1. Úvod
Navzdory desetiletím výzkumu nedosáhl heteroepitaxní 3C-SiC pěstovaný na křemíkových substrátech dosud dostatečné krystalové kvality pro průmyslové elektronické aplikace. Růst se obvykle provádí na substrátech Si(100) nebo Si(111), přičemž každý z nich představuje specifické problémy: antifázové domény pro (100) a praskání pro (111). Zatímco filmy s orientací [111] vykazují slibné vlastnosti, jako je snížená hustota defektů, zlepšená povrchová morfologie a nižší napětí, alternativní orientace, jako jsou (110) a (211), zůstávají nedostatečně prozkoumané. Stávající data naznačují, že optimální podmínky růstu mohou být specifické pro orientaci, což komplikuje systematický výzkum. Zejména použití Si substrátů s vyšším Millerovým indexem (např. (311), (510)) pro heteroepitaxi 3C-SiC nebylo dosud popsáno, což ponechává značný prostor pro průzkumný výzkum mechanismů růstu závislých na orientaci.
2. Experimentální
Vrstvy 3C-SiC byly naneseny metodou chemické depozice z plynné fáze (CVD) za atmosférického tlaku za použití prekurzorových plynů SiH4/C3H8/H2. Substráty byly tvořeny křemíkovými destičkami o velikosti 1 cm² s různou orientací: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) a (995). Všechny substráty byly naneseny na osu s výjimkou (100), kde byly dodatečně testovány odřezané destičky o úhlu 2°. Čištění před růstem zahrnovalo ultrazvukové odmašťování v methanolu. Růstový protokol zahrnoval odstranění nativního oxidu žíháním H2 při 1000 °C, následované standardním dvoustupňovým procesem: nauhličování po dobu 10 minut při 1165 °C s 12 sccm C3H8 a následná epitaxe po dobu 60 minut při 1350 °C (poměr C/Si = 4) s použitím 1,5 sccm SiH4 a 2 sccm C3H8. Každý růstový cyklus zahrnoval čtyři až pět různých orientací Si s alespoň jednou (100) referenční destičkou.
3. Výsledky a diskuse
Morfologie vrstev 3C-SiC nanesených na různých křemíkových substrátech (obr. 1) vykazovala zřetelné povrchové vlastnosti a drsnost. Vizuálně se vzorky nanesené na Si(100), (211), (311), (553) a (995) jevily zrcadlově, zatímco jiné se pohybovaly od mléčného ((331), (510)) až po matný ((110), (111)). Nejhladší povrchy (s nejjemnější mikrostrukturou) byly získány na substrátech (100)2° off a (995). Je pozoruhodné, že všechny vrstvy zůstaly po ochlazení bez trhlin, včetně typicky náchylného 3C-SiC(111). Omezená velikost vzorku mohla zabránit vzniku trhlin, ačkoli některé vzorky vykazovaly prohnutí (ohyb 30-60 μm od středu k okraji) detekovatelné pod optickou mikroskopií při 1000násobném zvětšení v důsledku nahromaděného tepelného napětí. Vysoce prohnuté vrstvy pěstované na substrátech Si(111), (211) a (553) vykazovaly konkávní tvary, což naznačuje tahové napětí, což vyžaduje další experimentální a teoretické studium pro korelaci s krystalografickou orientací.
Obrázek 1 shrnuje výsledky XRD a AFM (skenování při 20×20 μ m2) vrstev 3C-SC pěstovaných na křemíkových substrátech s různou orientací.
