1. บทนำ
แม้ว่าจะมีการวิจัยมานานหลายทศวรรษแล้ว แต่การปลูกผลึก 3C-SiC แบบเฮเทอโรเอพิแท็กเซียลบนพื้นผิวซิลิคอนก็ยังไม่สามารถบรรลุคุณภาพผลึกที่เพียงพอสำหรับการใช้งานทางอิเล็กทรอนิกส์ในอุตสาหกรรมได้ โดยทั่วไปการปลูกจะทำบนพื้นผิว Si(100) หรือ Si(111) ซึ่งแต่ละพื้นผิวมีปัญหาที่แตกต่างกันออกไป เช่น โดเมนแอนติเฟสสำหรับ (100) และการแตกร้าวสำหรับ (111) ในขณะที่ฟิล์มที่วางแนว [111] แสดงคุณลักษณะที่น่าสนใจ เช่น ความหนาแน่นของข้อบกพร่องลดลง ลักษณะพื้นผิวที่ดีขึ้น และความเครียดต่ำลง แต่การวางแนวทางเลือกอื่นๆ เช่น (110) และ (211) ยังคงได้รับการศึกษาน้อย ข้อมูลที่มีอยู่บ่งชี้ว่าสภาวะการปลูกที่เหมาะสมอาจขึ้นอยู่กับการวางแนว ทำให้การตรวจสอบอย่างเป็นระบบมีความซับซ้อน ที่น่าสังเกตคือ การใช้พื้นผิว Si ที่มีดัชนีมิลเลอร์สูงกว่า (เช่น (311), (510)) สำหรับการปลูกผลึก 3C-SiC แบบเฮเทอโรเอพิแท็กเซียลยังไม่เคยมีการรายงานมาก่อน ทำให้ยังมีช่องว่างสำคัญสำหรับการวิจัยเชิงสำรวจเกี่ยวกับกลไกการปลูกที่ขึ้นอยู่กับการวางแนว
2. การทดลอง
ชั้น 3C-SiC ถูกสร้างขึ้นโดยวิธีการตกตะกอนไอสารเคมีที่ความดันบรรยากาศ (CVD) โดยใช้ก๊าซตั้งต้น SiH4/C3H8/H2 พื้นผิวที่ใช้คือแผ่นเวเฟอร์ Si ขนาด 1 cm² ที่มีทิศทางต่างๆ กัน ได้แก่ (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) และ (995) พื้นผิวทั้งหมดวางตัวตามแกน ยกเว้น (100) ซึ่งมีการทดสอบแผ่นเวเฟอร์ที่ตัดเฉียง 2° เพิ่มเติม การทำความสะอาดก่อนการเจริญเติบโตของชั้นประกอบด้วยการล้างไขมันด้วยคลื่นอัลตราโซนิคในเมทานอล ขั้นตอนการเจริญเติบโตประกอบด้วยการกำจัดออกไซด์ธรรมชาติโดยการอบด้วย H2 ที่อุณหภูมิ 1000°C ตามด้วยกระบวนการสองขั้นตอนมาตรฐาน: การคาร์บอนไนเซชันเป็นเวลา 10 นาทีที่อุณหภูมิ 1165°C โดยใช้ C3H8 12 sccm จากนั้นการเจริญเติบโตแบบเอพิแท็กซีเป็นเวลา 60 นาทีที่อุณหภูมิ 1350°C (อัตราส่วน C/Si = 4) โดยใช้ SiH4 1.5 sccm และ C3H8 2 sccm การเจริญเติบโตแต่ละครั้งประกอบด้วยการวางแนว Si ที่แตกต่างกันสี่ถึงห้าแบบ โดยมีเวเฟอร์อ้างอิงอย่างน้อยหนึ่งแผ่น (100)
3. ผลการวิจัยและการอภิปราย
