CVD SiC کوٹنگ کی نمو پر مختلف درجہ حرارت کا اثر

CVD SiC کوٹنگ کیا ہے؟

کیمیائی بخارات جمع (CVD) ایک ویکیوم جمع کرنے کا عمل ہے جو اعلی پاکیزگی والے ٹھوس مواد کو تیار کرنے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ یہ عمل اکثر سیمی کنڈکٹر مینوفیکچرنگ فیلڈ میں ویفرز کی سطح پر پتلی فلمیں بنانے کے لیے استعمال ہوتا ہے۔ سی وی ڈی کے ذریعہ سلکان کاربائیڈ کی تیاری کے عمل میں، سبسٹریٹ ایک یا زیادہ غیر مستحکم پیشروؤں کے سامنے آتا ہے، جو مطلوبہ سلکان کاربائیڈ کے ذخائر کو جمع کرنے کے لیے سبسٹریٹ کی سطح پر کیمیائی طور پر رد عمل ظاہر کرتے ہیں۔ سلکان کاربائیڈ مواد کی تیاری کے بہت سے طریقوں میں سے، کیمیائی بخارات کے ذخیرہ سے تیار کردہ مصنوعات میں زیادہ یکسانیت اور پاکیزگی ہوتی ہے، اور یہ طریقہ مضبوط عمل کو کنٹرول کرنے کی صلاحیت رکھتا ہے۔ سی وی ڈی سلکان کاربائیڈ مواد میں بہترین تھرمل، برقی اور کیمیائی خصوصیات کا ایک انوکھا امتزاج ہوتا ہے، جو انہیں سیمی کنڈکٹر انڈسٹری میں استعمال کے لیے بہت موزوں بناتا ہے جہاں اعلیٰ کارکردگی والے مواد کی ضرورت ہوتی ہے۔ CVD سلکان کاربائیڈ کے اجزاء بڑے پیمانے پر اینچنگ کے سامان، MOCVD آلات، Si epitaxial آلات اور SiC epitaxial آلات، تیز تھرمل پروسیسنگ کے آلات اور دیگر شعبوں میں بڑے پیمانے پر استعمال ہوتے ہیں۔

یہ مضمون تیاری کے دوران مختلف عمل کے درجہ حرارت پر اگنے والی پتلی فلموں کے معیار کا تجزیہ کرنے پر توجہ مرکوز کرتا ہے۔CVD SiC کوٹنگ، تاکہ عمل کا سب سے مناسب درجہ حرارت منتخب کیا جا سکے۔ تجربے میں گریفائٹ کو سبسٹریٹ کے طور پر اور ٹرائکلورومیتھائلسیلین (MTS) کو رد عمل کے ذریعہ گیس کے طور پر استعمال کیا گیا ہے۔ SiC کوٹنگ کم پریشر CVD عمل کے ذریعے جمع کی جاتی ہے، اور کی مائکرومورفولوجیCVD SiC کوٹنگاس کی ساختی کثافت کا تجزیہ کرنے کے لیے الیکٹران مائکروسکوپی کو اسکین کرکے دیکھا جاتا ہے۔

