Silicon carbide has been grown by a chemical vapor deposition (CVD) technique using $CH_3SiCl_3$ and $H_2$ gaseous mixture onto a graphite substrate. The thermodynamic calculation of the equilibrium mole fraction and the thermodynamic yield has been evaluated. The effect of the deposition time, deposition temperature, total system pressure, and the partial pressure of reactant gases on the deposition rate, growth characteristics, structure of deposits, and the microhardness has been studied.
The thermodynamic calculations of the equilibrium mole fractions and the thermodynamic yield show that the maximum yield is attained the deposition temperature above 1350 K and 0.01 of the $CH_3SiCl_3$ input fraction. The most important silicon and carbon bearing gas species is $SiCl_4$, $SiCl_2$ and $CH_4$.
The experimental results show that the silicon carbide deposition reaction is a thermally activated process with the deposition rate limited by surface reactions. The apparent activation energy is about 26 Kcal/mole at a system pressure of 200 torr and decreases with the increasing total system pressure. Also it can be seen that the deposition rate increases with increasing the total system pressure and the $CH_3SiCl_3$ input fraction.
Based on the thermodynamic equilibrium studies nad the experimental results, the kinetic model of the surface reaction controlled mechanism for CVD of silicon carbide has been proposed. The proposed theoretical kinetic equation of CVD of silicon carbide is agreed well with the experimental results.
In this experiment, polycrystalline β-SiC always has been deposited. The preferred orientation of the deposited silicon carbide films changes from (111) to (220) with increasing deposition temperature.
The size of the polycrystalline β-SiC grains becomes coarser as the deposition temperature, the total system pressure, the $CH_3SiCl_3$ input fraction, and the $CH_3SiCl_3$ partial pressure are increased.
The polycrystalline β-SiC have the maximum value of microhardness when the SiC films are deposited at deposition temperature between 1200℃ and 1300℃ and the total system pressure between 200 torr and 300 torr and the $CH_3SiCl_3$ input fraction of 0.005.
III-3. Si-C-Cl-H계중에 하나인 $CH_3SiCl_3-H_2$ 계에서 존재할 수 있는 화학종들을 고려하여 반응온도, $CH_3SiCl_3$ input fraction, 반응압력등을 변화시켰을 때, 열역학적 평형조성 및 수율을 계산한 결과 다음과 같이 요약할 수 있다.
1. $CH_3SiCl_3-H_2$ 계에서 다량 존재하는 화학종으로는 silicon souce로써 $SiCl_2$, $SiCl_3$, $SiCl_4$, $SiCl_3$, $SiCl_2H_2$, $SiCl_3H$ 이며 carbon source 로써 $CH_4$, $C_2H_2$, $CH_3$ 등이 있으며 이중 가장 중요하게 고려할 화학종들은 $SiCl_4$, $SiCl_2$, $CH_4$ 임을 알 수 있다.
2. $CH_3SiCl_3-H_2$계에서 열역학적 수율을 계산한 결과 반응온도가 1350 K이 상에서 99%의 일정한 값으로 최대의 수율을 나타내며, $CH_3SiCl_3$ input fraction이 0.01일때 1000 K나 1600 K 모두 최대의 수율을 보인다. 그러나 반응압력에 따라서는 거의 변화없이 일정한 수율을 나타냄을 알 수 있다.
3. 위와 같은 결과로 부터 본 연구에서는 1350 K 이상의 증착온도와 300 torr의 증착압력 그리고 $CH_3SiCl_3$ input fraction 을 0.01로 하는 실험 조건을 선택하였다.
VI-3 $CH_3SiCl_3$와 $H_2$ 혼합기체를 이용하여 graphite substrate 위에 silicon carbide를 화학증착 시킬때 반응변수들이 증착속도와 미소경도에 미치는 영향을 관찰한 결과 다음과 같이 요약 될 수 있다.
1. 1100℃와 1400℃ 사이의 온도구간에서 silicon carbide의 화학증착반응은 열활성반응인 증착표면에서의 표면반응에 의해 지배되며, 증착압력을 200 torr에서 500torr로 증가함에 따라 겉보기 활성에너지값은 26Kcal/mole에서 13Kcal/mole로 감소한다. 증착된 silicon carbide의 결정구조는 모두 cubic β-SiC였으며 저온에서는 (111)방향이 우선방위로 나타나지만 고온에서는 (220)방향이 우선방위로 나타나며 SiC 결정의 grain size는 온도가 증가됨에 따라 점점 조대해 짐을 알 수 있다.
2. 증착압력이 증가할수록 증착속도는 증가하지만 300torr이상에서는 기상에서의 homogeneous reaction으로 인해 증착속도의 증가가 완만해지고, SiC 결정의 grain size는 점점 조대해지며 커다란 homogeneous droplet이 증착 표면에서 관찰되었다. 우선방위는 증착압력에 대해서 큰 영향을 받지 않고 항상 (220) 방향만이 우선방위로 나타나고 있다. 3. $CH_3SiCl_3$ input fraction이 증가함에 따라 증착속도는 증가하지만 0.01이상에서는 증착속도의 증가가 완만해지는 경향을 보인다. $CH_3SiCl_3$ input fraction이 증가할수록 즉 반응분압이 증가할수록 증착된 SiC결정의 grain size 는 점점 조대해지며 (220) 방향만이 우선방위로 나타내 진다.
4. $CH_3SiCl_3$ 분압과 수소분압이 증착속도에 미치는 영향을 관찰한 결과 Silicon carbide의 증착반응이 증착표면에서의 표면반응에 의해 지배된다는 가정하에 제안된 이론적 증착속도식 $r = ^kovㆍαㆍP˚_{CH_3SiCl_3} \left(\frac{P_{H_2}^{˚}}{1+P_{H_2}^{˚}}$과 정성적으로 잘 일치한다.
5. 미소경도에 미치는 여러 반응변수들의 영향을 고찰해 본 결과 증착된 sili con carbide 결정의 grain size가 조대한 조건에서 미소경도는 최소값을 가진다.
