1. Einleitung
Trotz jahrzehntelanger Forschung hat heteroepitaktisches 3C-SiC auf Siliziumsubstraten noch keine ausreichende Kristallqualität für industrielle Elektronikanwendungen erreicht. Das Wachstum erfolgt typischerweise auf Si(100)- oder Si(111)-Substraten, die jeweils unterschiedliche Herausforderungen mit sich bringen: Antiphasendomänen bei (100) und Rissbildung bei (111). Während [111]-orientierte Filme vielversprechende Eigenschaften wie geringere Defektdichte, verbesserte Oberflächenmorphologie und geringere Spannung aufweisen, sind alternative Orientierungen wie (110) und (211) noch wenig erforscht. Vorhandene Daten deuten darauf hin, dass optimale Wachstumsbedingungen orientierungsspezifisch sein könnten, was eine systematische Untersuchung erschwert. Insbesondere wurde über die Verwendung von Si-Substraten mit höherem Miller-Index (z. B. (311), (510)) für die 3C-SiC-Heteroepitaxie nie berichtet, was erheblichen Raum für explorative Forschung zu orientierungsabhängigen Wachstumsmechanismen lässt.
2. Experimentell
Die 3C-SiC-Schichten wurden mittels chemischer Gasphasenabscheidung (CVD) bei Atmosphärendruck unter Verwendung der Vorläufergase SiH4/C3H8/H2 abgeschieden. Als Substrate dienten 1 cm² große Si-Wafer mit verschiedenen Orientierungen: (100), (111), (110), (211), (311), (331), (510), (553) und (995). Alle Substrate waren axial ausgerichtet, mit Ausnahme von (100), bei dem zusätzlich 2°-Off-Cut-Wafer getestet wurden. Die Reinigung vor dem Wachstum erfolgte durch Ultraschallentfettung in Methanol. Das Wachstumsprotokoll umfasste die Entfernung des nativen Oxids durch H2-Glühen bei 1000 °C, gefolgt von einem standardmäßigen zweistufigen Prozess: Aufkohlen für 10 Minuten bei 1165 °C mit 12 sccm C3H8, dann Epitaxie für 60 Minuten bei 1350 °C (C/Si-Verhältnis = 4) mit 1,5 sccm SiH4 und 2 sccm C3H8. Jeder Wachstumslauf umfasste vier bis fünf verschiedene Si-Orientierungen mit mindestens einem (100) Referenzwafer.
3. Ergebnisse und Diskussion
Die Morphologie von 3C-SiC-Schichten, die auf verschiedenen Si-Substraten gewachsen sind (Abb. 1), zeigte ausgeprägte Oberflächenmerkmale und Rauheiten. Optisch erschienen die auf Si(100), (211), (311), (553) und (995) gewachsenen Proben spiegelglatt, während andere von milchig ((331), (510)) bis matt ((110), (111)) reichten. Die glattesten Oberflächen (mit der feinsten Mikrostruktur) wurden auf (100)2° off- und (995)-Substraten erzielt. Bemerkenswerterweise blieben alle Schichten nach dem Abkühlen rissfrei, einschließlich des typischerweise spannungsanfälligen 3C-SiC(111). Die begrenzte Probengröße könnte eine Rissbildung verhindert haben, obwohl einige Proben eine Verbiegung (30–60 μm Abweichung von der Mitte zum Rand) aufwiesen, die unter optischem Mikroskop bei 1000-facher Vergrößerung aufgrund von angesammelter thermischer Spannung erkennbar war. Stark gekrümmte Schichten, die auf Si(111), (211) und (553)-Substraten gewachsen sind, wiesen konkave Formen auf, die auf eine Zugspannung hindeuten. Zur Korrelation mit der kristallografischen Orientierung sind weitere experimentelle und theoretische Arbeiten erforderlich.
Abbildung 1 fasst die XRD- und AFM-Ergebnisse (Scannen bei 20×20 μm2) der 3C-SC-Schichten zusammen, die auf Si-Substraten mit unterschiedlichen Ausrichtungen gewachsen sind.