چونکہ گریفائٹ سبسٹریٹ کی سطح کا درجہ حرارت بہت زیادہ ہے، اس لیے انٹرمیڈیٹ گیس سبسٹریٹ کی سطح سے خارج اور خارج ہو جائے گی، اور آخر میں سبسٹریٹ کی سطح پر باقی رہنے والی C اور Si، SiC کوٹنگ بنانے کے لیے ٹھوس فیز SiC بنائیں گے۔ مندرجہ بالا CVD-SiC بڑھنے کے عمل کے مطابق، یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ درجہ حرارت گیس کے پھیلاؤ، MTS کے گلنے، بوندوں کی تشکیل اور درمیانی گیس کے اخراج اور اخراج کو متاثر کرے گا، اس لیے جمع کرنے کا درجہ حرارت SiC کوٹنگ کی شکل میں کلیدی کردار ادا کرے گا۔ کوٹنگ کی مائکروسکوپک مورفولوجی کوٹنگ کی کثافت کا سب سے زیادہ بدیہی مظہر ہے۔ لہذا، CVD SiC کوٹنگ کی خوردبین شکل پر مختلف جمع درجہ حرارت کے اثر کا مطالعہ کرنا ضروری ہے۔ چونکہ MTS 900~1600℃ کے درمیان SiC کوٹنگ کو گلا اور جمع کر سکتا ہے، اس لیے یہ تجربہ سی وی ڈی-SiC کوٹنگ پر درجہ حرارت کے اثر کا مطالعہ کرنے کے لیے SiC کوٹنگ کی تیاری کے لیے 900℃، 1000℃، 1100℃، 1200℃ اور 1300℃ کے پانچ جمع درجہ حرارت کا انتخاب کرتا ہے۔ مخصوص پیرامیٹرز ٹیبل 3 میں دکھائے گئے ہیں۔ شکل 2 مختلف جمع کرنے والے درجہ حرارت پر اگنے والی CVD-SiC کوٹنگ کی خوردبین شکل کو ظاہر کرتی ہے۔

جب جمع کرنے کا درجہ حرارت 900 ℃ ہے، تمام SiC فائبر کی شکل میں بڑھ جاتا ہے۔ یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ ایک فائبر کا قطر تقریباً 3.5μm ہے، اور اس کا پہلو تناسب تقریباً 3 (<10) ہے۔ مزید یہ کہ یہ لاتعداد نینو-SiC ذرات پر مشتمل ہے، اس لیے اس کا تعلق پولی کرسٹل لائن SiC ڈھانچے سے ہے، جو روایتی SiC nanowires اور سنگل کرسٹل SiC وسکر سے مختلف ہے۔ یہ ریشے دار SiC ایک ساختی خرابی ہے جو غیر معقول عمل کے پیرامیٹرز کی وجہ سے ہوتی ہے۔ یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ اس SiC کوٹنگ کی ساخت نسبتاً ڈھیلی ہے، اور ریشے دار SiC کے درمیان بڑی تعداد میں سوراخ ہیں، اور کثافت بہت کم ہے۔ لہذا، یہ درجہ حرارت گھنے SiC کوٹنگز کی تیاری کے لیے موزوں نہیں ہے۔ عام طور پر، ریشے دار SiC ساختی نقائص بہت کم جمع درجہ حرارت کی وجہ سے ہوتے ہیں۔ کم درجہ حرارت پر، سبسٹریٹ کی سطح پر جذب ہونے والے چھوٹے مالیکیول کم توانائی اور نقل مکانی کی کمزور صلاحیت رکھتے ہیں۔ لہذا، چھوٹے مالیکیول ہجرت کرتے ہیں اور SiC اناج (جیسے اناج کی نوک) کی سب سے نچلی سطح کی مفت توانائی تک بڑھتے ہیں۔ مسلسل دشاتمک نمو بالآخر ریشے دار SiC ساختی نقائص پیدا کرتی ہے۔

CVD SiC کوٹنگ کی تیاری:

سب سے پہلے، گریفائٹ سبسٹریٹ کو ایک اعلی درجہ حرارت ویکیوم فرنس میں رکھا جاتا ہے اور راکھ کو ہٹانے کے لیے اسے 1 گھنٹہ کے لیے 1500℃ پر رکھا جاتا ہے۔ پھر گریفائٹ بلاک کو 15x15x5mm کے بلاک میں کاٹا جاتا ہے، اور گریفائٹ بلاک کی سطح کو 1200 میش سینڈ پیپر سے پالش کیا جاتا ہے تاکہ سطح کے سوراخوں کو ختم کیا جا سکے جو SiC کے جمع ہونے کو متاثر کرتے ہیں۔ علاج شدہ گریفائٹ بلاک کو اینہائیڈروس ایتھنول اور ڈسٹل واٹر سے دھویا جاتا ہے، اور پھر اسے خشک کرنے کے لیے 100℃ پر تندور میں رکھا جاتا ہے۔ آخر میں، گریفائٹ سبسٹریٹ کو ایس آئی سی جمع کرنے کے لیے نلی نما بھٹی کے مرکزی درجہ حرارت کے زون میں رکھا جاتا ہے۔ کیمیائی بخارات جمع کرنے کے نظام کا اسکیمیٹک خاکہ شکل 1 میں دکھایا گیا ہے۔

