Lớp phủ CVD SiC là gì?
Lắng đọng hơi hóa học (CVD) là một quy trình lắng đọng chân không được sử dụng để sản xuất 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 thành màng mỏng trên bề mặt của tấm wafer. Trong quá trình chế tạo silicon carbide bằng CVD, chất nền được tiếp xúc với một hoặc nhiều tiền chất dễ bay hơi, phản ứng hóa học trên bề mặt của chất nền để lắng đọng các lớp lắng đọng silicon carbide mong muốn. Trong số nhiều phương pháp chế tạo vật liệu silicon carbide, các sản phẩm được chế tạo bằng lắng đọng hơi hóa học có độ đồng đều và độ tinh khiết cao hơn và phương pháp này có khả năng kiểm soát quy trình mạnh mẽ. Vật liệu silicon carbide CVD có sự kết hợp độc đáo giữa các tính chất nhiệt, điện và hóa học tuyệt vời, khiến chúng rất phù hợp để sử dụng trong ngành công nghiệp bán dẫn, nơi cần vật liệu hiệu suất cao. Các thành phần silicon carbide CVD được sử dụng rộng rãi trong thiết bị khắc, thiết bị MOCVD, thiết bị epitaxial Si và thiết bị epitaxial SiC, thiết bị xử lý nhiệt nhanh và các lĩnh vực khác.
Bài viết này tập trung vào việc phân tích chất lượng của màng mỏng được phát triển ở các nhiệt độ quy trình khác nhau trong quá trình chế tạoLớp phủ CVD SiC, để lựa chọn nhiệt độ quy trình phù hợp nhất. Thí nghiệm sử dụng graphite 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 củaLớp phủ CVD SiCđược 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 graphite rất cao, khí trung gian sẽ được giải hấp 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 tạo thành lớp phủ SiC. Theo quá trình phát triển CVD-SiC ở trên, có thể thấy rằng nhiệt độ sẽ ảnh hưởng đến sự khuếch tán của khí, sự phân hủy MTS, sự hình thành các giọt và sự giải hấp 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 của mật độ lớp phủ. Do đó, cần phải nghiên cứu ảnh hưởng của các nhiệt độ lắng đọng khác nhau đến hình thái vi mô của lớp phủ CVD SiC. Vì MTS có thể phân hủy và lắng đọng lớp phủ SiC trong khoảng 900~1600℃, nên thí nghiệm này chọn năm nhiệt độ lắng đọng là 900℃, 1000℃, 1100℃, 1200℃ và 1300℃ để chế tạo lớp phủ SiC nhằm nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ lên 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 phát triển ở các nhiệt độ lắng đọng khác nhau.
Khi nhiệt độ lắng đọng là 900℃, tất cả SiC phát triển thành dạng sợi. Có thể thấy rằng đường kính của một sợi đơn là khoảng 3,5μm và tỷ lệ khía cạnh của nó là khoảng 3 (<10). Hơn nữa, nó bao gồm vô số hạt nano-SiC, vì vậy nó thuộc về cấu trúc SiC đa tinh thể, khác với các dây nano SiC truyền thống và râu SiC đơn tinh thể. SiC dạng sợi này là một khiếm khuyết về cấu trúc do các thông số quy trình không hợp lý gây ra. Có thể thấy rằng cấu trúc của lớp phủ SiC này tương đối lỏng lẻo và có một số lượng lớn các lỗ rỗng giữa SiC dạng sợi và mật độ rất thấp. Do đó, nhiệt độ này không phù hợp để chế tạo lớp phủ SiC dày đặc. Thông thường, các khiếm khuyết về cấu trúc SiC dạng sợi là do nhiệt độ lắng đọng quá thấp gây ra. Ở nhiệt độ thấp, các phân tử nhỏ được hấp phụ trên bề mặt của 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 (như đầu hạt). Sự phát triển theo hướng liên tục cuối cùng hình thành các khiếm khuyết cấu trúc SiC dạng sợi.
