Untersuchungen zur substratinduzierten Kristallisation amorpher SiC-Precursorkeramiken

Abstract

Im Rahmen dieser Doktorarbeit wurden dünne Filme von Polymethylvinylsilan und Polymethylcarbosilan aus einer Lösung heraus mit Spin-Coating auf einkristalline SiC-Substrate aufgebracht und in Schutzgasatmosphäre bei 1000 °C thermolysiert. Zur Herstellung sauerstofffreier Schichten wurde die Argonatmosphäre in der Heizkammer während der Thermolyse durch Niob zusätzlich gegettert. Die so hergestellten, dünnen (< 500 nm) amorphen Schichten wurden spektroskopisch und elektronenmikroskopisch charakterisiert. Die Schichten zeigen eine gleichmäßige Bedeckung sowie gute Haftung. Dickere Schichten können in zyklischen Verfahren durch Mehrfachbeschichtung hergestellt werden. Die Schichten, die aus Polymethylvinylsilan hergestellt werden, bestehen aus stöchiometrischen SiC, während aus der Thermolyse von Polymethylcarbosilan ein Kohlenstoffüberschuß in der SiC-Matrix resultiert. Zur Untersuchung des substratinduzierten Kristallisationsverhalten werden die dünnen, amorphen Schichten bei 1100…1600 °C in der Heizkammer ausgelagert. Die Kristallisation des SiC setzt bei Temperaturen knapp über 1000 °C ein. Es bildet sich eine nanokristalline beta-SiC-Matrix. Ab 1300 °C kann das Wachstum von epitaktischen SiC-Keimen an der Grenzfläche von Schicht und Substrat beobachtet werden. Ab 1600 °C kommt es zu einem starken Wachstumsschub der epitaktischen Körner und der polykristallinen Schicht, verbunden mit einer Zunahme der beta-alpha-SiC-Transformation. Das epitaktische Wachstum und die Polytypenänderung kann nach Untersuchungen im HR-TEM mit einem Rekristallisations-/Transformations-Mechanismus erklärt werden. Zu Vergleichszwecken werden durch Precursor-Thermolyse Pulver aus den gleichen Ausgangspolymeren hergestellt und unter verschiedenen Bedingungen ausgelagert. Die Unterschiede in der Zusammensetzung und dem Kristallisationsverhalten von so gewonnenem Siliziumkarbid-Pulvern im Vergleich zu den dünnen Siliziumkarbid-Schichten werden diskutiert.

In the scope of this thesis work, thin film of polymethylvinylsilane and polymethylcarbosilane solutions have been deposited on SiC-single crystal substrates by spin coating. The thin films were pyrolysed at 1000 °C in argon atmosphere. At 1000 °C, the oxygen partial pressure had to be less than 10-9 Pa to avoid oxidation of the film. Therefore, the pyrolysis took place in a heating chamber specially constructed for this purpose. A sufficiently low oxygen partial pressure up to 1600 °C was guranteed by the use of Niobium getter material. The film were characterized by SEM, TEM and Auger Electron Spectroscopy. On the silicon carbide substrates, 200…500 nm thick amorphous films of the composition SiC and SiC1,6 resulted from the pyrolysis of PMVS and PMCS, respectively. It was shown that the difference in the film composition was due to the different bounding of carbon in the precursor polymer. For crystallisation, the amorphous films were heated at temperatures between 1100 °C and 1600 °C for 15…600 min. The films were already full crystallized after 15 min at 1100 °C. Nanocrystallized, randomly oriented beta-SiC grains were formed. At 1300 °C, epitactical grain growth could be observed for the first time. At 1600 °C, the inset of the beta-alpha-SiC-transformation was observed. At the same temperature, the grain sizes of the epitactical grains increased strongly. The epitactical grains were rich of stacking faults and twins, but mainly composed of beta-SiC. At the interface, the epitacical grains began to transform to alpha-SiC when the heating time at 1600 °C was extended. The epitactical grain growth and the polytype transformation could be explained by a recrystallisation/transformation mechanism. Powders has been produced by pyrolysis and heat treatment of the same polymers to compare the crystal growth behaviour. The differences in composition and crystal growth of precursor derived powders and thin films have been discussed.