1. Введение
Несмотря на десятилетия исследований, гетероэпитаксиальный 3C-SiC, выращенный на кремниевых подложках, до сих пор не достиг достаточного качества кристаллов для промышленного применения в электронике. Рост обычно осуществляется на подложках Si(100) или Si(111), каждая из которых представляет собой определенные проблемы: антифазные домены для (100) и растрескивание для (111). Хотя ориентированные по направлению [111] пленки демонстрируют многообещающие характеристики, такие как снижение плотности дефектов, улучшенная морфология поверхности и меньшее напряжение, альтернативные ориентации, такие как (110) и (211), остаются недостаточно изученными. Имеющиеся данные свидетельствуют о том, что оптимальные условия роста могут зависеть от ориентации, что затрудняет систематическое исследование. Примечательно, что использование кремниевых подложек с более высокими индексами Миллера (например, (311), (510)) для гетероэпитаксии 3C-SiC никогда не сообщалось, что оставляет значительное пространство для дальнейших исследований механизмов роста, зависящих от ориентации.
2. Экспериментальный
Слои 3C-SiC были осаждены методом химического осаждения из газовой фазы при атмосферном давлении (CVD) с использованием прекурсорных газов SiH4/C3H8/H2. В качестве подложек использовались кремниевые пластины площадью 1 см² с различной ориентацией: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) и (995). Все подложки располагались вдоль оси, за исключением (100), где дополнительно были протестированы пластины со срезом под углом 2°. Предварительная очистка перед осаждением включала ультразвуковую обезжирку в метаноле. Протокол выращивания включал удаление естественного оксида путем отжига в водороде при 1000°C, за которым следовал стандартный двухэтапный процесс: карбидизация в течение 10 минут при 1165°C с использованием 12 ст.см3/мин C3H8, затем эпитаксия в течение 60 минут при 1350°C (соотношение C/Si = 4) с использованием 1,5 ст.см3/мин SiH4 и 2 ст.см3/мин C3H8. Каждый цикл выращивания включал от четырех до пяти различных ориентаций кремния, по меньшей мере с одной эталонной пластиной (100).
3. Результаты и обсуждение
Морфология слоев 3C-SiC, выращенных на различных кремниевых подложках (рис. 1), показала отчетливые особенности поверхности и шероховатость. Визуально образцы, выращенные на Si(100), (211), (311), (553) и (995), выглядели зеркально гладкими, в то время как другие имели мутный ((331), (510)) и матовый ((110), (111)) вид. Наиболее гладкие поверхности (демонстрирующие самую тонкую микроструктуру) были получены на подложках (100)2° и (995). Примечательно, что все слои оставались без трещин после охлаждения, включая обычно подверженный напряжению 3C-SiC(111). Ограниченный размер образцов, возможно, предотвратил образование трещин, хотя некоторые образцы демонстрировали изгиб (отклонение 30-60 мкм от центра к краю), обнаруживаемый под оптическим микроскопом при увеличении 1000× из-за накопленного термического напряжения. Сильно изогнутые слои, выращенные на подложках Si(111), (211) и (553), имели вогнутую форму, указывающую на растягивающее напряжение, что требует дальнейших экспериментальных и теоретических исследований для установления корреляции с кристаллографической ориентацией.
На рисунке 1 представлены результаты рентгенодифракционного анализа (XRD) и атомно-силовой микроскопии (AFM) (сканирование при 20×20 мкм2) слоев 3C-SC, выращенных на кремниевых подложках с различной ориентацией.
Изображения, полученные с помощью атомно-силовой микроскопии (АСМ) (рис. 2), подтвердили оптические наблюдения. Среднеквадратичные значения (СКЗ) подтвердили наиболее гладкие поверхности на подложках (100)2° и (995), имеющие зернистую структуру с боковыми размерами 400-800 нм. Слой, выращенный на (110), был самым шероховатым, в то время как в других ориентациях ((331), (510)) наблюдались вытянутые и/или параллельные структуры с редкими резкими границами. Рентгенодифракционные (РД) θ-2θ сканирования (суммированные в таблице 1) показали успешную гетероэпитаксию для подложек с более низким индексом Миллера, за исключением Si(110), где наблюдались смешанные пики 3C-SiC(111) и (110), указывающие на поликристалличность. Такое смешение ориентаций ранее наблюдалось для Si(110), хотя в некоторых исследованиях отмечалась эксклюзивная ориентация 3C-SiC по плоскости (111), что указывает на критическую важность оптимизации условий роста. Для индексов Миллера ≥5 ((510), (553), (995)) в стандартной конфигурации θ-2θ не было обнаружено пиков рентгеновской дифракции, поскольку эти плоскости с высокими индексами не дифрагируют в данной геометрии. Отсутствие пиков 3C-SiC с низкими индексами (например, (111), (200)) указывает на монокристаллический рост, требующий наклона образца для обнаружения дифракции от плоскостей с низкими индексами.
На рисунке 2 показан расчет угла плоскости внутри кристаллической структуры CFC.
Рассчитанные кристаллографические углы между плоскостями с высокими и низкими индексами (таблица 2) показали большие разориентации (>10°), что объясняет их отсутствие в стандартных θ-2θ сканированиях. Поэтому анализ полюсных фигур был проведен на образце с ориентацией (995) из-за его необычной зернистой морфологии (возможно, обусловленной столбчатым ростом или двойникованием) и низкой шероховатости. Полюсные фигуры (111) (рис. 3) от кремниевой подложки и слоя 3C-SiC были практически идентичны, что подтверждает эпитаксиальный рост без двойникования. Центральное пятно появилось при χ≈15°, что соответствует теоретическому углу (111)-(995). Три симметрично эквивалентных пятна появились в ожидаемых положениях (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° и 33,6°), хотя неожиданное слабое пятно при χ=62°/φ=93,3° требует дальнейшего исследования. Качество кристаллической структуры, оцененное по ширине пятна в φ-сканах, выглядит многообещающим, хотя для количественной оценки необходимы измерения кривых качания. Полюсные диаграммы для образцов (510) и (553) еще предстоит доработать, чтобы подтвердить их предполагаемую эпитаксиальную природу.
На рисунке 3 показана диаграмма пиков рентгеновской дифракции, полученная для образца с ориентацией (995), на которой отображены плоскости (111) кремниевой подложки (a) и слоя 3C-SiC (b).
4. Заключение
Гетероэпитаксиальный рост 3C-SiC был успешным на большинстве ориентаций Si, за исключением (110), где был получен поликристаллический материал. Подложки Si(100)2° с отклонением и (995) дали наиболее гладкие слои (среднеквадратичное отклонение <1 нм), в то время как (111), (211) и (553) показали значительное искривление (30-60 мкм). Для подтверждения эпитаксии на подложках с высокими индексами требуется расширенная рентгенодифракционная характеризация (например, полюсные диаграммы) из-за отсутствия пиков θ-2θ. Текущая работа включает измерения кривых качания, анализ напряжений Рамана и расширение на дополнительные ориентации с высокими индексами для завершения этого исследовательского исследования.
Компания XKH, являясь вертикально интегрированным производителем, предоставляет профессиональные услуги по индивидуальной обработке, предлагая широкий ассортимент подложек из карбида кремния, включая стандартные и специализированные типы, такие как 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P и 3C-SiC, диаметром от 2 до 12 дюймов. Наш комплексный опыт в области выращивания кристаллов, прецизионной обработки и обеспечения качества гарантирует разработку индивидуальных решений для силовой электроники, радиочастотных технологий и перспективных областей применения.
Дата публикации: 08.08.2025