Ảnh hưởng của các nhiệt độ khác nhau đến sự phát triển của lớp phủ SiC CVD

Lớp phủ SiC CVD là gì?

Phương pháp lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một quy trình lắng đọng chân không được sử dụng để sản xuất các vật liệu rắn có độ tinh khiết cao. Quy trình này thường được sử dụng trong lĩnh vực sản xuất chất bán dẫn để tạo màng mỏng trên bề mặt các tấm wafer. Trong quá trình điều chế silicon carbide bằng CVD, chất nền được tiếp xúc với một hoặc nhiều tiền chất dễ bay hơi, các tiền chất này sẽ phản ứng hóa học trên bề mặt chất nền để lắng đọng lớp silicon carbide mong muốn. Trong số nhiều phương pháp điều chế vật liệu silicon carbide, sản phẩm được điều chế bằng phương pháp lắng đọng hơi hóa học có độ đồng nhất và độ tinh khiết cao hơn, và phương pháp này có khả năng kiểm soát quy trình mạnh mẽ. Vật liệu silicon carbide CVD sở hữu sự kết hợp độc đáo giữa các đặc tính nhiệt, điện và hóa học tuyệt vời, khiến chúng rất phù hợp để sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn, nơi đòi hỏi các vật liệu hiệu suất cao. Các linh kiện silicon carbide CVD được sử dụng rộng rãi trong thiết bị khắc, thiết bị MOCVD, thiết bị kết tinh Si và thiết bị kết tinh SiC, thiết bị xử lý nhiệt nhanh và các lĩnh vực khác.

Bài viết này tập trung vào việc phân tích chất lượng của các màng mỏng được tạo ra ở các nhiệt độ xử lý khác nhau trong quá trình chuẩn bị.Lớp phủ SiC CVDĐể lựa chọn nhiệt độ xử lý phù hợp nhất. Thí nghiệm sử dụng than chì làm chất nền và trichloromethylsilane (MTS) làm khí nguồn phản ứng. Lớp phủ SiC được lắng đọng bằng quy trình CVD áp suất thấp, và hình thái vi mô của...Lớp phủ SiC CVDNó được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét để phân tích mật độ cấu trúc của nó.

Do nhiệt độ bề mặt của chất nền than chì rất cao, khí trung gian sẽ bị khử hấp thụ và thải ra khỏi bề mặt chất nền, và cuối cùng C và Si còn lại trên bề mặt chất nền sẽ tạo thành pha rắn SiC để hình thành lớp phủ SiC. Theo quá trình tăng trưởng CVD-SiC nêu trên, có thể thấy rằng nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến sự khuếch tán khí, sự phân hủy MTS, sự hình thành giọt và sự khử hấp thụ và thải khí trung gian, do đó nhiệt độ lắng đọng sẽ đóng vai trò quan trọng trong hình thái của lớp phủ SiC. Hình thái vi mô của lớp phủ là biểu hiện trực quan nhất về mật độ của lớp phủ. Vì vậy, cần thiết phải nghiên cứu ảnh hưởng của các nhiệt độ lắng đọng khác nhau đến hình thái vi mô của lớp phủ SiC CVD. Vì MTS có thể phân hủy và lắng đọng lớp phủ SiC ở nhiệt độ từ 900 đến 1600℃, thí nghiệm này chọn năm nhiệt độ lắng đọng là 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ và 1300℃ để chuẩn bị lớp phủ SiC nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ đến lớp phủ CVD-SiC. Các thông số cụ thể được thể hiện trong Bảng 3. Hình 2 cho thấy hình thái vi mô của lớp phủ CVD-SiC được tạo ra ở các nhiệt độ lắng đọng khác nhau.

