የተለያዩ አቅጣጫዎች ባላቸው የሲሊኮን ንጣፎች ላይ የ3C-SiC ሄትሮኢታክሲያል እድገት

1. መግቢያ
ለብዙ አሥርተ ዓመታት ምርምር ቢደረግም፣ በሲሊኮን ንጣፎች ላይ የሚበቅለው ሄትሮኢፒታክሲያል 3C-SiC ለኢንዱስትሪ ኤሌክትሮኒክስ አፕሊኬሽኖች በቂ የክሪስታል ጥራት አላስገኘም። እድገት በተለምዶ በSi(100) ወይም Si(111) ንጣፎች ላይ ይከናወናል፣ እያንዳንዳቸው የተለያዩ ተግዳሮቶችን ያቀርባሉ፡ ለ(100) ፀረ-ደረጃ ጎራዎች እና ለ(111) ስንጥቅ። [111]-ተኮር ፊልሞች እንደ የጉድለት ጥግግት መቀነስ፣ የተሻሻለ የገጽታ ሞርፎሎጂ እና ዝቅተኛ ውጥረት ያሉ ተስፋ ሰጪ ባህሪያትን ቢያሳዩም፣ እንደ (110) እና (211) ያሉ አማራጭ አቅጣጫዎች በቂ ጥናት አላደረጉም። አሁን ያሉ መረጃዎች እንደሚያመለክቱት ምርጥ የእድገት ሁኔታዎች አቅጣጫ-ተኮር፣ ውስብስብ ስልታዊ ምርመራ ሊሆኑ ይችላሉ። በተለይም ለ3C-SiC ሄትሮኢፒታክሲ ከፍተኛ-ሚለር-ኢንዴክስ Si ንጣፎችን (ለምሳሌ፣ (311)) መጠቀም በጭራሽ አልተዘገበም፣ ይህም በአቅጣጫ-ጥገኛ የእድገት ዘዴዎች ላይ ለዳሰሳ ጥናት ከፍተኛ ቦታ ትቷል።

2. የሙከራ
የ3C-SiC ንብርብሮች በሲኤች4/C3H8/H2 ቀዳሚ ጋዞችን በመጠቀም በከባቢ አየር ግፊት ኬሚካል ትነት ማስቀመጫ (CVD) በኩል ተቀምጠዋል። ንጣፎቹ 1 ሴ.ሜ² Si ዋፈርስ በተለያዩ አቅጣጫዎች ነበሩ፡ (100)፣ (111)፣ (110)፣ (211)፣ (311)፣ (331)፣ (510)፣ (553) እና (995። ሁሉም ንጣፎች ከ (100) በስተቀር በዘንግ ላይ ነበሩ፣ እዚያም 2° የተቆረጡ ንጣፎች በተጨማሪ ተፈትነዋል። የቅድመ-እድገት ጽዳት በሜታኖል ውስጥ የአልትራሳውንድ ቅባትን ማቃለልን ያካትታል። የእድገት ፕሮቶኮሉ በ1000°ሴ በH2 አኒሌሽን በኩል በ1000°ሴ የተፈጥሮ ኦክሳይድ ማስወገድን ያካተተ ሲሆን ከዚያም መደበኛ ባለ ሁለት ደረጃ ሂደትን ያካትታል፡ በ1165°ሴ በ12 ንጣፎች C3H8 ለ10 ደቂቃዎች ካርቡራይዜሽን፣ ከዚያም በ1350°ሴ ለ60 ደቂቃዎች 1.5 ንጣፎች SiH4 እና 2 ንጣፎች C3H8 በመጠቀም ኤፒታክሲ። እያንዳንዱ የእድገት ሂደት ቢያንስ አንድ (100) የማጣቀሻ ዋፈር ያለው ከአራት እስከ አምስት የተለያዩ የSi አቅጣጫዎችን ያካትታል።