ลักษณะทางสัณฐานวิทยาของชั้น 3C-SiC ที่ปลูกบนพื้นผิว Si ต่างๆ (รูปที่ 1) แสดงให้เห็นถึงลักษณะพื้นผิวและความหยาบที่แตกต่างกัน เมื่อมองด้วยตาเปล่า ตัวอย่างที่ปลูกบน Si(100), (211), (311), (553) และ (995) ดูเหมือนกระจก ในขณะที่ตัวอย่างอื่นๆ มีลักษณะตั้งแต่ขุ่นมัว ((331), (510)) ไปจนถึงด้าน ((110), (111)) พื้นผิวที่เรียบที่สุด (แสดงโครงสร้างจุลภาคที่ละเอียดที่สุด) ได้รับบนพื้นผิว (100)2° off และ (995) ที่น่าสังเกตคือ ชั้นทั้งหมดไม่มีรอยแตกหลังจากเย็นตัวลง รวมถึง 3C-SiC(111) ซึ่งโดยทั่วไปมักเกิดความเค้น ขนาดตัวอย่างที่จำกัดอาจป้องกันการแตกร้าวได้ แม้ว่าบางตัวอย่างจะแสดงการโค้งงอ (การเบี่ยงเบน 30-60 ไมโครเมตรจากศูนย์กลางไปยังขอบ) ซึ่งสามารถตรวจพบได้ภายใต้กล้องจุลทรรศน์แบบใช้แสงที่กำลังขยาย 1000 เท่า เนื่องจากการสะสมของความเค้นทางความร้อน ชั้นโค้งมากที่เติบโตบนพื้นผิว Si(111), (211) และ (553) แสดงรูปทรงเว้าซึ่งบ่งชี้ถึงความเครียดดึง จำเป็นต้องมีการศึกษาเชิงทดลองและทฤษฎีเพิ่มเติมเพื่อเชื่อมโยงกับทิศทางผลึกศาสตร์
รูปที่ 1 สรุปผลการวิเคราะห์ XRD และ AFM (การสแกนที่ 20×20 μm²) ของชั้น 3C-SC ที่ปลูกบนพื้นผิว Si ที่มีทิศทางต่างกัน
ภาพจากกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม (AFM) (รูปที่ 2) ยืนยันผลการสังเกตด้วยกล้องจุลทรรศน์ ค่ารากกำลังสองเฉลี่ย (RMS) ยืนยันว่าพื้นผิวเรียบที่สุดอยู่บนพื้นผิว (100)2° off และ (995) โดยมีโครงสร้างคล้ายเม็ดที่มีขนาดด้านข้าง 400-800 นาโนเมตร ชั้นที่เติบโตในทิศทาง (110) นั้นหยาบที่สุด ในขณะที่ลักษณะที่ยาวและ/หรือขนานกันพร้อมขอบเขตที่คมชัดเป็นครั้งคราวปรากฏในทิศทางอื่นๆ ((331), (510)) การสแกน θ-2θ ของการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ (XRD) (สรุปในตารางที่ 1) เผยให้เห็นความสำเร็จของการเกิดเฮเทอโรเอพิแท็กซีสำหรับพื้นผิวที่มีดัชนีมิลเลอร์ต่ำ ยกเว้น Si(110) ซึ่งแสดงยอดผสม 3C-SiC(111) และ (110) ซึ่งบ่งชี้ถึงความเป็นผลึกหลายผลึก การผสมทิศทางนี้เคยมีการรายงานมาก่อนแล้วสำหรับ Si(110) แม้ว่าบางการศึกษาจะสังเกตเห็น 3C-SiC ที่มีทิศทาง (111) เพียงอย่างเดียว ซึ่งบ่งชี้ว่าการปรับเงื่อนไขการเติบโตให้เหมาะสมนั้นมีความสำคัญ สำหรับดัชนีมิลเลอร์ ≥5 ((510), (553), (995)) ไม่พบยอด XRD ในการกำหนดค่า θ-2θ มาตรฐาน เนื่องจากระนาบดัชนีสูงเหล่านี้ไม่เกิดการเลี้ยวเบนในรูปทรงเรขาคณิตนี้ การไม่มีอยู่ของยอด 3C-SiC ดัชนีต่ำ (เช่น (111), (200)) บ่งชี้ถึงการเติบโตแบบผลึกเดี่ยว ซึ่งจำเป็นต้องเอียงตัวอย่างเพื่อตรวจจับการเลี้ยวเบนจากระนาบดัชนีต่ำ
รูปที่ 2 แสดงการคำนวณมุมระนาบภายในโครงสร้างผลึก CFC