Khi nhiệt độ lắng đọng là 900℃, tất cả SiC đều phát triển thành dạng sợi. Có thể thấy đường kính của một sợi đơn khoảng 3,5μm, và tỷ lệ chiều dài/đường kính khoảng 3 (<10). Hơn nữa, nó được cấu tạo từ vô số hạt nano-SiC, do đó nó thuộc cấu trúc SiC đa tinh thể, khác với các dây nano SiC truyền thống và các sợi SiC đơn tinh thể. SiC dạng sợi này là một khuyết tật cấu trúc do các thông số quy trình không hợp lý gây ra. Có thể thấy cấu trúc của lớp phủ SiC này tương đối lỏng lẻo, có rất nhiều lỗ rỗng giữa các sợi SiC, và mật độ rất thấp. Do đó, nhiệt độ này không thích hợp để chế tạo các lớp phủ SiC đặc. Thông thường, các khuyết tật cấu trúc SiC dạng sợi là do nhiệt độ lắng đọng quá thấp. Ở nhiệt độ thấp, các phân tử nhỏ hấp phụ trên bề mặt chất nền có năng lượng thấp và khả năng di chuyển kém. Do đó, các phân tử nhỏ có xu hướng di chuyển và phát triển đến năng lượng tự do bề mặt thấp nhất của các hạt SiC (chẳng hạn như đầu hạt). Sự phát triển theo hướng liên tục cuối cùng sẽ tạo ra các khuyết tật cấu trúc dạng sợi SiC.

Chuẩn bị lớp phủ SiC CVD:

Đầu tiên, chất nền than chì được đặt trong lò chân không nhiệt độ cao và giữ ở 1500℃ trong 1 giờ trong môi trường khí Ar để loại bỏ tro. Sau đó, khối than chì được cắt thành khối có kích thước 15x15x5mm, và bề mặt của khối than chì được đánh bóng bằng giấy nhám 1200 mesh để loại bỏ các lỗ rỗng trên bề mặt ảnh hưởng đến quá trình lắng đọng SiC. Khối than chì đã xử lý được rửa bằng etanol khan và nước cất, sau đó được đặt trong lò sấy ở 100℃ để làm khô. Cuối cùng, chất nền than chì được đặt trong vùng nhiệt độ chính của lò ống để lắng đọng SiC. Sơ đồ hệ thống lắng đọng hơi hóa học được thể hiện trong Hình 1.

