ما هو طلاء سيك؟
يشير طلاء CVD SiC إلى كربيد السيليكون الذي يتم إنتاجه من خلال ترسيب البخار الكيميائي، وهي عملية فراغية للمواد عالية النقاء. إنه يوفر خصائص حرارية وكهربائية وكيميائية ممتازة، مما يجعله مثاليًا لتطبيقات أشباه الموصلات مثل النقش، وMOCVD، وSi الفوقي، وSiC الفوقي، ومعدات المعالجة الحرارية السريعة. تضمن هذه الطريقة التوحيد العالي والنقاء والتحكم في العملية.
تؤثر درجة حرارة سطح الركيزة الجرافيت بشكل كبير على عملية طلاء CVD-SiC. عند درجات الحرارة المرتفعة، تمتص الغازات المتوسطة وتفرغ، تاركة C وSi لتكوين طبقات SiC ذات الطور الصلب. لدراسة كيفية تأثير درجة حرارة الترسيب على الشكل المجهري وكثافة الطلاء، أجريت تجارب عند 900 درجة مئوية، و1000 درجة مئوية، و1100 درجة مئوية، و1200 درجة مئوية، و1300 درجة مئوية. وتظهر النتائج في الجدول 3 والشكل 2.
عندما تكون درجة حرارة الترسيب 900 درجة مئوية، فإن كل كربيد السيليكون ينمو إلى أشكال ألياف. يمكن ملاحظة أن قطر الألياف الواحدة يبلغ حوالي 3.5 ميكرومتر، ونسبة العرض إلى الارتفاع حوالي 3 (<10). علاوة على ذلك، فهو يتكون من عدد لا يحصى من جزيئات Nano-SiC، لذلك فهو ينتمي إلى هيكل متعدد البلورات SiC، والذي يختلف عن أسلاك SiC التقليدية وشعيرات SiC أحادية البلورة. يعتبر كربيد السيليكون الليفي هذا عيبًا هيكليًا ناجمًا عن معلمات عملية غير معقولة. يمكن ملاحظة أن هيكل طلاء SiC هذا فضفاض نسبيًا، وهناك عدد كبير من المسام بين SiC الليفي، والكثافة منخفضة جدًا. ولذلك، فإن درجة الحرارة هذه ليست مناسبة لإعداد الطلاءات الكثيفة من كربيد السيليكون. عادةً ما تكون العيوب الهيكلية الليفية لـ SiC ناتجة عن انخفاض درجة حرارة الترسيب. في درجات الحرارة المنخفضة، تكون الجزيئات الصغيرة الممتصة على سطح الركيزة ذات طاقة منخفضة وقدرة ضعيفة على الهجرة. لذلك، تميل الجزيئات الصغيرة إلى الهجرة والنمو إلى أدنى طاقة سطحية حرة لحبيبات SiC (مثل طرف الحبة). يشكل النمو الاتجاهي المستمر في النهاية عيوبًا هيكلية ليفية من كربيد السيليكون.
إعداد طلاء CVD SiC:
أولاً، يتم وضع ركيزة الجرافيت في فرن مفرغ بدرجة حرارة عالية ويتم الاحتفاظ بها عند درجة حرارة 1500 درجة مئوية لمدة ساعة واحدة في جو Ar لإزالة الرماد. ثم يتم قطع كتلة الجرافيت إلى كتلة 15x15x5mm، ويتم صقل سطح كتلة الجرافيت بورق صنفرة 1200 شبكة لإزالة المسام السطحية التي تؤثر على ترسب SiC. يتم غسل كتلة الجرافيت المعالجة بالإيثانول اللامائي والماء المقطر، ثم يتم وضعها في فرن عند درجة حرارة 100 درجة مئوية للتجفيف. وأخيرًا، يتم وضع ركيزة الجرافيت في منطقة درجة الحرارة الرئيسية للفرن الأنبوبي لترسيب SiC. يظهر الرسم التخطيطي لنظام ترسيب البخار الكيميائي في الشكل 1.