دیCVD SiC کوٹنگاس کے ذرہ کے سائز اور کثافت کا تجزیہ کرنے کے لیے الیکٹران مائکروسکوپی کو اسکین کرکے دیکھا گیا۔ اس کے علاوہ، SiC کوٹنگ کے جمع ہونے کی شرح کا حساب درج ذیل فارمولے کے مطابق کیا گیا: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = جمع کرنے کی شرح؛ m2– کوٹنگ کے نمونے کا ماس (ملی گرام)؛ m1–سبسٹریٹ کا ماس (ملی گرام)؛ سبسٹریٹ کا S-سطح کا رقبہ (mm2)؛ t- جمع کرنے کا وقت (h)۔   CVD-SiC نسبتاً پیچیدہ ہے، اور اس عمل کا خلاصہ اس طرح کیا جا سکتا ہے: اعلی درجہ حرارت پر، MTS کاربن ماخذ اور سلیکون سورس چھوٹے مالیکیولز بنانے کے لیے تھرمل سڑن سے گزرے گا۔ کاربن کے ماخذ کے چھوٹے مالیکیولز میں بنیادی طور پر CH3، C2H2 اور C2H4 شامل ہیں، اور سلیکون سورس کے چھوٹے مالیکیولز میں بنیادی طور پر SiCI2، SiCI3، وغیرہ شامل ہیں۔ یہ کاربن ماخذ اور سلیکون ماخذ چھوٹے مالیکیولز کو پھر کریئر گیس اور ڈائیلوئنٹ گیس کے ذریعے گریفائٹ سبسٹریٹ کی سطح پر منتقل کیا جائے گا، اور پھر یہ چھوٹے مالیکیول سبسٹریٹ کی سطح پر جذب کی صورت میں جذب ہو جائیں گے، اور پھر چھوٹے مالیکیولز کے درمیان کیمیائی رد عمل ہو گا، جو چھوٹے چھوٹے مالیکیولز کو بڑھنے کے لیے استعمال کریں گے اور قطرہ قطرہ بھی بنیں گے۔ اور ردعمل درمیانی ضمنی مصنوعات (HCl گیس) کی تشکیل کے ساتھ ہو گا۔ جب درجہ حرارت 1000 ℃ تک بڑھ جاتا ہے، تو SiC کوٹنگ کی کثافت بہت بہتر ہوتی ہے۔ یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ زیادہ تر کوٹنگ SiC کے دانے پر مشتمل ہے (تقریباً 4μm سائز)، لیکن کچھ ریشے دار SiC نقائص بھی پائے جاتے ہیں، جو ظاہر کرتے ہیں کہ اس درجہ حرارت پر SiC کی دشاتمک نمو اب بھی موجود ہے، اور کوٹنگ ابھی بھی کافی گھنی نہیں ہے۔ جب درجہ حرارت 1100 ℃ تک بڑھ جاتا ہے، تو یہ دیکھا جا سکتا ہے کہ SiC کوٹنگ بہت گھنی ہے، اور ریشے دار SiC کے نقائص مکمل طور پر غائب ہو چکے ہیں۔ کوٹنگ قطرہ قطرہ کے سائز کے SiC ذرات پر مشتمل ہے جس کا قطر تقریباً 5~10μm ہے، جو مضبوطی سے جوڑے گئے ہیں۔ ذرات کی سطح بہت کھردری ہوتی ہے۔ یہ لاتعداد نینو اسکیل SiC اناج پر مشتمل ہے۔ درحقیقت، 1100 ℃ پر CVD-SiC بڑھنے کا عمل بڑے پیمانے پر منتقلی پر قابو پا چکا ہے۔ سبسٹریٹ کی سطح پر جذب ہونے والے چھوٹے مالیکیولوں کے پاس نیوکلیئٹ ہونے اور SiC اناج میں بڑھنے کے لیے کافی توانائی اور وقت ہوتا ہے۔ SiC کے دانے یکساں طور پر بڑی بوندیں بناتے ہیں۔ سطحی توانائی کے عمل کے تحت، زیادہ تر بوندیں کروی دکھائی دیتی ہیں، اور بوندوں کو مضبوطی سے جوڑ کر ایک گھنی SiC کوٹنگ بنتی ہے۔ جب درجہ حرارت 1200 ℃ تک بڑھ جاتا ہے، تو SiC کوٹنگ بھی گھنی ہوتی ہے، لیکن SiC مورفولوجی کثیر جہتی بن جاتی ہے اور کوٹنگ کی سطح زیادہ کھردری دکھائی دیتی ہے۔ جب درجہ حرارت 1300℃ تک بڑھ جاتا ہے، تو گریفائٹ سبسٹریٹ کی سطح پر تقریباً 3μm کے قطر کے ساتھ باقاعدہ کروی ذرات کی ایک بڑی تعداد پائی جاتی ہے۔ اس کی وجہ یہ ہے کہ اس درجہ حرارت پر، SiC گیس فیز نیوکلیشن میں تبدیل ہو چکا ہے، اور MTS سڑنے کی شرح بہت تیز ہے۔ چھوٹے مالیکیولز نے سبسٹریٹ کی سطح پر جذب ہونے سے پہلے ایس آئی سی دانے بنانے کے لیے رد عمل ظاہر کیا اور نیوکلیوٹ کیا ہے۔ اناج کے کروی ذرات بننے کے بعد، وہ نیچے گر جائیں گے، جس کے نتیجے میں کم کثافت کے ساتھ ڈھیلا SiC پارٹیکل کوٹنگ ہو گی۔ ظاہر ہے، 1300℃ کو گھنے SiC کوٹنگ کے درجہ حرارت کے طور پر استعمال نہیں کیا جا سکتا۔ جامع موازنہ سے پتہ چلتا ہے کہ اگر گھنے SiC کوٹنگ تیار کرنی ہے، تو CVD جمع کرنے کا بہترین درجہ حرارت 1100℃ ہے۔

