncüye maruz bırakılır. Silisyum karbür malzemeleri hazırlamanın birçok yöntemi arasında, kimyasal buhar biriktirme ile hazırlanan ürünler daha yüksek düzgünlüğe ve saflığa sahiptir ve bu yöntem güçlü bir işlem kontrol edilebilirliğine sahiptir. CVD silisyum karbür malzemeler, mükemmel termal, elektriksel ve kimyasal özelliklerin benzersiz bir kombinasyonuna sahiptir ve bu da onları yüksek performanslı malzemelerin gerekli olduğu yarı iletken endüstrisinde kullanım için çok uygun hale getirir. CVD silisyum karbür bileşenleri, aşındırma ekipmanı, MOCVD ekipmanı, Si epitaksiyel ekipmanı ve SiC epitaksiyel ekipmanı, hızlı termal işleme ekipmanı ve diğer alanlarda yaygın olarak kullanılmaktadır.
Bu makale, farklı işlem sıcaklıklarında büyütülen ince filmlerin kalitesinin analizine odaklanmaktadır.CVD SiC kaplama, en uygun işlem sıcaklığını seçmek için. Deneyde substrat olarak grafit ve reaksiyon kaynağı gazı olarak triklorometilsilan (MTS) kullanılır. SiC kaplaması düşük basınçlı CVD işlemiyle biriktirilir ve mikromorfolojisiCVD SiC kaplamaYapısal yoğunluğunu analiz etmek için taramalı elektron mikroskobu ile incelenir.
Grafit alt tabakanın yüzey sıcaklığı çok yüksek olduğundan, ara gaz alt tabaka yüzeyinden desorbe edilecek ve boşaltılacak ve son olarak alt tabaka yüzeyinde kalan C ve Si, SiC kaplaması oluşturmak için katı faz SiC oluşturacaktır. Yukarıdaki CVD-SiC büyüme sürecine göre, sıcaklığın gazın difüzyonunu, MTS'nin ayrışmasını, damlacıkların oluşumunu ve ara gazın desorpsiyonunu ve boşaltımını etkileyeceği görülebilir, bu nedenle biriktirme sıcaklığı SiC kaplamanın morfolojisinde önemli bir rol oynayacaktır. Kaplamanın mikroskobik morfolojisi, kaplamanın yoğunluğunun en sezgisel tezahürüdür. Bu nedenle, farklı biriktirme sıcaklıklarının CVD SiC kaplamanın mikroskobik morfolojisi üzerindeki etkisini incelemek gerekir. MTS, SiC kaplamasını 900~1600℃ arasında ayrıştırıp biriktirebildiğinden, bu deney, CVD-SiC kaplaması üzerindeki sıcaklığın etkisini incelemek için SiC kaplamasının hazırlanmasında 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ ve 1300℃ olmak üzere beş biriktirme sıcaklığını seçmiştir. Belirli parametreler Tablo 3'te gösterilmiştir. Şekil 2, farklı biriktirme sıcaklıklarında büyütülen CVD-SiC kaplamasının mikroskobik morfolojisini göstermektedir.
Biriktirme sıcaklığı 900℃ olduğunda, tüm SiC lif şekillerine dönüşür. Tek bir lifin çapının yaklaşık 3,5 μm ve en boy oranının yaklaşık 3 (<10) olduğu görülebilir. Dahası, sayısız nano-SiC parçacığından oluşur, bu nedenle geleneksel SiC nanotellerinden ve tek kristal SiC bıyıklarından farklı olan polikristalin bir SiC yapısına aittir. Bu lifli SiC, mantıksız işlem parametrelerinden kaynaklanan yapısal bir kusurdur. Bu SiC kaplamanın yapısının nispeten gevşek olduğu ve lifli SiC arasında çok sayıda gözenek olduğu ve yoğunluğun çok düşük olduğu görülebilir. Bu nedenle, bu sıcaklık yoğun SiC kaplamaların hazırlanması için uygun değildir. Genellikle, lifli SiC yapısal kusurları çok düşük biriktirme sıcaklığından kaynaklanır. Düşük sıcaklıklarda, alt tabakanın yüzeyine adsorbe edilen küçük moleküller düşük enerjiye ve zayıf göç yeteneğine sahiptir. Bu nedenle, küçük moleküller göç etme ve SiC taneciklerinin en düşük yüzey serbest enerjisine (örneğin taneciğin ucu) doğru büyüme eğilimindedir. Sürekli yönlü büyüme sonunda lifli SiC yapısal kusurları oluşturur.
CVD SiC Kaplamanın Hazırlanması:
Öncelikle grafit substrat yüksek sıcaklıklı vakum fırınına yerleştirilir ve külün giderilmesi için Ar atmosferinde 1500℃'de 1 saat tutulur. Daha sonra grafit blok 15x15x5mm'lik bir bloğa kesilir ve grafit bloğun yüzeyi, SiC birikimini etkileyen yüzey gözeneklerini ortadan kaldırmak için 1200 mesh zımpara kağıdı ile parlatılır. İşlem görmüş grafit blok susuz etanol ve damıtılmış su ile yıkanır ve ardından kurutma için 100℃'deki bir fırına yerleştirilir. Son olarak grafit substrat, SiC birikimi için boru şeklindeki fırının ana sıcaklık bölgesine yerleştirilir. Kimyasal buhar biriktirme sisteminin şematik diyagramı Şekil 1'de gösterilmiştir.
