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本文摘要

SiC端面傾角度數(shù)會(huì)影響晶體生長(zhǎng)動(dòng)力學(xué)、界面特性和器件的電場(chǎng)分布，決定了SiC功率器件的性能，傾角控制精度已從“工藝參數(shù)”升級(jí)為“核心競(jìng)爭(zhēng)力”，本文將介紹4°傾角及其方向的重要性，以及馬爾文帕納科高精度晶向定位儀Omega/theta如何幫助SiC襯底量產(chǎn)保持極高的傾角控制技術(shù)。

01丨碳化硅的生長(zhǎng)模式

無論是PVT還是HTCVD生長(zhǎng)碳化硅單晶，都涉及到了氣固相變。所以，這個(gè)生長(zhǎng)具有三種模式：島狀生長(zhǎng)（Volmer-Weber，VW）、層狀生長(zhǎng)（Frankvander-Merwe，F(xiàn)M）、混合生長(zhǎng)（Stranski-Krasannov，SK）。 這是由于存在兩種作用的平衡：沉積的氣體原子與沉積的氣體原子的作用，沉積的氣體原子與襯底原子的作用。

島狀生長(zhǎng)：沉積原子與襯底原子的作用＜沉積原子與沉積原子的作用；

層狀生長(zhǎng)：沉積原子與襯底原子的作用＞沉積原子與沉積原子的作用；

混合生長(zhǎng)：先層狀生長(zhǎng)，再島狀生長(zhǎng)。

圖1，碳化硅單晶三種生長(zhǎng)模式示意圖：（a）VW模式（b）FM模式（c）SK模式

島狀生長(zhǎng)容易在4H-SiC上長(zhǎng)出3C-SiC，為了防止生成其他晶型，需要控制生長(zhǎng)方式為層狀生長(zhǎng)。但是，純碳硅雙分子層反而會(huì)發(fā)生混合生長(zhǎng)——就算一開始是層狀生長(zhǎng)，后面就開始島狀生長(zhǎng)其他晶型的碳化硅單晶。

可以從微觀上分析原因：如果將沉積的氣體原子視為六面體，一片襯底的表面根據(jù)接觸面的多少，分為臺(tái)面（Terrace）、臺(tái)階（Ledge、Step）、扭折（Kink），合稱TLK結(jié)構(gòu)：

臺(tái)面與沉積原子接觸面為1；

臺(tái)階與沉積原子接觸面為2；

扭折與沉積原子接觸面為3。

圖2 有偏角襯底表面的terrace-ledge-kink(TLK)結(jié)構(gòu)

理所當(dāng)然，臺(tái)階的接觸面多于臺(tái)面，沉積原子與襯底原子的作用更強(qiáng)。這樣越能實(shí)現(xiàn)沉積原子與襯底原子的作用＞沉積原子與沉積原子的作用。所以，一般按照一定的偏角切割單晶，得到具有偏角的襯底或者籽晶，使得臺(tái)面變成臺(tái)階。

這就是，SiC的臺(tái)階流（Step-controlled epitaxy）生長(zhǎng)：使用與（0001）面有偏角的襯底，構(gòu)建更多的臺(tái)階，減少臺(tái)面，防止自發(fā)成核，進(jìn)一步防止生成3C-SiC。美國(guó)Cree公司的產(chǎn)品為4.0? toward[1120] ± 0.5?

因此碳化硅端面的4.0?偏角的準(zhǔn)確性很重要，且4.0? 偏角需向[1120]方向傾斜，角度在 ± 0.5?以內(nèi)，現(xiàn)已有公司提升至±0.15°。 Malvernpanalytical Freiberg晶相定位XRD的傾角精度可達(dá)0.003°，傾角方向的精度可達(dá)0.03°。

圖3 4H-SiC外延生長(zhǎng)模式：（a）3C-SiC二維生長(zhǎng)模式（b）4H-SiC同質(zhì)外延的臺(tái)階流生長(zhǎng)模式

偏4°及以下的低偏角襯底仍舊會(huì)發(fā)生3C-SiC成核，造成三角形缺陷。三角形缺陷=兩個(gè)基面位錯(cuò)+堆垛層錯(cuò)，兩個(gè)基面位錯(cuò)延伸成為斜邊，而中間就是堆垛層錯(cuò)，這個(gè)層錯(cuò)容易直接塌陷。這需要控制溫度、氣流等條件，進(jìn)一步調(diào)控。

02丨馬爾文帕納科晶向定位XRD的檢測(cè)

Omega/theta 晶向定位XRD的端面磨的定位和固定夾具如下圖：

樣品支撐架post

端面調(diào)向夾具

將晶錠粘在post支架上，底部突出部位嵌入端面夾具藍(lán)色豎線標(biāo)注的圓孔處，通過設(shè)備進(jìn)行定向測(cè)量后，根據(jù)軟件提示，對(duì)夾具臺(tái)面下的兩個(gè)羅盤進(jìn)行調(diào)節(jié)，經(jīng)過復(fù)檢后，鎖定測(cè)量好的晶相，將整個(gè)夾具和樣品移動(dòng)至磨床上進(jìn)行研磨。設(shè)備可對(duì)研磨后的樣品進(jìn)行復(fù)檢。

下圖展示使用馬爾文帕納科設(shè)備及夾具進(jìn)行端面調(diào)向研磨后的數(shù)據(jù)：

參考文獻(xiàn)：

[1] 4H-SiC低壓同質(zhì)外延生長(zhǎng)和器件驗(yàn)證 西安電子科大 博士論文胡繼超