3. ውጤቶች እና ውይይት
በተለያዩ የSi ንጣፎች ላይ የሚበቅሉ የ3C-SiC ንብርብሮች ሞርፎሎጂ (ምስል 1) የተለያዩ የገጽታ ባህሪያትን እና ሸካራነትን አሳይቷል። በእይታ ሲታይ፣ በSi(100)፣ (211)፣ (311)፣ (553) እና (995) ላይ የሚበቅሉ ናሙናዎች መስታወት የሚመስሉ ሲሆኑ፣ ሌሎቹ ደግሞ ከወተት ((331)፣ (510)) እስከ ደብዛዛ ((110)፣ (111)) ይደርሳሉ። በጣም ለስላሳ የሆኑት ቦታዎች (ምርጡን ማይክሮ መዋቅር የሚያሳዩ) በ(100)2° ጠፍቷል እና (995) ንጣፎች ላይ ተገኝተዋል። በሚያስገርም ሁኔታ፣ ሁሉም ንብርብሮች ከቀዘቀዙ በኋላ ያለ ስንጥቅ ቆይተዋል፣ በተለምዶ ለጭንቀት የተጋለጡ 3C-SiC(111)ን ጨምሮ። የተገደበው የናሙና መጠን ስንጥቅን ሊከላከል ይችላል፣ ምንም እንኳን አንዳንድ ናሙናዎች በተከማቸ የሙቀት ጭንቀት ምክንያት በ1000× ማጉላት በኦፕቲካል ማይክሮስኮፒ ስር መሰንጠቅን (ከማዕከል ወደ ጠርዝ 30-60 μm ማዘንበል) ሊታወቅ ይችላል። በSi(111)፣ (211) እና (553) ንጣፎች ላይ የሚበቅሉ በጣም የተጎነበሱ ንብርብሮች የመወጠር ውጥረትን የሚያመለክቱ ሾጣጣ ቅርጾችን አሳይተዋል፣ ይህም ከክሪስታሎግራፊክ አቅጣጫ ጋር እንዲጣጣም ተጨማሪ የሙከራ እና የቲዎሬቲካል ስራን ይጠይቃል።

ምስል 1 በSi substrates ላይ የሚበቅሉትን የ3C-SC ንብርብሮች ውጤቶች XRD እና AFM (በ20×20 μ m2 የሚቃኙ) ያጠቃልላል።

የአቶሚክ ኃይል ማይክሮስኮፒ (AFM) ምስሎች (ምስል 2) የተረጋገጡ የኦፕቲካል ምልከታዎችን አሳይተዋል። የስር-አማካይ-ካሬ (RMS) እሴቶች በ (100)2° ጠፍቶ እና (995) ንጣፎች ላይ በጣም ለስላሳ ቦታዎችን አረጋግጠዋል፣ ከ400-800 nm የጎን ልኬቶች ያላቸው እህል መሰል መዋቅሮችን ያሳያሉ። (110) የሚበቅለው ንብርብር በጣም ሻካራ ነበር፣ አልፎ አልፎ ሹል ወሰኖች ያሉት የተራዘሙ እና/ወይም ትይዩ ባህሪያት በሌሎች አቅጣጫዎች ((331)፣ (510) ታይተዋል። የኤክስሬይ ዲፍራክሽን (XRD) θ-2θ ቅኝቶች (በሰንጠረዥ 1 የተጠቃለለ) ለዝቅተኛ-ሚለር-ኢንዴክስ ንጣፎች ስኬታማ ሄትሮኢፒታክሲ አሳይቷል፣ ይህም ፖሊክሪስታሊንነትን የሚያመለክቱ የተደባለቁ 3C-SiC(111) እና (110) ጫፎችን ካሳየ በስተቀር Si(110)። ይህ የአቅጣጫ ቅይጥ ቀደም ሲል ለSi(110) ሪፖርት ተደርጓል፣ ምንም እንኳን አንዳንድ ጥናቶች ብቸኛ (111)-ተኮር 3C-SiC ን ቢመለከቱም፣ የእድገት ሁኔታ ማመቻቸት ወሳኝ መሆኑን ይጠቁማሉ። ለሚለር ኢንዴክሶች ≥5 ((510)፣ (553)፣ (995)፣ በመደበኛ θ-2θ ውቅር ውስጥ ምንም የXRD ጫፎች አልተገኙም ምክንያቱም እነዚህ ከፍተኛ ኢንዴክሶች በዚህ ጂኦሜትሪ ውስጥ የማይለያዩ ናቸው። ዝቅተኛ-ኢንዴክስ 3C-SiC ጫፎች አለመኖር (ለምሳሌ፣ (111)፣ (200)) ነጠላ-ክሪስታሊን እድገትን ይጠቁማል፣ ይህም ከዝቅተኛ-ኢንዴክስ አውሮፕላኖች ዲፍራክሽንን ለመለየት የናሙና ማዘንበል ይጠይቃል።

