1. מבוא
למרות עשרות שנים של מחקר, 3C-SiC הטרו-אפיטקסיאלי שגודל על מצעי סיליקון טרם השיג איכות גבישית מספקת עבור יישומים אלקטרוניים תעשייתיים. הגידול מתבצע בדרך כלל על מצעי Si(100) או Si(111), שכל אחד מהם מציג אתגרים שונים: דומיינים אנטי-פאזיים עבור (100) וסדקים עבור (111). בעוד שסרטים בעלי אוריינטציה של [111] מציגים מאפיינים מבטיחים כגון צפיפות פגמים מופחתת, מורפולוגיה משופרת של פני השטח ומאמץ נמוך יותר, אוריינטציות חלופיות כמו (110) ו-(211) נותרו לא נחקרו מספיק. נתונים קיימים מצביעים על כך שתנאי גידול אופטימליים עשויים להיות ספציפיים לאוריינטציה, מה שמסבך מחקר שיטתי. ראוי לציין כי השימוש במצעי Si בעלי אינדקס מילר גבוה יותר (למשל, (311), (510)) עבור הטרו-אפיטקסיה של 3C-SiC מעולם לא דווח, מה שמותיר מקום משמעותי למחקר חקרני על מנגנוני גידול תלויי אוריינטציה.
2. ניסיוני
שכבות ה-3C-SiC הופקדו באמצעות שיקוע אדים כימי בלחץ אטמוספרי (CVD) תוך שימוש בגזי קדם SiH4/C3H8/H2. הסובסטרטים היו פרוסות סיליקון בגודל 1 סמ"ר עם אוריינטציות שונות: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) ו-(995). כל הסובסטרטים היו על הציר למעט (100), שם נבדקו בנוסף פרוסות חתוכים בזווית 2°. ניקוי טרום-גידול כלל הסרת שומנים באולטרסאונד במתנול. פרוטוקול הגידול כלל הסרת תחמוצת טבעית באמצעות חישול H2 ב-1000°C, ולאחר מכן תהליך סטנדרטי בן שני שלבים: קרבוריזציה במשך 10 דקות ב-1165°C עם 12 sccm C3H8, ולאחר מכן אפיטקסיה במשך 60 דקות ב-1350°C (יחס C/Si = 4) תוך שימוש ב-1.5 sccm SiH4 ו-2 sccm C3H8. כל ריצת גידול כללה ארבעה עד חמישה אוריינטציות שונות של סיליקון, עם לפחות פרוסת ייחוס אחת (100).
3. תוצאות ודיון
המורפולוגיה של שכבות 3C-SiC שגודלו על מצעי Si שונים (איור 1) הראתה מאפייני פני שטח וחספוס ברורים. מבחינה ויזואלית, דגימות שגודלו על Si(100), (211), (311), (553) ו-(995) נראו דמויות מראה, בעוד שאחרות נעו בין חלביות ((331), (510)) לעמומות ((110), (111)). המשטחים החלקים ביותר (המציגים את המיקרו-מבנה הטוב ביותר) התקבלו על מצעים (100)2° off ו-(995). באופן מפתיע, כל השכבות נותרו ללא סדקים לאחר הקירור, כולל 3C-SiC(111) המועד בדרך כלל למאמצים. גודל הדגימה המוגבל אולי מנע סדקים, אם כי חלק מהדגימות הציגו כיפוף (סטייה של 30-60 מיקרומטר מהמרכז לקצה) שניתן לזהותו תחת מיקרוסקופיה אופטית בהגדלה של ×1000 עקב מאמצים תרמיים מצטברים. שכבות בעלות עקומות גבוהות שגודלו על מצעים של Si(111), (211) ו-(553) הציגו צורות קעורות המצביעות על מאמץ מתיחה, מה שדרש עבודה ניסיונית ותיאורטית נוספת כדי לתאם את האוריינטציה הקריסטלוגרפית.
איור 1 מסכם את תוצאות ה-XRD וה-AFM (סריקה בגודל 20×20 מיקרומטר רבוע) של שכבות 3C-SC שגודלו על מצעי Si בעלי אוריינטציות שונות.