شکل 3 مختلف جمع درجہ حرارت پر CVD SiC کوٹنگز کے جمع ہونے کی شرح کو ظاہر کرتا ہے۔ جیسے جیسے جمع کرنے کا درجہ حرارت بڑھتا ہے، SiC کوٹنگ کے جمع ہونے کی شرح آہستہ آہستہ کم ہوتی جاتی ہے۔ 900°C پر جمع ہونے کی شرح 0.352 mg·h-1/mm2 ہے، اور ریشوں کی دشاتمک نمو سب سے تیز جمع ہونے کی شرح کا باعث بنتی ہے۔ سب سے زیادہ کثافت والی کوٹنگ کے جمع ہونے کی شرح 0.179 mg·h-1/mm2 ہے۔ کچھ SiC ذرات کے جمع ہونے کی وجہ سے، 1300°C پر جمع ہونے کی شرح سب سے کم ہے، صرف 0.027 mg·h-1/mm2۔   نتیجہ: CVD جمع کرنے کا بہترین درجہ حرارت 1100℃ ہے۔ کم درجہ حرارت SiC کی دشاتمک نشوونما کو فروغ دیتا ہے، جبکہ اعلی درجہ حرارت SiC کو بخارات جمع کرنے کا سبب بنتا ہے اور اس کے نتیجے میں ویرل کوٹنگ ہوتی ہے۔ جمع کرنے کے درجہ حرارت میں اضافے کے ساتھ، جمع کرنے کی شرحCVD SiC کوٹنگآہستہ آہستہ کم ہوتا ہے.