CáiLớp phủ SiC CVDMẫu được quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét để phân tích kích thước hạt và mật độ. Ngoài ra, tốc độ lắng đọng của lớp phủ SiC được tính toán theo công thức dưới đây: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = Tốc độ lắng đọng; m2 – khối lượng mẫu lớp phủ (mg); m1 – khối lượng chất nền (mg); S - diện tích bề mặt của chất nền (mm2); t - thời gian lắng đọng (giờ).   CVD-SiC tương đối phức tạp, và quá trình có thể được tóm tắt như sau: ở nhiệt độ cao, MTS sẽ trải qua quá trình phân hủy nhiệt để tạo thành các phân tử nhỏ nguồn carbon và nguồn silicon. Các phân tử nhỏ nguồn carbon chủ yếu bao gồm CH3, C2H2 và C2H4, và các phân tử nhỏ nguồn silicon chủ yếu bao gồm SiCI2, SiCI3, v.v.; các phân tử nhỏ nguồn carbon và nguồn silicon này sau đó sẽ được vận chuyển đến bề mặt chất nền than chì bằng khí mang và khí pha loãng, và sau đó các phân tử nhỏ này sẽ được hấp phụ trên bề mặt chất nền dưới dạng hấp phụ, và sau đó các phản ứng hóa học sẽ xảy ra giữa các phân tử nhỏ để tạo thành các giọt nhỏ dần dần phát triển và các giọt cũng sẽ hợp nhất, và phản ứng sẽ đi kèm với sự hình thành các sản phẩm phụ trung gian (khí HCl); Khi nhiệt độ tăng lên 1000 ℃, mật độ của lớp phủ SiC được cải thiện đáng kể. Có thể thấy rằng phần lớn lớp phủ được cấu tạo từ các hạt SiC (kích thước khoảng 4μm), nhưng cũng tìm thấy một số khuyết tật SiC dạng sợi, cho thấy vẫn còn sự phát triển theo hướng của SiC ở nhiệt độ này, và lớp phủ vẫn chưa đủ đặc. Khi nhiệt độ tăng lên 1100 ℃, có thể thấy rằng lớp phủ SiC rất đặc, và các khuyết tật SiC dạng sợi đã hoàn toàn biến mất. Lớp phủ được cấu tạo từ các hạt SiC hình giọt nước có đường kính khoảng 5~10μm, liên kết chặt chẽ với nhau. Bề mặt của các hạt rất gồ ghề. Nó được cấu tạo từ vô số hạt SiC kích thước nano. Trên thực tế, quá trình tăng trưởng CVD-SiC ở 1100 ℃ đã trở nên được kiểm soát bởi sự truyền khối. Các phân tử nhỏ hấp phụ trên bề mặt chất nền có đủ năng lượng và thời gian để tạo mầm và phát triển thành các hạt SiC. Các hạt SiC tạo thành các giọt lớn đồng đều. Dưới tác động của năng lượng bề mặt, hầu hết các giọt đều có hình cầu và chúng kết hợp chặt chẽ với nhau tạo thành một lớp phủ SiC dày đặc. Khi nhiệt độ tăng lên 1200℃, lớp phủ SiC cũng trở nên đặc hơn, nhưng hình thái SiC trở nên đa gờ và bề mặt lớp phủ trông thô ráp hơn. Khi nhiệt độ tăng lên 1300℃, một lượng lớn các hạt hình cầu đều đặn với đường kính khoảng 3μm được tìm thấy trên bề mặt chất nền than chì. Điều này là do ở nhiệt độ này, SiC đã chuyển hóa thành dạng kết tinh pha khí, và tốc độ phân hủy MTS rất nhanh. Các phân tử nhỏ đã phản ứng và kết tinh để tạo thành các hạt SiC trước khi chúng được hấp phụ trên bề mặt chất nền. Sau khi các hạt tạo thành các hạt hình cầu, chúng sẽ rơi xuống, cuối cùng dẫn đến lớp phủ hạt SiC lỏng lẻo với mật độ kém. Rõ ràng, 1300℃ không thể được sử dụng làm nhiệt độ tạo lớp phủ SiC đặc. So sánh toàn diện cho thấy rằng nếu muốn chuẩn bị lớp phủ SiC đặc, nhiệt độ lắng đọng CVD tối ưu là 1100℃.

Hình 3 thể hiện tốc độ lắng đọng của lớp phủ SiC CVD ở các nhiệt độ lắng đọng khác nhau. Khi nhiệt độ lắng đọng tăng, tốc độ lắng đọng của lớp phủ SiC giảm dần. Tốc độ lắng đọng ở 900°C là 0,352 mg·h⁻¹/mm², và sự phát triển theo hướng của các sợi dẫn đến tốc độ lắng đọng nhanh nhất. Tốc độ lắng đọng của lớp phủ có mật độ cao nhất là 0,179 mg·h⁻¹/mm². Do sự lắng đọng của một số hạt SiC, tốc độ lắng đọng ở 1300°C là thấp nhất, chỉ 0,027 mg·h⁻¹/mm².   Kết luận: Nhiệt độ lắng đọng CVD tối ưu là 1100℃. Nhiệt độ thấp thúc đẩy sự phát triển theo hướng của SiC, trong khi nhiệt độ cao khiến SiC tạo ra sự lắng đọng dạng hơi và dẫn đến lớp phủ thưa. Khi nhiệt độ lắng đọng tăng, tốc độ lắng đọng của SiC cũng tăng.Lớp phủ SiC CVDgiảm dần.