Що таке CVD-покриття SiC?
Хімічне осадження з парової фази (ХОФ) – це процес вакуумного осадження, який використовується для отримання високочистих твердих матеріалів. Цей процес часто використовується у виробництві напівпровідників для формування тонких плівок на поверхні пластин. У процесі отримання карбіду кремнію методом ХОФ підкладка піддається впливу одного або кількох летких прекурсорів, які хімічно реагують на поверхні підкладки, утворюючи бажані осади карбіду кремнію. Серед багатьох методів отримання карбід-кремнієвих матеріалів, продукти, отримані методом хімічного осадження з парової фази, мають вищу однорідність та чистоту, і цей метод має високу керованість процесу. CVD карбід-кремнієві матеріали мають унікальне поєднання чудових теплових, електричних та хімічних властивостей, що робить їх дуже придатними для використання в напівпровідниковій промисловості, де потрібні високоефективні матеріали. CVD карбід-кремнієві компоненти широко використовуються в обладнанні для травлення, MOCVD обладнанні, Si епітаксіальному обладнанні та SiC епітаксіальному обладнанні, обладнанні для швидкої термічної обробки та інших галузях.
Ця стаття зосереджена на аналізі якості тонких плівок, вирощених за різних температур процесу під час приготуванняCVD SiC покриття, щоб вибрати найбільш підходящу температуру процесу. В експерименті використовується графіт як підкладка та трихлорметилсилан (MTS) як газоподібний реактор. Покриття SiC наноситься методом CVD низького тиску, а мікроморфологіяCVD SiC покриттяспостерігається за допомогою скануючої електронної мікроскопії для аналізу його структурної щільності.
Оскільки температура поверхні графітової підкладки дуже висока, проміжний газ десорбується та виділяється з поверхні підкладки, і, нарешті, C та Si, що залишаються на поверхні підкладки, утворюють тверду фазу SiC, утворюючи покриття SiC. Згідно з вищезазначеним процесом вирощування CVD-SiC, можна побачити, що температура впливає на дифузію газу, розкладання MTS, утворення крапель, а також десорбцію та виділення проміжного газу, тому температура осадження відіграватиме ключову роль у морфології покриття SiC. Мікроскопічна морфологія покриття є найбільш інтуїтивним проявом його щільності. Тому необхідно вивчити вплив різних температур осадження на мікроскопічну морфологію покриття CVD SiC. Оскільки MTS може розкладати та осаджувати покриття SiC за температур 900~1600℃, у цьому експерименті обрано п'ять температур осадження: 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ та 1300℃ для підготовки покриття SiC з метою вивчення впливу температури на покриття CVD-SiC. Конкретні параметри наведено в таблиці 3. На рисунку 2 показано мікроскопічну морфологію покриття CVD-SiC, вирощеного за різних температур осадження.
Коли температура осадження становить 900℃, весь SiC перетворюється на волокна. Видно, що діаметр одного волокна становить близько 3,5 мкм, а його співвідношення сторін – близько 3 (<10). Крім того, він складається з незліченної кількості наночастинок SiC, тому він належить до полікристалічної структури SiC, яка відрізняється від традиційних нанодротів SiC та монокристалічних вусів SiC. Цей волокнистий SiC є структурним дефектом, спричиненим надмірно високими параметрами процесу. Видно, що структура цього покриття SiC є відносно пухкою, між волокнистим SiC є велика кількість пор, а щільність дуже низька. Тому ця температура не підходить для отримання щільних покриттів SiC. Зазвичай структурні дефекти волокнистого SiC спричинені занадто низькою температурою осадження. За низьких температур малі молекули, адсорбовані на поверхні підкладки, мають низьку енергію та погану міграційну здатність. Тому малі молекули схильні мігрувати та рости до найнижчої вільної поверхневої енергії зерен SiC (наприклад, кінчика зерна). Безперервне спрямоване зростання зрештою утворює структурні дефекти волокнистого SiC.
Підготовка покриття SiC методом CVD:
Спочатку графітову підкладку поміщають у високотемпературну вакуумну піч і витримують при 1500℃ протягом 1 години в атмосфері аргону для видалення золи. Потім графітовий блок розрізають на блоки розміром 15x15x5 мм, а поверхню графітового блоку полірують наждачним папером з розміром 1200 меш, щоб усунути поверхневі пори, які впливають на осадження SiC. Оброблений графітовий блок промивають безводним етанолом та дистильованою водою, а потім поміщають у піч при температурі 100℃ для сушіння. Нарешті, графітову підкладку поміщають в основну температурну зону трубчастої печі для осадження SiC. Принципова схема системи хімічного осадження з парової фази показана на рисунку 1.