Bilder der Rasterkraftmikroskopie (AFM) (Abb. 2) bestätigten die optischen Beobachtungen. Die quadratischen Mittelwerte (RMS) bestätigten die glattesten Oberflächen auf (100)2°- und (995)-Substraten mit kornartigen Strukturen und lateralen Abmessungen von 400–800 nm. Die (110)-Schicht war die raueste, während in anderen Orientierungen ((331), (510)) längliche und/oder parallele Strukturen mit gelegentlich scharfen Grenzen auftraten. Röntgenbeugungs-(XRD)-θ-2θ-Scans (zusammengefasst in Tabelle 1) zeigten eine erfolgreiche Heteroepitaxie für Substrate mit niedrigerem Miller-Index, mit Ausnahme von Si(110), das gemischte 3C-SiC(111)- und (110)-Peaks zeigte, die auf Polykristallinität hindeuteten. Diese Orientierungsmischung wurde bereits für Si(110) beschrieben, einige Studien beobachteten jedoch ausschließlich (111)-orientiertes 3C-SiC, was darauf hindeutet, dass die Optimierung der Wachstumsbedingungen entscheidend ist. Für Miller-Indizes ≥5 ((510), (553), (995)) wurden in der Standard-θ-2θ-Konfiguration keine XRD-Spitzen nachgewiesen, da diese hochindizierten Ebenen in dieser Geometrie nicht beugend sind. Das Fehlen von niedrigindizierten 3C-SiC-Spitzen (z. B. (111), (200)) deutet auf einkristallines Wachstum hin, das eine Probenkippung erfordert, um die Beugung an niedrigindizierten Ebenen zu erkennen.
Abbildung 2 zeigt die Berechnung des Ebenenwinkels innerhalb der CFC-Kristallstruktur.
Die berechneten kristallographischen Winkel zwischen den Ebenen mit hohem und niedrigem Index (Tabelle 2) zeigten große Fehlorientierungen (>10°), was ihr Fehlen in Standard-θ-2θ-Scans erklärt. Daher wurde aufgrund der ungewöhnlichen körnigen Morphologie (möglicherweise durch Säulenwachstum oder Zwillingsbildung) und der geringen Rauheit eine Polfiguranalyse an der (995)-orientierten Probe durchgeführt. Die (111)-Polfiguren (Abb. 3) des Si-Substrats und der 3C-SiC-Schicht waren nahezu identisch, was ein epitaktisches Wachstum ohne Zwillingsbildung bestätigte. Der zentrale Punkt erschien bei χ≈15° und entspricht damit dem theoretischen (111)-(995)-Winkel. Drei symmetrieäquivalente Punkte erschienen an den erwarteten Positionen (χ=56,2°/φ=269,4°, χ=79°/φ=146,7° und 33,6°), ein unvorhergesehener Schwachpunkt bei χ=62°/φ=93,3° bedarf jedoch weiterer Untersuchung. Die kristalline Qualität, beurteilt über die Punktbreite in φ-Scans, erscheint vielversprechend, zur Quantifizierung sind jedoch Rocking-Curve-Messungen erforderlich. Die Polfiguren für die Proben (510) und (553) müssen noch vervollständigt werden, um ihre vermutete epitaktische Natur zu bestätigen.
Abbildung 3 zeigt das XRD-Peakdiagramm der (995)-orientierten Probe, das die (111)-Ebenen des Si-Substrats (a) und der 3C-SiC-Schicht (b) zeigt.
4. Fazit
Heteroepitaktisches 3C-SiC-Wachstum gelang auf den meisten Si-Orientierungen mit Ausnahme von (110), das polykristallines Material ergab. Si(100)2° off und (995) Substrate erzeugten die glattesten Schichten (RMS <1 nm), während (111), (211) und (553) eine deutliche Krümmung (30–60 μm) aufwiesen. Hochindizes erfordern aufgrund fehlender θ-2θ-Peaks eine erweiterte XRD-Charakterisierung (z. B. Polfiguren), um die Epitaxie zu bestätigen. Laufende Arbeiten umfassen Rocking-Curve-Messungen, Raman-Spannungsanalysen und die Erweiterung auf weitere hochindizes Orientierungen, um diese explorative Studie abzuschließen.
Als vertikal integrierter Hersteller bietet XKH professionelle, maßgeschneiderte Verarbeitungsdienstleistungen mit einem umfassenden Portfolio an Siliziumkarbidsubstraten. Das Angebot umfasst Standard- und Spezialtypen wie 4H/6H-N, 4H-Semi, 4H/6H-P und 3C-SiC in Durchmessern von 2 bis 12 Zoll. Unsere umfassende Expertise in Kristallwachstum, Präzisionsbearbeitung und Qualitätssicherung gewährleistet maßgeschneiderte Lösungen für Leistungselektronik, HF und neue Anwendungen.
Beitragszeit: 08.08.2025