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      【熱點應(yīng)用】SiC端面傾角及參考邊量測技術(shù)

      更新時間:2025-06-30       點擊次數(shù):288


      本文摘要

      SiC端面傾角度數(shù)會影響晶體生長動力學(xué)、界面特性和器件的電場分布,決定了SiC功率器件的性能,傾角控制精度已從“工藝參數(shù)"升級為“核心競爭力",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)保持高的傾角控制技術(shù)。



      01碳化硅的生長模式

      無論是PVT還是HTCVD生長碳化硅單晶,都涉及到了氣固相變。所以,這個生長具有三種模式:島狀生長(Volmer-Weber,VW)、層狀生長(Frankvander-Merwe,F(xiàn)M)、混合生長(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。

       

      1. 島狀生長:沉積原子與襯底原子的作用<沉積原子與沉積原子的作用;

      2. 層狀生長:沉積原子與襯底原子的作用>沉積原子與沉積原子的作用;

      3. 混合生長:先層狀生長,再島狀生長。

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


      島狀生長容易在4H-SiC上長出3C-SiC,為了防止生成其他晶型,需要控制生長方式為層狀生長。但是,純碳硅雙分子層反而會發(fā)生混合生長——就算一開始是層狀生長,后面就開始島狀生長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,分為臺面(Terrace)、臺階(Ledge、Step)、扭折(Kink),合稱TLK結(jié)構(gòu):


      • 臺面與沉積原子接觸面為1;

      • 臺階與沉積原子接觸面為2;

      • 扭折與沉積原子接觸面為3。

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


      理所當(dāng)然,臺階的接觸面多于臺面,沉積原子與襯底原子的作用更強。這樣越能實現(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,使得臺面變成臺階。


      這就是,SiC的臺階流(Step-controlled epitaxy)生長:使用與(0001)面有偏角的襯底,構(gòu)建更多的臺階,減少臺面,防止自發(fā)成核,進一步防止生成3C-SiC。美國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0.003°,傾角方向的精度可達0.03°。

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


      偏4°及以下的低偏角襯底仍舊會發(fā)生3C-SiC成核,造成三角形缺陷。三角形缺陷=兩個基面位錯+堆垛層錯,兩個基面位錯延伸成為斜邊,而中間就是堆垛層錯,這個層錯容易直接塌陷。這需要控制溫度、氣流等條件,進一步調(diào)控。


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      02丨馬爾文帕納科晶向定位XRD的檢測

      Omega/theta 晶向定位XRD的端面磨的定位和固定夾具如下圖:

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      樣品支撐架post

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      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色豎線標(biāo)注的圓孔處,通過設(shè)備進行定向測量后,根據(jù)軟件提示,對夾具臺面下的兩個羅盤進行調(diào)節(jié),經(jīng)過復(fù)檢后,鎖定測量好的晶相,將整個夾具和樣品移動至磨床上進行研磨。設(shè)備可對研磨后的樣品進行復(fù)檢。


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

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      參考文獻:

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




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