ምስል 2 በሲኤፍሲ ክሪስታል መዋቅር ውስጥ የፕላን አንግል ስሌት ያሳያል።

በከፍተኛ-ኢንዴክስ እና ዝቅተኛ-ኢንዴክስ ፕላኖች መካከል የተሰላው የክሪስታልሎግራፊክ ማዕዘኖች (ሠንጠረዥ 2) ትላልቅ የተዛቡ አመለካከቶችን (>10°) አሳይተዋል፣ ይህም በመደበኛ θ-2θ ቅኝቶች ውስጥ አለመኖራቸውን ያብራራል። ስለዚህ የዋልታ ምስል ትንተና የተካሄደው ባልተለመደው የጥራጥሬ ሞርፎሎጂ (ከአምድ እድገት ወይም መንትያ ሊሆን ይችላል) እና ዝቅተኛ ሸካራነት ምክንያት በ (995)-ተኮር ናሙና ላይ ነው። ከSi substrate እና ከ3C-SiC ንብርብር የተገኙት (111) የዋልታ ምስሎች (ምስል 3) ከሞላ ጎደል ተመሳሳይ ነበሩ፣ ያለ መንትያ ኤፒታክሲያል እድገትን አረጋግጠዋል። ማዕከላዊው ቦታ በχ≈15° ታይቷል፣ ከቲዎሬቲካል (111)-(995) አንግል ጋር ይዛመዳል። ሶስት ሲሜትሪ-ተመጣጣኝ ቦታዎች በሚጠበቀው ቦታ (χ=56.2°/φ=269.4°፣ χ=79°/φ=146.7° እና 33.6°) ታይተዋል፣ ምንም እንኳን በχ=62°/φ=93.3° ላይ ያልተጠበቀ ደካማ ቦታ ተጨማሪ ምርመራ ቢያስፈልግም። በφ-ስካኖች ውስጥ በስፖት ስፋት የሚገመገመው የክሪስታል ጥራት ተስፋ ሰጪ ይመስላል፣ ምንም እንኳን ለመለካት የሚወዛወዙ የኩርባ መለኪያዎች ቢያስፈልጉም። የ(510) እና (553) ናሙናዎች የዋልታ አሃዞች የሚገመተውን የኤፒታክሲያል ባህሪያቸውን ለማረጋገጥ መጠናቀቅ አለባቸው።

ምስል 3 በ (995) ተኮር ናሙና ላይ የተመዘገበውን የXRD ጫፍ ዲያግራም ያሳያል፣ ይህም የSi substrate (a) እና የ3C-SiC ንብርብር (b) (111) ፕላኖችን ያሳያል።

4. መደምደሚያ
Heteroepitaxial 3C-SiC እድገት በአብዛኛዎቹ የSi አቅጣጫዎች ላይ ተሳክቷል፣ ይህም ፖሊክሪስታሊን ቁስ አስገኝቷል። Si(100)2° ቅናሽ እና (995) substrates በጣም ለስላሳ ንብርብሮችን (RMS <1 nm) ያመነጫሉ፣ (111)፣ (211) እና (553) ጉልህ የሆነ መስገድ አሳይተዋል (30-60 μm)። ከፍተኛ-ኢንዴክስ substrates በ θ-2θ ጫፎች አለመኖር ምክንያት ኤፒታክሲን ለማረጋገጥ የላቀ የXRD ባህሪ (ለምሳሌ፣ የዋልታ አሃዞች) ያስፈልጋቸዋል። ቀጣይነት ያለው ስራ የሮኪንግ ኩርባ መለኪያዎችን፣ የራማን የጭንቀት ትንተና እና ይህንን የዳሰሳ ጥናት ለማጠናቀቅ ወደ ተጨማሪ ከፍተኛ-ኢንዴክስ አቅጣጫዎች መስፋፋትን ያካትታል።

XKH በአቀባዊ የተዋሃደ አምራች እንደመሆኑ መጠን፣ 4H/6H-N፣ 4H-Semi፣ 4H/6H-P እና 3C-SiCን ጨምሮ መደበኛ እና ልዩ ዓይነቶችን በማቅረብ ሙያዊ ብጁ የማቀነባበሪያ አገልግሎቶችን ይሰጣል፣ እነዚህም ከ2 ኢንች እስከ 12 ኢንች ዲያሜትሮች ይገኛሉ። በክሪስታል እድገት፣ በትክክለኛነት ማሽነሪ እና በጥራት ማረጋገጫ ላይ ያለን ከመጨረሻ እስከ መጨረሻ ያለው ክህሎታችን ለኃይል ኤሌክትሮኒክስ፣ ለRF እና ለሚመጡ አፕሊኬሽኖች የተበጁ መፍትሄዎችን ያረጋግጣል።