1. المقدمة
على الرغم من عقود من البحث، لم يحقق كربيد السيليكون ثلاثي الكربون غير المتجانس المزروع على ركائز السيليكون جودة بلورية كافية للتطبيقات الإلكترونية الصناعية. عادةً ما يتم إجراء النمو على ركائز Si(100) أو Si(111)، حيث يُمثل كل منهما تحديات مميزة: مجالات مضادة للطور لـ (100) وتشقق لـ (111). في حين تُظهر الأغشية الموجهة [111] خصائص واعدة مثل انخفاض كثافة العيوب، وتحسين مورفولوجيا السطح، وانخفاض الإجهاد، إلا أن التوجهات البديلة مثل (110) و(211) لا تزال غير مدروسة. تشير البيانات الحالية إلى أن ظروف النمو المثلى قد تكون خاصة بالتوجه، مما يُعقّد البحث المنهجي. والجدير بالذكر أنه لم يتم الإبلاغ مطلقًا عن استخدام ركائز Si ذات مؤشر ميلر الأعلى (مثل (311)، (510)) لتكوين كربيد السيليكون ثلاثي الكربون غير المتجانس، مما يترك مجالًا كبيرًا للبحث الاستكشافي حول آليات النمو المعتمدة على التوجه.
2. تجريبي
ترسب طبقات 3C-SiC عبر الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) تحت الضغط الجوي باستخدام غازات أولية SiH4/C3H8/H2. كانت الركائز عبارة عن رقائق سيليكون بمساحة 1 سم²، ذات اتجاهات مختلفة: (100)، (111)، (110)، (211)، (311)، (331)، (510)، (553)، و(995). كانت جميع الركائز على المحور باستثناء (100)، حيث تم اختبار رقائق مقطوعة بزاوية 2 درجة إضافية. تضمن التنظيف قبل النمو إزالة الشحوم بالموجات فوق الصوتية في الميثانول. شمل بروتوكول النمو إزالة الأكسيد الطبيعي من خلال التلدين بالهيدروجين عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية، متبوعًا بعملية قياسية من خطوتين: الكربنة لمدة 10 دقائق عند درجة حرارة 1165 درجة مئوية باستخدام 12 سم مكعب قياسي من C3H8، ثم التكعيب لمدة 60 دقيقة عند درجة حرارة 1350 درجة مئوية (نسبة C/Si = 4) باستخدام 1.5 سم مكعب قياسي من SiH4 و2 سم مكعب قياسي من C3H8. تضمنت كل عملية نمو أربعة إلى خمسة اتجاهات مختلفة للسيليكون، مع رقاقة مرجعية واحدة (100) على الأقل.
3. النتائج والمناقشة
أظهرت مورفولوجيا طبقات 3C-SiC المزروعة على ركائز Si مختلفة (الشكل 1) سمات سطح وخشونة مميزة. بصريًا، بدت العينات المزروعة على Si(100) و(211) و(311) و(553) و(995) شبيهة بالمرآة، بينما تراوحت عينات أخرى من اللون اللبني ((331) و(510)) إلى الباهت ((110) و(111)). تم الحصول على أنعم الأسطح (التي تُظهر أدق البنية الدقيقة) على ركائز (100)2° off و(995). ومن اللافت للنظر أن جميع الطبقات ظلت خالية من التشقق بعد التبريد، بما في ذلك 3C-SiC(111) المعرضة للإجهاد عادةً. ربما منع حجم العينة المحدود التشقق، على الرغم من أن بعض العينات أظهرت انحناء (انحراف 30-60 ميكرومتر من المركز إلى الحافة) يمكن اكتشافه تحت المجهر الضوئي عند تكبير 1000 × بسبب الإجهاد الحراري المتراكم. أظهرت الطبقات شديدة الانحناء المزروعة على ركائز Si(111)، (211)، و(553) أشكالًا مقعرة تشير إلى إجهاد الشد، مما يتطلب المزيد من العمل التجريبي والنظري للارتباط بالتوجه البلوري.
الشكل 1 يلخص نتائج XRD و AFM (المسح عند 20 × 20 ميكرومتر مربع) لطبقات 3C-SC المزروعة على ركائز Si ذات اتجاهات مختلفة.
