1. บทนำ
แม้จะมีการวิจัยมาหลายทศวรรษ แต่ 3C-SiC แบบเฮเทอโรอีพิแทกเซียลที่ปลูกบนแผ่นรองรับซิลิกอนก็ยังไม่บรรลุคุณภาพผลึกที่เพียงพอสำหรับการใช้งานอิเล็กทรอนิกส์อุตสาหกรรม โดยทั่วไปการเจริญเติบโตจะเกิดขึ้นบนแผ่นรองรับ Si(100) หรือ Si(111) ซึ่งแต่ละแผ่นมีความท้าทายที่แตกต่างกัน ได้แก่ โดเมนแอนติเฟสสำหรับ (100) และการแตกร้าวสำหรับ (111) แม้ว่าฟิล์มที่วางตัว [111] จะมีคุณสมบัติที่น่าสนใจ เช่น ความหนาแน่นของรอยตำหนิที่ลดลง สัณฐานวิทยาพื้นผิวที่ดีขึ้น และความเค้นที่ลดลง แต่การวางตัวแบบอื่นเช่น (110) และ (211) ยังคงไม่ได้รับการศึกษาอย่างเพียงพอ ข้อมูลที่มีอยู่ชี้ให้เห็นว่าสภาวะการเจริญเติบโตที่เหมาะสมที่สุดอาจจำเพาะกับการวางตัว ซึ่งทำให้การตรวจสอบอย่างเป็นระบบมีความซับซ้อน โดยเฉพาะอย่างยิ่ง การใช้แผ่นรองรับ Si ที่มีดัชนีมิลเลอร์สูง (เช่น (311), (510)) สำหรับเฮเทอโรอีพิแทกเซียล 3C-SiC ยังไม่เคยมีรายงานมาก่อน ทำให้ยังมีช่องว่างอีกมากสำหรับการวิจัยเชิงสำรวจเกี่ยวกับกลไกการเจริญเติบโตที่ขึ้นอยู่กับการวางตัว
2. การทดลอง
ชั้น 3C-SiC ถูกสะสมโดยการสะสมไอเคมี (CVD) ที่ความดันบรรยากาศโดยใช้ก๊าซตั้งต้น SiH4/C3H8/H2 แผ่นรองรับเป็นแผ่นเวเฟอร์ Si ขนาด 1 ตารางเซนติเมตร ที่มีทิศทางการวางตัวต่างๆ ได้แก่ (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) และ (995 แผ่นรองรับทั้งหมดวางตัวบนแกน ยกเว้น (100) ซึ่งมีการทดสอบแผ่นเวเฟอร์ที่ตัดแล้ว 2° เพิ่มเติม การทำความสะอาดก่อนการเจริญเติบโตเกี่ยวข้องกับการล้างไขมันด้วยคลื่นอัลตราโซนิกในเมทานอล โปรโตคอลการเจริญเติบโตประกอบด้วยการกำจัดออกไซด์ดั้งเดิมผ่านการอบอ่อนด้วย H2 ที่อุณหภูมิ 1,000°C ตามด้วยกระบวนการมาตรฐานสองขั้นตอน ได้แก่ คาร์บูไรเซชันเป็นเวลา 10 นาทีที่อุณหภูมิ 1,165°C ด้วย C3H8 12 sccm จากนั้นจึงทำอิพิแทกซีเป็นเวลา 60 นาทีที่อุณหภูมิ 1,350°C (อัตราส่วน C/Si = 4) โดยใช้ SiH4 1.5 sccm และ C3H8 2 sccm การเจริญเติบโตแต่ละครั้งประกอบด้วยการวางแนว Si ที่แตกต่างกันสี่ถึงห้าแบบ โดยมีเวเฟอร์อ้างอิงอย่างน้อยหนึ่ง (100) แผ่น
3. ผลการศึกษาและการอภิปราย
สัณฐานวิทยาของชั้น 3C-SiC ที่ปลูกบนวัสดุรองรับ Si หลายชนิด (รูปที่ 1) แสดงให้เห็นถึงลักษณะพื้นผิวและความหยาบที่แตกต่างกัน เมื่อมองด้วยตาเปล่า ตัวอย่างที่ปลูกบน Si(100), (211), (311), (553) และ (995) มีลักษณะพื้นผิวคล้ายกระจก ในขณะที่ตัวอย่างอื่นๆ มีตั้งแต่สีขาวขุ่น ((331), (510)) ไปจนถึงสีด้าน ((110), (111)) พื้นผิวที่เรียบที่สุด (แสดงโครงสร้างจุลภาคที่ละเอียดที่สุด) พบบนวัสดุรองรับ (100) 2° และ (995) ที่น่าทึ่งคือ ชั้นทั้งหมดยังคงไม่มีรอยแตกร้าวหลังจากการเย็นตัวลง รวมถึง 3C-SiC(111) ซึ่งโดยทั่วไปมักเกิดความเค้นได้ง่าย ขนาดตัวอย่างที่จำกัดอาจช่วยป้องกันรอยแตกร้าวได้ แม้ว่าบางตัวอย่างจะพบการโก่งตัว (การเบี่ยงเบน 30-60 ไมโครเมตรจากจุดศูนย์กลางไปยังขอบ) ซึ่งตรวจพบได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบออปติคัลที่กำลังขยาย 1000 เท่า เนื่องจากความเค้นความร้อนสะสม ชั้นที่โค้งงอสูงที่ปลูกบนพื้นผิว Si(111), (211) และ (553) แสดงรูปร่างเว้าซึ่งบ่งบอกถึงความเครียดดึง จำเป็นต้องมีการทดลองและการทำงานทางทฤษฎีเพิ่มเติมเพื่อเชื่อมโยงกับการวางแนวผลึกศาสตร์
รูปที่ 1 สรุปผลการสแกน XRD และ AFM (การสแกนที่ 20×20 μ m2) ของชั้น 3C-SC ที่ปลูกบนพื้นผิว Si ที่มีการวางแนวต่างกัน
ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) (รูปที่ 2) ยืนยันผลการตรวจทางแสง ค่ารากที่สองเฉลี่ยกำลังสอง (RMS) ยืนยันพื้นผิวที่เรียบที่สุดบนวัสดุรองรับ (100) 2° และ (995) ซึ่งมีโครงสร้างคล้ายเมล็ดพืชที่มีขนาดด้านข้าง 400-800 นาโนเมตร ชั้นที่ปลูก (110) มีความขรุขระที่สุด ในขณะที่ลักษณะที่ยาวและ/หรือขนานกันซึ่งมีขอบคมเป็นครั้งคราวปรากฏในทิศทางอื่นๆ ((331), (510)) การสแกน θ-2θ ของการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) (สรุปในตารางที่ 1) แสดงให้เห็นว่าเฮเทอโรอิพิแทกซีประสบความสำเร็จสำหรับวัสดุรองรับที่มีดัชนีมิลเลอร์ต่ำกว่า ยกเว้น Si(110) ซึ่งแสดงพีคผสมของ 3C-SiC(111) และ (110) ซึ่งบ่งชี้ถึงภาวะผลึกหลายชั้น การผสมแนวนี้เคยมีรายงานไว้ก่อนหน้านี้สำหรับ Si(110) แม้ว่าบางการศึกษาจะสังเกตเห็น 3C-SiC ที่มีการวางแนว (111) เฉพาะ ซึ่งชี้ให้เห็นว่าการปรับสภาพการเจริญเติบโตให้เหมาะสมเป็นสิ่งสำคัญ สำหรับดัชนีมิลเลอร์ ≥5 ((510), (553), (995)) ไม่พบพีค XRD ในโครงร่าง θ-2θ มาตรฐาน เนื่องจากระนาบดัชนีสูงเหล่านี้ไม่เกิดการเลี้ยวเบนในรูปทรงเรขาคณิตนี้ การไม่มีพีค 3C-SiC ที่มีดัชนีต่ำ (เช่น (111), (200)) บ่งชี้ว่าการเจริญเติบโตเป็นผลึกเดี่ยว ซึ่งต้องใช้การเอียงตัวอย่างเพื่อตรวจจับการเลี้ยวเบนจากระนาบดัชนีต่ำ
รูปที่ 2 แสดงการคำนวณมุมระนาบภายในโครงสร้างผลึก CFC