TheCVD SiC покриттяспостерігали за допомогою скануючої електронної мікроскопії для аналізу розміру та щільності його частинок. Крім того, швидкість осадження покриття SiC була розрахована за наведеною нижче формулою: VSiC=(м2-м1)/(Sxt)x100% VSiC = швидкість осадження; m2 – маса зразка покриття (мг); m1 – маса субстрату (мг); S – площа поверхні підкладки (мм2); t – час осадження (год). CVD-SiC є відносно складним процесом, і процес можна підсумувати наступним чином: за високої температури MTS піддається термічному розкладу з утворенням малих молекул джерела вуглецю та джерела кремнію. Малі молекули джерела вуглецю включають переважно CH3, C2H2 та C2H4, а малі молекули джерела кремнію - переважно SiCl2, SiCl3 тощо; ці малі молекули джерела вуглецю та джерела кремнію потім транспортуються на поверхню графітової підкладки газом-носієм та газом-розріджувачем, а потім ці малі молекули адсорбуються на поверхні підкладки у вигляді адсорбції, після чого між малими молекулами відбуваються хімічні реакції з утворенням малих крапель, які поступово ростуть, і краплі також зливаються, і реакція супроводжується утворенням проміжних побічних продуктів (газоподібний HCl); Коли температура підвищується до 1000 ℃, щільність покриття SiC значно покращується. Видно, що більша частина покриття складається з зерен SiC (розміром близько 4 мкм), але також виявляються деякі волокнисті дефекти SiC, що свідчить про те, що за цієї температури все ще спостерігається спрямоване зростання SiC, і покриття все ще недостатньо щільне. Коли температура підвищується до 1100 ℃, видно, що покриття SiC дуже щільне, а волокнисті дефекти SiC повністю зникли. Покриття складається з краплеподібних частинок SiC діаметром близько 5~10 мкм, які щільно з'єднані. Поверхня частинок дуже шорстка. Вона складається з незліченних нанорозмірних зерен SiC. Фактично, процес росту CVD-SiC при 1100 ℃ став контрольованим масопереносом. Малі молекули, адсорбовані на поверхні підкладки, мають достатньо енергії та часу для зародження та росту в зерна SiC. Зерна SiC рівномірно утворюють великі краплі. Під дією поверхневої енергії більшість крапель виглядають сферичними, і краплі щільно об'єднані, утворюючи щільне покриття SiC. Коли температура підвищується до 1200℃, покриття SiC також стає щільним, але морфологія SiC стає багаторебристою, а поверхня покриття виглядає шорсткою. Коли температура підвищується до 1300℃, на поверхні графітової підкладки виявляється велика кількість правильних сферичних частинок діаметром близько 3 мкм. Це пояснюється тим, що за цієї температури SiC перетворюється на зародки в газовій фазі, і швидкість розкладання MTS дуже висока. Малі молекули реагують і зароджуються, утворюючи зерна SiC, перш ніж вони адсорбуються на поверхні підкладки. Після того, як зерна утворюють сферичні частинки, вони падають нижче цієї температури, що зрештою призводить до утворення пухкого покриття з частинок SiC з низькою щільністю. Очевидно, що 1300℃ не може бути температурою формування щільного покриття SiC. Всебічне порівняння показує, що для отримання щільного покриття SiC оптимальна температура осадження методом хіміко-хімічного осадження (CVD) становить 1100℃.
На рисунку 3 показано швидкість осадження покриттів SiC, отриманих методом CVD, за різних температур осадження. Зі збільшенням температури осадження швидкість осадження покриття SiC поступово зменшується. Швидкість осадження при 900°C становить 0,352 мг·год-1/мм2, а спрямований ріст волокон призводить до найшвидшої швидкості осадження. Швидкість осадження покриття з найвищою щільністю становить 0,179 мг·год-1/мм2. Через осадження деяких частинок SiC швидкість осадження при 1300°C є найнижчою, лише 0,027 мг·год-1/мм2. Висновок: Найкраща температура для осадження методом хіміко-хімічного осадження (CVD) становить 1100℃. Низька температура сприяє спрямованому зростанню SiC, тоді як висока температура призводить до осадження SiC з парової фази та утворення розрідженого покриття. Зі збільшенням температури осадження швидкість осадження...CVD SiC покриттяпоступово зменшується.
Час публікації: 26 травня 2025 р.