أكدت صور مجهر القوة الذرية (AFM) (الشكل 2) الملاحظات البصرية. وأكدت قيم جذر متوسط التربيع (RMS) أنعم الأسطح على ركائز بزاوية (100)2° و(995)، حيث تميزت بهياكل حبيبية بأبعاد جانبية تتراوح بين 400 و800 نانومتر. كانت الطبقة المزروعة (110) هي الأكثر خشونة، بينما ظهرت سمات مستطيلة و/أو متوازية ذات حدود حادة أحيانًا في اتجاهات أخرى (331، (510)). كشفت فحوصات حيود الأشعة السينية (XRD) θ-2θ (الملخصة في الجدول 1) عن تباين غير متجانس ناجح للركائز ذات مؤشر ميلر المنخفض، باستثناء Si(110) التي أظهرت قممًا مختلطة من 3C-SiC(111) و(110) مما يدل على تعدد التبلور. سبق الإبلاغ عن هذا الاختلاط في التوجهات في Si(110)، مع أن بعض الدراسات لاحظت وجود كربيد السيليكون-3C حصريًا (111)، مما يشير إلى أهمية تحسين ظروف النمو. بالنسبة لمؤشرات ميلر ≥5 ((510)، (553)، (995))، لم تُرصد أي قمم حيود ضوئي (XRD) في تكوين θ-2θ القياسي، لأن هذه المستويات عالية المؤشر لا تعترض في هذه الهندسة. يشير غياب قمم كربيد السيليكون-3C منخفضة المؤشر (مثل (111)، (200)) إلى نمو أحادي البلورة، مما يتطلب إمالة العينة للكشف عن الحيود من المستويات منخفضة المؤشر.
الشكل 2 يوضح حساب زاوية المستوى داخل بنية بلورة CFC.
أظهرت الزوايا البلورية المحسوبة بين المستويين عالي ومنخفض المؤشر (الجدول 2) انحرافات كبيرة في الاتجاهات (>10°)، مما يُفسر غيابها في مسوحات θ-2θ القياسية. لذلك، أُجري تحليل شكل القطب على العينة ذات التوجه (995) نظرًا لشكلها الحبيبي غير الاعتيادي (ربما بسبب النمو العمودي أو التوأمة) وخشونتها المنخفضة. كانت أشكال القطب (111) (الشكل 3) من ركيزة السيليكون وطبقة 3C-SiC متطابقة تقريبًا، مما يؤكد النمو الفوقي دون توأمة. ظهرت البقعة المركزية عند χ≈15°، مطابقةً للزاوية النظرية (111)-(995). ظهرت ثلاث بقع متكافئة التماثل في المواقع المتوقعة (χ=56.2°/φ=269.4°، χ=79°/φ=146.7°، و33.6°)، إلا أن وجود بقعة ضعيفة غير متوقعة عند χ=62°/φ=93.3° يتطلب مزيدًا من البحث. تبدو جودة البلورات، المُقيّمة من خلال عرض البقعة في مسوحات φ، واعدة، مع أن قياسات منحنى التأرجح ضرورية للقياس الكمي. لا تزال أرقام الأقطاب للعينتين (510) و(553) بحاجة إلى استكمال لتأكيد طبيعتها الفوقية المفترضة.
يوضح الشكل 3 مخطط ذروة XRD المسجل على العينة الموجهة (995)، والذي يعرض المستويات (111) لركيزة Si (أ) وطبقة 3C-SiC (ب).
4. الخاتمة
نجح نمو كربيد السيليكون-3C غير المتجانس في معظم اتجاهات السيليكون باستثناء (110) الذي أنتج مادة متعددة البلورات. أنتجت ركائز Si(100)2° off و(995) الطبقات الأكثر نعومة (RMS <1 نانومتر)، بينما أظهرت (111) و(211) و(553) انحناءً ملحوظًا (30-60 ميكرومتر). تتطلب الركائز عالية المؤشر توصيفًا متقدمًا بتقنية XRD (مثل أشكال الأقطاب) لتأكيد التراكب بسبب غياب قمم θ-2θ. يشمل العمل الجاري قياسات منحنى التأرجح، وتحليل إجهاد رامان، والتوسع في اتجاهات إضافية عالية المؤشر لإكمال هذه الدراسة الاستكشافية.
بصفتها شركة تصنيع متكاملة رأسيًا، تقدم XKH خدمات معالجة احترافية مخصصة مع مجموعة شاملة من ركائز كربيد السيليكون، حيث نقدم أنواعًا قياسية ومتخصصة، بما في ذلك 4H/6H-N، و4H-Semi، و4H/6H-P، و3C-SiC، متوفرة بأقطار تتراوح بين 2 و12 بوصة. تضمن خبرتنا الشاملة في تنمية البلورات، والتصنيع الدقيق، وضمان الجودة حلولًا مصممة خصيصًا لتطبيقات إلكترونيات الطاقة، والترددات الراديوية، والتطبيقات الناشئة.
وقت النشر: ٨ أغسطس ٢٠٢٥