มุมผลึกศาสตร์ที่คำนวณได้ระหว่างระนาบดัชนีสูงและดัชนีต่ำ (ตารางที่ 2) แสดงให้เห็นการวางแนวที่ไม่ตรงกันมาก (>10°) ซึ่งอธิบายถึงการไม่มีอยู่ในการสแกน θ-2θ มาตรฐาน ดังนั้นจึงได้ทำการวิเคราะห์แผนภาพขั้วบนตัวอย่างที่วางแนว (995) เนื่องจากลักษณะทางสัณฐานวิทยาแบบเม็ดที่ไม่ธรรมดา (อาจเกิดจากการเติบโตแบบคอลัมน์หรือการเกิดแฝด) และความหยาบต่ำ แผนภาพขั้ว (111) (รูปที่ 3) จากพื้นผิว Si และชั้น 3C-SiC เกือบจะเหมือนกัน ซึ่งยืนยันการเติบโตแบบเอพิเท็กเซียโดยไม่มีการเกิดแฝด จุดศูนย์กลางปรากฏที่ χ≈15° ซึ่งตรงกับมุม (111)-(995) ทางทฤษฎี จุดสมมาตรที่เทียบเท่ากันสามจุดปรากฏขึ้นในตำแหน่งที่คาดไว้ (χ=56.2°/φ=269.4°, χ=79°/φ=146.7° และ 33.6°) แม้ว่าจะมีจุดอ่อนที่ไม่คาดคิดที่ χ=62°/φ=93.3° ซึ่งต้องได้รับการตรวจสอบเพิ่มเติม คุณภาพของผลึกที่ประเมินผ่านความกว้างของจุดในการสแกน φ ดูมีแนวโน้มที่ดี แม้ว่าจะต้องใช้การวัดเส้นโค้งการแกว่งเพื่อหาปริมาณก็ตาม แผนภาพขั้วสำหรับตัวอย่าง (510) และ (553) ยังคงต้องดำเนินการให้เสร็จสมบูรณ์เพื่อยืนยันลักษณะเอพิเท็กเซียลที่คาดการณ์ไว้
รูปที่ 3 แสดงแผนภาพยอด XRD ที่บันทึกไว้บนตัวอย่างที่วางแนว (995) ซึ่งแสดงระนาบ (111) ของพื้นผิว Si (a) และชั้น 3C-SiC (b)
4. บทสรุป
การเจริญเติบโตของ 3C-SiC แบบเฮเทอโรเอพิแท็กเซียลประสบความสำเร็จบนทิศทางของ Si ส่วนใหญ่ ยกเว้น (110) ซึ่งให้วัสดุที่เป็นผลึกหลายเหลี่ยม พื้นผิว Si(100)2° off และ (995) ให้ชั้นที่เรียบที่สุด (RMS <1 nm) ในขณะที่ (111), (211) และ (553) แสดงความโค้งงออย่างมาก (30-60 μm) พื้นผิวที่มีดัชนีสูงจำเป็นต้องใช้การวิเคราะห์ XRD ขั้นสูง (เช่น แผนภาพขั้ว) เพื่อยืนยันการเกิดเอพิแท็กเซียลเนื่องจากไม่มีพีค θ-2θ งานที่กำลังดำเนินการอยู่ ได้แก่ การวัดเส้นโค้งการแกว่ง การวิเคราะห์ความเครียดของรามาน และการขยายไปยังทิศทางที่มีดัชนีสูงเพิ่มเติมเพื่อทำการศึกษาเชิงสำรวจนี้ให้เสร็จสมบูรณ์
ในฐานะผู้ผลิตแบบครบวงจร XKH ให้บริการแปรรูปแบบกำหนดเองอย่างมืออาชีพด้วยกลุ่มผลิตภัณฑ์แผ่นรองพื้นซิลิคอนคาร์ไบด์ที่ครอบคลุม ทั้งแบบมาตรฐานและแบบพิเศษ รวมถึง 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P และ 3C-SiC โดยมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางตั้งแต่ 2 นิ้วถึง 12 นิ้ว ความเชี่ยวชาญแบบครบวงจรของเราในด้านการเติบโตของผลึก การกลึงที่แม่นยำ และการประกันคุณภาพ ช่วยให้มั่นใจได้ว่าเราจะนำเสนอโซลูชันที่เหมาะสมสำหรับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์กำลัง RF และแอปพลิเคชันใหม่ๆ
วันที่โพสต์: 8 สิงหาคม 2568