มุมผลึกศาสตร์ที่คำนวณได้ระหว่างระนาบดัชนีสูงและระนาบดัชนีต่ำ (ตารางที่ 2) แสดงให้เห็นการเรียงตัวที่คลาดเคลื่อนอย่างมาก (>10°) ซึ่งอธิบายการไม่มีอยู่ในการสแกน θ-2θ มาตรฐาน ดังนั้นจึงมีการวิเคราะห์รูปขั้วในตัวอย่างที่มีการวางแนว (995) เนื่องจากลักษณะทางสัณฐานวิทยาของเม็ดที่ผิดปกติ (อาจเกิดจากการเติบโตแบบคอลัมน์หรือการจับคู่) และความหยาบต่ำ รูปขั้ว (111) (รูปที่ 3) จากซับสเตรต Si และชั้น 3C-SiC เกือบจะเหมือนกัน ซึ่งยืนยันการเจริญเติบโตแบบเอพิแทกเซียลโดยไม่มีการจับคู่ จุดกึ่งกลางปรากฏที่ χ≈15° ซึ่งตรงกับมุมเชิงทฤษฎี (111)-(995) พบจุดสมมาตรสมมูลสามจุดที่ตำแหน่งที่คาดการณ์ไว้ (χ=56.2°/φ=269.4°, χ=79°/φ=146.7° และ 33.6°) แม้ว่าจุดอ่อนที่คาดการณ์ไว้ที่ χ=62°/φ=93.3° จะต้องได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติม คุณภาพของผลึกที่ประเมินผ่านความกว้างของจุดในการสแกน φ ดูเหมือนจะมีแนวโน้มที่ดี แม้ว่าการวัดเส้นโค้งการโยกตัวจะเป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการวัดปริมาณ ตัวเลขขั้วสำหรับตัวอย่าง (510) และ (553) ยังคงต้องดำเนินการให้เสร็จสมบูรณ์เพื่อยืนยันลักษณะเอพิแทกเซียลที่คาดการณ์ไว้
รูปที่ 3 แสดงไดอะแกรมพีค XRD ที่บันทึกไว้ในตัวอย่างที่วางแนว (995) ซึ่งแสดงระนาบ (111) ของซับสเตรต Si (a) และชั้น 3C-SiC (b)
4. บทสรุป
การเจริญเติบโตของ 3C-SiC แบบเฮเทอโรอีพิแทกเซียลประสบความสำเร็จในการวางตัวของ Si ส่วนใหญ่ ยกเว้น (110) ซึ่งให้วัสดุโพลีคริสตัลไลน์ ซับสเตรต Si(100)2° off และ (995) ให้ชั้นที่เรียบที่สุด (RMS <1 นาโนเมตร) ในขณะที่ (111), (211) และ (553) แสดงการโค้งงออย่างมีนัยสำคัญ (30-60 ไมโครเมตร) ซับสเตรตดัชนีสูงจำเป็นต้องมีการจำแนกลักษณะด้วย XRD ขั้นสูง (เช่น ตัวเลขขั้ว) เพื่อยืนยันการเกิดเอพิแทกซีเนื่องจากไม่มีพีค θ-2θ งานที่กำลังดำเนินการอยู่ประกอบด้วยการวัดเส้นโค้งการโยก การวิเคราะห์ความเค้นรามาน และการขยายไปยังการวางตัวของดัชนีสูงเพิ่มเติม เพื่อทำให้การศึกษาเชิงสำรวจนี้เสร็จสมบูรณ์
ในฐานะผู้ผลิตที่บูรณาการในแนวตั้ง XKH ให้บริการแปรรูปแบบมืออาชีพตามความต้องการ ด้วยผลิตภัณฑ์ซับสเตรตซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ครอบคลุม มีทั้งแบบมาตรฐานและแบบเฉพาะทาง ได้แก่ 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P และ 3C-SiC มีให้เลือกตั้งแต่เส้นผ่านศูนย์กลาง 2 นิ้วถึง 12 นิ้ว ความเชี่ยวชาญแบบครบวงจรของเราในด้านการเจริญเติบโตของผลึก การตัดเฉือนที่แม่นยำ และการรับประกันคุณภาพ ช่วยให้มั่นใจได้ว่าเรามีโซลูชันที่ปรับแต่งได้ตามความต้องการสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง RF และการใช้งานใหม่ๆ
เวลาโพสต์: 8 ส.ค. 2568