Influence de différentes températures sur la croissance du revêtement SiC CVD

Qu'est-ce qu'un revêtement CVD SiC ?

Le dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est un procédé de dépôt sous vide utilisé pour produire des matériaux solides de haute pureté. Ce procédé est fréquemment employé dans l'industrie des semi-conducteurs pour former des couches minces sur la surface des plaquettes. Lors de la préparation du carbure de silicium par CVD, le substrat est exposé à un ou plusieurs précurseurs volatils qui réagissent chimiquement à sa surface pour former le dépôt de carbure de silicium souhaité. Parmi les nombreuses méthodes de préparation du carbure de silicium, le dépôt chimique en phase vapeur offre une uniformité et une pureté supérieures, ainsi qu'une excellente maîtrise du procédé. Les matériaux en carbure de silicium CVD présentent une combinaison unique d'excellentes propriétés thermiques, électriques et chimiques, ce qui les rend particulièrement adaptés à l'industrie des semi-conducteurs exigeant des matériaux haute performance. Les composants en carbure de silicium CVD sont largement utilisés dans les équipements de gravure, les équipements MOCVD, les équipements d'épitaxie de silicium et de carbure de silicium, les équipements de traitement thermique rapide et d'autres domaines.

Cet article se concentre sur l'analyse de la qualité des couches minces déposées à différentes températures de traitement lors de la préparation derevêtement SiC CVD, afin de sélectionner la température de procédé la plus appropriée. L'expérience utilise du graphite comme substrat et du trichlorométhylsilane (MTS) comme gaz réactif. Le revêtement de SiC est déposé par un procédé CVD à basse pression, et la micromorphologie durevêtement SiC CVDest observée par microscopie électronique à balayage pour analyser sa densité structurale.

Du fait de la température très élevée de la surface du substrat de graphite, le gaz intermédiaire se désorbe et s'évacue de cette surface. Le carbone et le silicium restants se transforment alors en SiC solide, formant ainsi le revêtement de SiC. Ce procédé de croissance de SiC par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) montre que la température influence la diffusion du gaz, la décomposition du MTS, la formation des gouttelettes ainsi que la désorption et l'évacuation du gaz intermédiaire. Par conséquent, la température de dépôt joue un rôle déterminant dans la morphologie du revêtement de SiC. La morphologie microscopique du revêtement est l'expression la plus directe de sa densité. Il est donc nécessaire d'étudier l'influence des différentes températures de dépôt sur la morphologie microscopique du revêtement de SiC CVD. Le MTS pouvant se décomposer et déposer un revêtement de SiC entre 900 et 1600 °C, cinq températures de dépôt (900 °C, 1000 °C, 1100 °C, 1200 °C et 1300 °C) ont été sélectionnées pour la préparation du revêtement de SiC afin d'étudier l'influence de la température sur le revêtement CVD-SiC. Les paramètres spécifiques sont présentés dans le tableau 3. La figure 2 illustre la morphologie microscopique du revêtement CVD-SiC obtenu à différentes températures de dépôt.

Lorsque la température de dépôt atteint 900 °C, le SiC se présente sous forme de fibres. Le diamètre de chaque fibre est d'environ 3,5 µm, et son rapport d'aspect est d'environ 3 (< 10). De plus, elle est composée d'innombrables nanoparticules de SiC, ce qui indique une structure polycristalline, différente des nanofils de SiC traditionnels et des whiskers de SiC monocristallins. Ce SiC fibreux est un défaut structurel dû à des paramètres de procédé inadaptés. La structure de ce revêtement de SiC est relativement lâche, avec de nombreux pores entre les fibres et une densité très faible. Par conséquent, cette température n'est pas appropriée pour la préparation de revêtements de SiC denses. Généralement, les défauts structurels de SiC fibreux sont causés par une température de dépôt trop basse. À basse température, les petites molécules adsorbées sur la surface du substrat ont une faible énergie et une faible capacité de migration. Par conséquent, les petites molécules ont tendance à migrer et à croître vers les zones de plus faible énergie libre de surface des grains de SiC (comme l'extrémité du grain). Cette croissance directionnelle continue finit par former des défauts structuraux fibreux dans le SiC.

Préparation du revêtement SiC CVD :

Tout d'abord, le substrat de graphite est placé dans un four sous vide à haute température et maintenu à 1500 °C pendant 1 h sous atmosphère d'argon pour éliminer les cendres. Ensuite, le bloc de graphite est découpé en un parpaing de 15 × 15 × 5 mm, et sa surface est polie avec du papier de verre de grain 1200 afin d'éliminer les pores qui pourraient nuire au dépôt de SiC. Le bloc de graphite ainsi traité est lavé à l'éthanol anhydre et à l'eau distillée, puis séché à l'étuve à 100 °C. Enfin, le substrat de graphite est placé dans la zone de température principale du four tubulaire pour le dépôt de SiC. Le schéma du système de dépôt chimique en phase vapeur est présenté sur la figure 1.