TheCVD SiC kaplamaparçacık boyutunu ve yoğunluğunu analiz etmek için taramalı elektron mikroskobu ile gözlemlendi. Ayrıca, SiC kaplamanın biriktirme hızı aşağıdaki formüle göre hesaplandı: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Biriktirme hızı; m2–kaplama numunesinin kütlesi (mg); m1–substratın kütlesi (mg); Alt tabakanın S-yüzey alanı (mm2); t-biriktirme süresi (h). CVD-SiC nispeten karmaşıktır ve süreç aşağıdaki gibi özetlenebilir: yüksek sıcaklıkta, MTS termal ayrışmaya uğrayarak karbon kaynağı ve silisyum kaynağı küçük moleküller oluşturur. Karbon kaynağı küçük moleküller esas olarak CH3, C2H2 ve C2H4'ü içerir ve silisyum kaynağı küçük moleküller esas olarak SiCI2, SiCI3 vb. içerir; bu karbon kaynağı ve silisyum kaynağı küçük moleküller daha sonra taşıyıcı gaz ve seyreltici gaz tarafından grafit alt tabakanın yüzeyine taşınır ve daha sonra bu küçük moleküller adsorpsiyon şeklinde alt tabakanın yüzeyine adsorbe edilir ve daha sonra küçük moleküller arasında kimyasal reaksiyonlar meydana gelerek yavaş yavaş büyüyen küçük damlacıklar oluşturur ve damlacıklar da kaynaşır ve reaksiyona ara yan ürünlerin (HCl gazı) oluşumu eşlik eder; Sıcaklık 1000 ℃'ye yükseldiğinde, SiC kaplamanın yoğunluğu büyük ölçüde iyileşir. Kaplamanın çoğunun SiC tanelerinden (yaklaşık 4 μm boyutunda) oluştuğu görülebilir, ancak bazı lifli SiC kusurları da bulunur, bu da bu sıcaklıkta hala yönlü SiC büyümesi olduğunu ve kaplamanın hala yeterince yoğun olmadığını gösterir. Sıcaklık 1100 ℃'ye yükseldiğinde, SiC kaplamanın çok yoğun olduğu ve lifli SiC kusurlarının tamamen ortadan kalktığı görülebilir. Kaplama, sıkıca birleşmiş yaklaşık 5 ~ 10 μm çapında damlacık şeklindeki SiC parçacıklarından oluşur. Parçacıkların yüzeyi çok pürüzlüdür. Sayısız nano ölçekli SiC tanelerinden oluşur. Aslında, 1100 ℃'deki CVD-SiC büyüme süreci kütle transferi kontrollü hale gelmiştir. Alt tabakanın yüzeyine adsorbe edilen küçük moleküller, SiC tanelerine çekirdeklenmek ve büyümek için yeterli enerjiye ve zamana sahiptir. SiC tanecikleri düzgün bir şekilde büyük damlacıklar oluşturur. Yüzey enerjisinin etkisi altında damlacıkların çoğu küresel görünür ve damlacıklar sıkı bir şekilde birleşerek yoğun bir SiC kaplaması oluşturur. Sıcaklık 1200℃'ye çıktığında, SiC kaplaması da yoğundur, ancak SiC morfolojisi çok sırtlı hale gelir ve kaplamanın yüzeyi daha pürüzlü görünür. Sıcaklık 1300℃'ye çıktığında, grafit alt tabakanın yüzeyinde yaklaşık 3μm çapında çok sayıda düzenli küresel parçacık bulunur. Bunun nedeni, bu sıcaklıkta SiC'nin gaz fazı çekirdeklenmesine dönüşmüş olması ve MTS ayrışma hızının çok hızlı olmasıdır. Küçük moleküller, alt tabaka yüzeyine adsorbe edilmeden önce SiC taneleri oluşturmak için reaksiyona girmiş ve çekirdeklenmiştir. Taneler küresel parçacıklar oluşturduktan sonra, altına düşecek ve sonunda düşük yoğunluğa sahip gevşek bir SiC parçacık kaplamasıyla sonuçlanacaktır. Açıkçası, 1300℃ yoğun SiC kaplamanın oluşturma sıcaklığı olarak kullanılamaz. Kapsamlı karşılaştırma, yoğun SiC kaplaması hazırlanacaksa, optimum CVD biriktirme sıcaklığının 1100℃ olduğunu göstermektedir.
Şekil 3, farklı biriktirme sıcaklıklarında CVD SiC kaplamalarının biriktirme hızını göstermektedir. Biriktirme sıcaklığı arttıkça, SiC kaplamanın biriktirme hızı kademeli olarak azalır. 900°C'deki biriktirme hızı 0,352 mg·h-1/mm2'dir ve liflerin yönlü büyümesi en hızlı biriktirme hızına yol açar. En yüksek yoğunluğa sahip kaplamanın biriktirme hızı 0,179 mg·h-1/mm2'dir. Bazı SiC parçacıklarının biriktirilmesi nedeniyle, 1300°C'deki biriktirme hızı en düşüktür, sadece 0,027 mg·h-1/mm2'dir. Sonuç: En iyi CVD biriktirme sıcaklığı 1100℃'dir. Düşük sıcaklık, SiC'nin yönlü büyümesini desteklerken, yüksek sıcaklık, SiC'nin buhar biriktirmesi üretmesine ve seyrek kaplamaya neden olur. Biriktirme sıcaklığının artmasıyla, biriktirme oranıCVD SiC kaplamaYavaş yavaş azalır.
Gönderi zamanı: 26-Mayıs-2025