Snímky z mikroskopie atomárních sil (AFM) (obr. 2) potvrdily optická pozorování. Hodnoty efektivní odchylky (RMS) potvrdily nejhladší povrchy na substrátech s orientací (100)2° a (995), které se vyznačovaly zrnitými strukturami s laterálními rozměry 400-800 nm. Vrstva vypěstovaná v orientaci (110) byla nejhrubší, zatímco v jiných orientacích ((331), (510)) se objevily protáhlé a/nebo rovnoběžné prvky s občasnými ostrými hranicemi. Skeny rentgenové difrakce (XRD) θ-2θ (shrnuty v tabulce 1) odhalily úspěšnou heteroepitaxi u substrátů s nižším Millerovým indexem, s výjimkou Si(110), který vykazoval smíšené píky 3C-SiC(111) a (110) indikující polykrystalinitu. Toto míchání orientací bylo dříve popsáno pro Si(110), ačkoli některé studie pozorovaly výhradně 3C-SiC orientovaný v orientaci (111), což naznačuje, že optimalizace podmínek růstu je kritická. Pro Millerovy indexy ≥5 ((510), (553), (995)) nebyly ve standardní konfiguraci θ-2θ detekovány žádné píky XRD, protože tyto roviny s vysokým indexem v této geometrii nedifraktují. Absence píků 3C-SiC s nízkým indexem (např. (111), (200)) naznačuje růst monokrystalů, což vyžaduje naklápění vzorku pro detekci difrakce od rovin s nízkým indexem.
Obrázek 2 ukazuje výpočet úhlu roviny v krystalové struktuře CFC.
Vypočítané krystalografické úhly mezi rovinami s vysokým a nízkým indexem (tabulka 2) ukázaly velké dezorientace (>10°), což vysvětluje jejich absenci ve standardních θ-2θ skenech. Analýza pólových obrazců byla proto provedena na vzorku s orientací (995) kvůli jeho neobvyklé granulární morfologii (potenciálně v důsledku sloupcového růstu nebo dvojčatování) a nízké drsnosti. Pólové obrazce (111) (obr. 3) z křemíkového substrátu a vrstvy 3C-SiC byly téměř identické, což potvrzuje epitaxní růst bez dvojčatování. Centrální skvrna se objevila při χ≈15°, což odpovídá teoretickému úhlu (111)-(995). V očekávaných polohách (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° a 33,6°) se objevily tři symetricky ekvivalentní skvrny, ačkoli nepředvídané slabé místo při χ=62°/φ=93,3° vyžaduje další zkoumání. Krystalická kvalita, hodnocená pomocí šířky skvrny na φ-skenech, se jeví slibně, ačkoli pro kvantifikaci jsou zapotřebí měření křivky kývání. Pólové obrazce pro vzorky (510) a (553) je třeba ještě dokončit, aby se potvrdila jejich předpokládaná epitaxní povaha.
Obrázek 3 ukazuje diagram píků XRD zaznamenaný na vzorku s orientací (995), který zobrazuje roviny (111) křemíkového substrátu (a) a vrstvu 3C-SiC (b).
4. Závěr
Heteroepitaxní růst 3C-SiC byl úspěšný na většině orientací Si s výjimkou (110), kde vznikl polykrystalický materiál. Substráty Si(100)2° off a (995) vytvořily nejhladší vrstvy (RMS <1 nm), zatímco (111), (211) a (553) vykazovaly výrazné prohnutí (30-60 μm). Substráty s vysokým indexem lomu vyžadují pokročilou rentgenovou difrakci (např. pólové obrazce) pro potvrzení epitaxe v důsledku absence vrcholů θ-2θ. Probíhající práce zahrnují měření kývavé křivky, Ramanovu analýzu napětí a rozšíření o další orientace s vysokým indexem lomu pro dokončení této průzkumné studie.
Jako vertikálně integrovaný výrobce poskytuje společnost XKH profesionální zakázkové obráběcí služby s komplexním portfoliem substrátů z karbidu křemíku, včetně standardních i specializovaných typů včetně 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P a 3C-SiC, dostupných v průměrech od 2 palců do 12 palců. Naše komplexní odborné znalosti v oblasti růstu krystalů, přesného obrábění a zajištění kvality zajišťují řešení na míru pro výkonovou elektroniku, rádiové technologie a nově vznikající aplikace.
Čas zveřejnění: 8. srpna 2025