تم فحص طلاء CVD SiC عن طريق المسح المجهري الإلكتروني لتحليل حجم الجسيمات وكثافتها. تم حساب معدل الترسيب باستخدام الصيغة:
VSiC = (m₂ – m₁) / (S × t) × 100%
حيث VSiC هو معدل الترسيب، m₂ هي كتلة العينة المغلفة (مجم)، m₁ هي كتلة الركيزة (مجم)، S هي مساحة سطح الركيزة (مم²)، وt هو وقت الترسيب (ح).
تتضمن عملية CVD-SiC التحلل الحراري لـ MTS عند درجات حرارة عالية، مما يؤدي إلى توليد جزيئات صغيرة من مصدر الكربون (مثل CH₃ وC₂H₂ وC₂H₄) وجزيئات مصدر السيليكون (مثل SiCl₂ وSiCl₃). يتم نقل هذه الجزيئات إلى سطح ركيزة الجرافيت عن طريق الغازات الحاملة والمخففة، حيث تمتز وتتفاعل لتشكل قطرات تنمو وتتجمع تدريجيًا. وينتج عن التفاعل أيضًا منتجات ثانوية مثل غاز حمض الهيدروكلوريك (HCl).
عند 1000 درجة مئوية، تتحسن كثافة طلاء SiC بشكل ملحوظ. يتكون الطلاء بشكل أساسي من حبيبات SiC التي يبلغ حجمها حوالي 4 ميكرومتر، لكن بعض عيوب SiC الليفية تشير إلى نمو اتجاهي وتكثيف غير كافٍ.
عند 1100 درجة مئوية، يصبح الطلاء كثيفًا للغاية، دون أي عيوب ليفية. وهي تتألف من جزيئات SiC على شكل قطيرة (قطرها 5-10 ميكرومتر) مكونة من العديد من حبيبات SiC ذات الحجم النانوي. وفي ظل التحكم في نقل الكتلة، تمتلك الجزيئات الممتزة ما يكفي من الطاقة والوقت لتنوي وتشكل قطيرات كروية، تتحد بإحكام لتشكل طبقة كثيفة.
عند 1200 درجة مئوية، يظل الطلاء كثيفًا، لكن الشكل يصبح متعدد الحواف والسطح أكثر خشونة.
عند 1300 درجة مئوية، يحدث نواة الطور الغازي بسبب التحلل السريع لـ MTS. تنوى SiC قبل الوصول إلى الركيزة، وتشكل جزيئات كروية منتظمة (~ 3 ميكرومتر) تترسب بشكل فضفاض، مما يؤدي إلى طلاء منخفض الكثافة. درجة الحرارة هذه غير مناسبة لطلاء SiC الكثيف.
باختصار، 1100 درجة مئوية هي درجة حرارة الترسيب المثالية لإعداد الطلاءات الكثيفة CVD-SiC.
ويبين الشكل 3 معدل ترسيب الطلاءات CVD SiC عند درجات حرارة ترسيب مختلفة. مع زيادة درجة حرارة الترسيب، ينخفض معدل ترسيب طلاء SiC تدريجيًا. معدل الترسيب عند 900 درجة مئوية هو 0.352 ملجم·ساعة-1/مم2، ويؤدي النمو الاتجاهي للألياف إلى أسرع معدل ترسيب. معدل ترسيب الطلاء ذو الكثافة الأعلى هو 0.179 ملجم·ساعة-1/مم2. ونظرًا لترسب بعض جزيئات SiC، فإن معدل الترسيب عند 1300 درجة مئوية هو الأدنى، فقط 0.027 ملجم·ساعة-1/مم2. الخلاصة: أفضل درجة حرارة لترسيب الأمراض القلبية الوعائية هي 1100 درجة مئوية. تعمل درجة الحرارة المنخفضة على تعزيز النمو الاتجاهي لـ SiC، بينما تؤدي درجة الحرارة المرتفعة إلى إنتاج SiC لترسب البخار ويؤدي إلى طلاء متناثر. مع زيادة درجة حرارة الترسيب، فإن معدل الترسيب طلاء CVD SiC يتناقص تدريجيا.