Chuẩn bị lớp phủ CVD SiC:
Đầu tiên, chất nền graphite được đặt trong lò chân không nhiệt độ cao và giữ ở 1500℃ trong 1 giờ trong môi trường Ar để loại bỏ tro. Sau đó, khối graphite được cắt thành khối có kích thước 15x15x5mm và bề mặt của khối graphite được đánh bóng bằng giấy nhám lưới 1200 để loại bỏ các lỗ rỗng trên bề mặt ảnh hưởng đến quá trình lắng đọng SiC. Khối graphite đã xử lý được rửa bằng etanol khan và nước cất, sau đó được đặt trong lò ở 100℃ để sấy khô. Cuối cùng, chất nền graphite được đặt trong vùng nhiệt độ chính của lò hình ống để lắng đọng SiC. Sơ đồ hệ thống lắng đọng hơi hóa học được thể hiện trong Hình 1.
CácLớp phủ CVD SiCđược quan sát bằng kính hiển vi điện tử quét để phân tích kích thước và mật độ hạt của nó. Ngoài ra, tốc độ lắng đọng của lớp phủ SiC được tính theo công thức dưới đây: VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC=Tốc độ lắng đọng; m2–khối lượng mẫu phủ (mg); m1–khối lượng của chất nền (mg); S-diện tích bề mặt của chất nền (mm2); t-thời gian lắng đọng (h). CVD-SiC tương đối phức tạp, và quá trình này 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 cacbon và nguồn silic. Các phân tử nhỏ nguồn cacbon chủ yếu bao gồm CH3, C2H2 và C2H4, và các phân tử nhỏ nguồn silic chủ yếu bao gồm SiCI2, SiCI3, v.v.; các phân tử nhỏ nguồn cacbon và nguồn silic này sau đó sẽ được khí mang và khí pha loãng vận chuyển đến bề mặt của chất nền than chì, sau đó các phân tử nhỏ này sẽ được hấp phụ trên bề mặt của chất nền dưới dạng hấp phụ, sau đó các phản ứng hóa học sẽ xảy ra giữa các phân tử nhỏ để tạo thành các giọt nhỏ dần lớn lên 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 hầu hết lớp phủ được tạo thành từ các hạt SiC (kích thước khoảng 4μm), nhưng cũng tìm thấy một số khuyết tật SiC dạng sợi, điều này cho thấy vẫn có 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 biến mất hoàn toàn. Lớp phủ được tạo thành từ các hạt SiC hình giọt có đường kính khoảng 5 ~ 10μm, được kết hợp chặt chẽ. Bề mặt của các hạt rất thô. Nó được tạo thành từ vô số hạt SiC ở quy mô nano. Trên thực tế, quá trình tăng trưởng CVD-SiC ở 1100 ℃ đã trở thành quá trình truyền khối được kiểm soát. Các phân tử nhỏ được hấp phụ trên bề mặt của chất nền có đủ năng lượng và thời gian để hình thành hạt và phát triển thành các hạt SiC. Các hạt SiC đồng đều tạo thành các giọt lớn. Dưới tác động của năng lượng bề mặt, hầu hết các giọt xuất hiện hình cầu và các giọt được kết hợp chặt chẽ để tạo thành lớp phủ SiC dày đặc. Khi nhiệt độ tăng lên 1200℃, lớp phủ SiC cũng đặc, nhưng hình thái SiC trở nên nhiều gờ và bề mặt lớp phủ có vẻ thô hơn. Khi nhiệt độ tăng lên 1300℃, một số lượng lớn các hạt hình cầu đều đặn có đường kính khoảng 3μm được tìm thấy trên bề mặt của chất nền graphite. Điều này là do ở nhiệt độ này, SiC đã được chuyển đổi thành dạng hạt nhân pha khí và tốc độ phân hủy MTS rất nhanh. Các phân tử nhỏ đã phản ứng và hình thành hạt nhân để tạo thành các hạt SiC trước khi chúng được hấp phụ trên bề mặt chất nền. Sau khi các hạt hình thành các hạt hình cầu, chúng sẽ rơi xuống dưới, 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 hình thành của lớp phủ SiC đặc. So sánh toàn diện cho thấy nếu lớp phủ SiC đặc được chuẩn bị, nhiệt độ lắng đọng CVD tối ưu là 1100℃.
Hình 3 cho thấy tốc độ lắng đọng của lớp phủ CVD SiC 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 lắng đọng 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 tốt nhất 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 hơi và dẫn đến lớp phủ thưa thớt. Với sự gia tăng nhiệt độ lắng đọng, tốc độ lắng đọng củaLớp phủ CVD SiCgiảm dần.
Thời gian đăng: 26-05-2025