1. Úvod
Napriek desaťročiam výskumu, heteroepitaxný 3C-SiC pestovaný na kremíkových substrátoch zatiaľ nedosiahol dostatočnú kryštálovú kvalitu pre priemyselné elektronické aplikácie. Rast sa typicky vykonáva na substrátoch Si(100) alebo Si(111), pričom každý z nich predstavuje odlišné výzvy: antifázové domény pre (100) a praskanie pre (111). Zatiaľ čo filmy s orientáciou [111] vykazujú sľubné vlastnosti, ako je znížená hustota defektov, zlepšená povrchová morfológia a nižšie napätie, alternatívne orientácie ako (110) a (211) zostávajú nedostatočne preskúmané. Existujúce údaje naznačujú, že optimálne podmienky rastu môžu byť špecifické pre orientáciu, čo komplikuje systematický výskum. Je pozoruhodné, že použitie Si substrátov s vyšším Millerovým indexom (napr. (311), (510)) pre heteroepitaxiu 3C-SiC nebolo nikdy publikované, čo ponecháva značný priestor pre prieskumný výskum mechanizmov rastu závislých od orientácie.
2. Experimentálne
Vrstvy 3C-SiC boli nanesené chemickou depozíciou z pár (CVD) za atmosférického tlaku s použitím prekurzorových plynov SiH4/C3H8/H2. Substráty boli 1 cm² Si doštičky s rôznou orientáciou: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) a (995). Všetky substráty boli na osi okrem (100), kde boli dodatočne testované 2° odrezané doštičky. Predrastové čistenie zahŕňalo ultrazvukové odmasťovanie v metanole. Rastový protokol zahŕňal odstránenie natívneho oxidu žíhaním H2 pri teplote 1000 °C, po ktorom nasledoval štandardný dvojkrokový proces: nauhličovanie počas 10 minút pri teplote 1165 °C s 12 sccm C3H8, potom epitaxia počas 60 minút pri teplote 1350 °C (pomer C/Si = 4) s použitím 1,5 sccm SiH4 a 2 sccm C3H8. Každý rastový cyklus zahŕňal štyri až päť rôznych orientácií Si s aspoň jednou (100) referenčnou doštičkou.
3. Výsledky a diskusia
Morfológia vrstiev 3C-SiC vypestovaných na rôznych Si substrátoch (obr. 1) vykazovala zreteľné povrchové vlastnosti a drsnosť. Vizuálne sa vzorky vypestované na Si(100), (211), (311), (553) a (995) javili ako zrkadlo, zatiaľ čo iné mali odtieň od mliečneho ((331), (510)) až po matný ((110), (111)). Najhladšie povrchy (s najjemnejšou mikroštruktúrou) boli získané na substrátoch (100)2° off a (995). Je pozoruhodné, že všetky vrstvy zostali po ochladení bez trhlín, vrátane typicky na napätie náchylného 3C-SiC(111). Obmedzená veľkosť vzorky mohla zabrániť praskaniu, hoci niektoré vzorky vykazovali prehnutie (ohyb 30 – 60 μm od stredu k okraju), ktoré bolo možné zistiť pod optickou mikroskopiou pri 1000-násobnom zväčšení v dôsledku nahromadeného tepelného napätia. Vysoko prehnuté vrstvy vypestované na substrátoch Si(111), (211) a (553) vykazovali konkávne tvary, ktoré naznačujú ťahové napätie, čo si vyžaduje ďalší experimentálny a teoretický výskum na koreláciu s kryštalografickou orientáciou.
Obrázok 1 sumarizuje výsledky XRD a AFM (skenovanie pri 20 × 20 μ m2) vrstiev 3C-SC vypestovaných na Si substrátoch s rôznou orientáciou.