Lerevêtement SiC CVDL'échantillon a été observé par microscopie électronique à balayage afin d'analyser la taille et la densité de ses particules. De plus, le taux de dépôt du revêtement de SiC a été calculé selon la formule suivante : VSiC=(m2-m1)/(Sxt)x100% VSiC = Taux de dépôt ; m2–masse de l’échantillon de revêtement (mg) ; m1–masse du substrat (mg) ; Surface S du substrat (mm2) ; t-le temps de dépôt (h).   Le procédé CVD-SiC est relativement complexe et peut être résumé comme suit : à haute température, le MTS subit une décomposition thermique pour former des molécules sources de carbone et de silicium. Les molécules sources de carbone comprennent principalement CH3, C2H2 et C2H4, et celles sources de silicium, SiCl2 et SiCl3. Ces molécules sont ensuite transportées à la surface du substrat de graphite par un gaz vecteur et un gaz diluant, puis adsorbées. Des réactions chimiques se produisent alors entre ces molécules, formant de fines gouttelettes qui grossissent progressivement et fusionnent. Cette réaction s'accompagne de la formation de sous-produits intermédiaires, notamment du chlorure d'hydrogène (HCl). Lorsque la température atteint 1000 °C, la densité du revêtement de SiC s'améliore considérablement. On constate que le revêtement est principalement composé de grains de SiC (d'environ 4 μm), mais on observe également quelques défauts fibreux de SiC, ce qui indique une croissance directionnelle du SiC à cette température et une densité encore insuffisante. À 1100 °C, le revêtement de SiC devient très dense et les défauts fibreux ont complètement disparu. Il est alors composé de particules de SiC en forme de gouttelettes, d'un diamètre d'environ 5 à 10 μm, étroitement liées. La surface des particules est très rugueuse. Ce revêtement est constitué d'innombrables grains de SiC nanométriques. En réalité, à 1100 °C, le processus de croissance du SiC par dépôt chimique en phase vapeur (CVD) est contrôlé par le transfert de masse. Les petites molécules adsorbées à la surface du substrat disposent de suffisamment d'énergie et de temps pour nucléer et croître en grains de SiC. Les grains de SiC forment uniformément de grosses gouttelettes. Sous l'effet de l'énergie de surface, la plupart de ces gouttelettes prennent une forme sphérique et s'agglomèrent étroitement pour former un revêtement dense de SiC. Lorsque la température atteint 1200 °C, le revêtement de SiC est dense, mais sa morphologie devient multi-striée et sa surface plus rugueuse. À 1300 °C, de nombreuses particules sphériques régulières d'environ 3 μm de diamètre apparaissent à la surface du substrat de graphite. Ceci s'explique par le fait qu'à cette température, le SiC subit une nucléation en phase gazeuse et que la vitesse de décomposition du MTS est très rapide. Les petites molécules réagissent et nucléent pour former des grains de SiC avant leur adsorption sur le substrat. Une fois ces grains sphériques formés, ils s'agglomèrent, aboutissant à un revêtement de particules de SiC peu dense et poreux. Il est donc clair que 1300 °C ne convient pas à l'obtention d'un revêtement de SiC dense. Une analyse comparative approfondie montre que, pour préparer un revêtement de SiC dense, la température optimale de dépôt CVD est de 1100 °C.

La figure 3 illustre la vitesse de dépôt des revêtements SiC CVD à différentes températures. Cette vitesse diminue progressivement avec l'augmentation de la température. À 900 °C, elle atteint 0,352 mg·h⁻¹/mm², la croissance directionnelle des fibres induisant la vitesse de dépôt la plus élevée. Le revêtement présentant la densité la plus importante atteint quant à lui 0,179 mg·h⁻¹/mm². Enfin, à 1300 °C, la vitesse de dépôt est la plus faible, à seulement 0,027 mg·h⁻¹/mm².   Conclusion : La température optimale de dépôt CVD est de 1100 °C. Une basse température favorise la croissance directionnelle du SiC, tandis qu’une température élevée entraîne un dépôt en phase vapeur du SiC et un revêtement clairsemé. L’augmentation de la température de dépôt entraîne une augmentation du taux de dépôt derevêtement SiC CVDdiminue progressivement.