תמונות מיקרוסקופיית כוח אטומי (AFM) (איור 2) אישרו תצפיות אופטיות. ערכי שורש ממוצע הריבועים (RMS) אישרו את המשטחים החלקים ביותר על מצעים (100)2° off ו-(995), הכוללים מבנים דמויי גרגירים עם ממדים רוחביים של 400-800 ננומטר. השכבה שגודלה על ידי (110) הייתה המחוספסת ביותר, בעוד שמאפיינים מוארכים ו/או מקבילים עם גבולות חדים מדי פעם הופיעו בכיוונים אחרים ((331), (510)). סריקות דיפרקציית קרני רנטגן (XRD) θ-2θ (מסוכמות בטבלה 1) חשפו הטרואפיטקסיה מוצלחת עבור מצעים בעלי אינדקס מילר נמוך, למעט Si(110) שהראה פיקים מעורבים של 3C-SiC(111) ו-(110) המצביעים על פוליקריסטליניות. ערבוב אוריינטציות זה דווח בעבר עבור Si(110), אם כי כמה מחקרים הבחינו בלעדית ב-3C-SiC בעל אוריינטציה (111), דבר המצביע על כך שאופטימיזציה של תנאי גידול היא קריטית. עבור מדדי מילר ≥5 ((510), (553), (995)), לא זוהו שיאי XRD בתצורת θ-2θ סטנדרטית מכיוון שמישורים בעלי אינדקס גבוה אלה אינם יוצרים דיפרקציה בגיאומטריה זו. היעדר שיאי 3C-SiC בעלי אינדקס נמוך (למשל, (111), (200)) מצביע על צמיחה גבישית יחידה, הדורשת הטיה של הדגימה כדי לזהות דיפרקציה ממישורים בעלי אינדקס נמוך.
איור 2 מציג את חישוב זווית המישור בתוך מבנה גביש CFC.
הזוויות הקריסטלוגרפיות המחושבות בין מישורים בעלי אינדקס גבוה ונמוך (טבלה 2) הראו חוסר אוריינטציה גדול (>10°), דבר המסביר את היעדרם בסריקות θ-2θ סטנדרטיות. לכן, נערך ניתוח צורת הקוטב על הדגימה בעלת אוריינטציה (995) עקב המורפולוגיה הגרגירית יוצאת הדופן שלה (ייתכן שמקורה בצמיחה עמודית או תאומות) וחספוס נמוך. צורות הקוטב (111) (איור 3) ממצע ה-Si ומשכבת 3C-SiC היו כמעט זהות, מה שמאשר צמיחה אפיטקסיאלית ללא תאומות. הנקודה המרכזית הופיעה ב-χ≈15°, ותואמת את הזווית התאורטית (111)-(995). שלושה כתמים שווי ערך לסימטריה הופיעו במיקומים הצפויים (χ=56.2°/φ=269.4°, χ=79°/φ=146.7° ו-33.6°), אם כי נקודת תורפה בלתי צפויה ב-χ=62°/φ=93.3° דורשת חקירה נוספת. איכות הגביש, שהוערכה באמצעות רוחב נקודה בסריקות φ, נראית מבטיחה, אם כי נדרשות מדידות של עקומת הנדנדה לצורך כימות. נתוני הקוטב עבור דגימות (510) ו-(553) נותרו להשלים כדי לאשר את אופיין האפיטקסיאלי המשוער.
איור 3 מציג את דיאגרמת שיא ה-XRD שנרשמה על הדגימה בעלת אוריינטציה (995), המציגה את מישורי (111) של מצע ה-Si (a) ושכבת ה-3C-SiC (b).
4. סיכום
גידול הטרואפיפיטקסיאלי של 3C-SiC הצליח ברוב אוריינטציות ה-Si למעט (110), אשר הניב חומר רב-גבישי. מצעים מסוג Si(100)2° off ו-(995) ייצרו את השכבות החלקות ביותר (RMS <1 ננומטר), בעוד ש-(111), (211) ו-(553) הראו כיפוף משמעותי (30-60 מיקרומטר). מצעים בעלי אינדקס גבוה דורשים אפיון XRD מתקדם (למשל, דמויות קוטביות) כדי לאשר אפיטקסיה עקב היעדר שיאי θ-2θ. עבודה מתמשכת כוללת מדידות של עקומת הנדנוד, ניתוח מאמץ ראמאן והרחבה לאוריינטציות נוספות בעלות אינדקס גבוה כדי להשלים מחקר גישור זה.
כיצרנית משולבת אנכית, XKH מספקת שירותי עיבוד מקצועיים מותאמים אישית עם מגוון מקיף של מצעי סיליקון קרביד, המציעים סוגים סטנדרטיים ומיוחדים, כולל 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P ו-3C-SiC, הזמינים בקטרים של 2 אינץ' עד 12 אינץ'. המומחיות שלנו מקצה לקצה בגידול גבישים, עיבוד שבבי מדויק ואבטחת איכות מבטיחה פתרונות מותאמים אישית עבור אלקטרוניקת הספק, RF ויישומים מתפתחים.
זמן פרסום: 8 באוגוסט 2025