Snímky z atómovej silovej mikroskopie (AFM) (obr. 2) potvrdili optické pozorovania. Hodnoty strednej kvadratickej odchýlky (RMS) potvrdili najhladšie povrchy na substrátoch s orientáciou (100)2° a (995), ktoré sa vyznačovali zrnitými štruktúrami s bočnými rozmermi 400 – 800 nm. Vrstva vypestovaná v orientácii (110) bola najdrsnejšia, zatiaľ čo v iných orientáciách ((331), (510)) sa objavili predĺžené a/alebo rovnobežné prvky s občasnými ostrými hranicami. Skeny θ-2θ získané pomocou röntgenovej difrakcie (XRD) (zhrnuté v tabuľke 1) odhalili úspešnú heteroepitaxiu pre substráty s nižším Millerovým indexom, s výnimkou Si(110), ktorý vykazoval zmiešané píky 3C-SiC(111) a (110), čo naznačuje polykryštalinitu. Toto miešanie orientácií bolo predtým hlásené pre Si(110), hoci niektoré štúdie pozorovali výlučne 3C-SiC orientovaný v orientácii (111), čo naznačuje, že optimalizácia podmienok rastu je kritická. Pre Millerove indexy ≥5 ((510), (553), (995)) neboli v štandardnej konfigurácii θ-2θ zistené žiadne píky XRD, pretože tieto roviny s vysokým indexom v tejto geometrii nedifrakujú. Absencia píkov 3C-SiC s nízkym indexom (napr. (111), (200)) naznačuje rast monokryštálov, čo si vyžaduje naklonenie vzorky na detekciu difrakcie od rovín s nízkym indexom.
Obrázok 2 znázorňuje výpočet uhla roviny v kryštálovej štruktúre CFC.
Vypočítané kryštalografické uhly medzi rovinami s vysokým a nízkym indexom prevrátenia (Tabuľka 2) ukázali veľké dezorientácie (> 10°), čo vysvetľuje ich absenciu v štandardných θ-2θ skenoch. Analýza pólových obrazcov bola preto vykonaná na vzorke s orientáciou (995) kvôli jej nezvyčajnej granulárnej morfológii (potenciálne v dôsledku stĺpcového rastu alebo dvojčania) a nízkej drsnosti. Pólové obrazce (111) (Obr. 3) zo substrátu Si a vrstvy 3C-SiC boli takmer identické, čo potvrdzuje epitaxný rast bez dvojčania. Centrálna škvrna sa objavila pri χ≈15°, čo zodpovedá teoretickému uhlu (111)-(995). Tri symetricky ekvivalentné škvrny sa objavili v očakávaných polohách (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° a 33,6°), hoci nepredvídané slabé miesto pri χ=62°/φ=93,3° si vyžaduje ďalšie skúmanie. Kryštalická kvalita, hodnotená pomocou šírky škvŕn na φ-skenoch, sa javí ako sľubná, hoci na kvantifikáciu sú potrebné merania krivky kývania. Pólové obrazce pre vzorky (510) a (553) je ešte potrebné dokončiť, aby sa potvrdila ich predpokladaná epitaxná povaha.
Obrázok 3 zobrazuje diagram píkov XRD zaznamenaný na vzorke s orientáciou (995), ktorý zobrazuje roviny (111) Si substrátu (a) a vrstvu 3C-SiC (b).
4. Záver
Heteroepitaxný rast 3C-SiC bol úspešný na väčšine orientácií Si okrem (110), ktorá poskytla polykryštalický materiál. Substráty Si(100)2° off a (995) vytvorili najhladšie vrstvy (RMS <1 nm), zatiaľ čo (111), (211) a (553) vykazovali výrazné prehnutie (30-60 μm). Substráty s vysokým indexom lomu vyžadujú pokročilú XRD charakterizáciu (napr. pólové obrazce) na potvrdenie epitaxie v dôsledku absencie píkov θ-2θ. Prebiehajúce práce zahŕňajú merania krivky kývania, Ramanovu analýzu napätia a rozšírenie o ďalšie orientácie s vysokým indexom lomu na dokončenie tejto prieskumnej štúdie.
Ako vertikálne integrovaný výrobca poskytuje spoločnosť XKH profesionálne služby spracovania na mieru s komplexným portfóliom substrátov z karbidu kremíka, pričom ponúka štandardné aj špecializované typy vrátane 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P a 3C-SiC, dostupné v priemeroch od 2 do 12 palcov. Naše komplexné odborné znalosti v oblasti rastu kryštálov, presného obrábania a zabezpečenia kvality zaručujú riešenia na mieru pre výkonovú elektroniku, rádiofrekvenčné technológie a nové aplikácie.
Čas uverejnenia: 8. augusta 2025