1. مقدمة
على الرغم من عقود من البحث، لم تصل جودة بلورات كربيد السيليكون 3C-SiC المتغايرة النمو على ركائز السيليكون إلى المستوى المطلوب للتطبيقات الإلكترونية الصناعية. عادةً ما تتم عملية النمو على ركائز Si(100) أو Si(111)، حيث يمثل كل منهما تحديات خاصة: مناطق مضادة للطور في حالة (100) وتشققات في حالة (111). في حين تُظهر الأغشية ذات التوجه [111] خصائص واعدة مثل انخفاض كثافة العيوب، وتحسين مورفولوجيا السطح، وانخفاض الإجهاد، فإن التوجهات البديلة مثل (110) و(211) لا تزال غير مدروسة بشكل كافٍ. تشير البيانات الحالية إلى أن ظروف النمو المثلى قد تكون خاصة بالتوجه، مما يعقد البحث المنهجي. والجدير بالذكر أنه لم يُبلغ من قبل عن استخدام ركائز السيليكون ذات مؤشر ميلر الأعلى (مثل (311) و(510)) لنمو كربيد السيليكون 3C-SiC المتغاير، مما يفسح المجال واسعًا للبحث الاستكشافي حول آليات النمو المعتمدة على التوجه.
2. تجريبي
تم ترسيب طبقات 3C-SiC باستخدام تقنية الترسيب الكيميائي للبخار (CVD) تحت الضغط الجوي، وذلك باستخدام غازات SiH4/C3H8/H2. استُخدمت ركائز من رقائق السيليكون بمساحة 1 سم² ذات اتجاهات مختلفة: (100)، (111)، (110)، (211)، (311)، (331)، (510)، (553)، و(995). كانت جميع الركائز على المحور باستثناء الركيزة (100)، حيث تم اختبار رقائق ذات انحراف 2° إضافي. تضمنت عملية التنظيف قبل الترسيب إزالة الشحوم بالموجات فوق الصوتية باستخدام الميثانول. تضمنت بروتوكولات النمو إزالة طبقة الأكسيد الأصلية من خلال التلدين بالهيدروجين عند درجة حرارة 1000 درجة مئوية، متبوعة بعملية قياسية من خطوتين: الكربنة لمدة 10 دقائق عند درجة حرارة 1165 درجة مئوية باستخدام 12 سم مكعب/دقيقة من غاز البروبان (C3H8)، ثم الترسيب الطبقي لمدة 60 دقيقة عند درجة حرارة 1350 درجة مئوية (نسبة الكربون إلى السيليكون = 4) باستخدام 1.5 سم مكعب/دقيقة من غاز سيلان (SiH4) و2 سم مكعب/دقيقة من غاز البروبان (C3H8). وشملت كل دورة نمو من أربعة إلى خمسة اتجاهات مختلفة للسيليكون، مع رقاقة مرجعية واحدة على الأقل (100).
3. النتائج والمناقشة
أظهرت مورفولوجيا طبقات 3C-SiC المُرَسَّبة على ركائز سيليكون مختلفة (الشكل 1) سمات سطحية وخشونة متباينة. بصريًا، بدت العينات المُرَسَّبة على Si(100) و(211) و(311) و(553) و(995) لامعة كسطح المرآة، بينما تراوحت ألوان العينات الأخرى بين الأبيض الحليبي ((331) و(510)) والباهت ((110) و(111)). وقد تم الحصول على أنعم الأسطح (التي تُظهر أدق بنية مجهرية) على ركائز (100) بزاوية 2° و(995). والجدير بالذكر أن جميع الطبقات ظلت خالية من الشقوق بعد التبريد، بما في ذلك طبقة 3C-SiC(111) المعرضة عادةً للإجهاد. ربما يكون صغر حجم العينة قد حال دون حدوث تشققات، على الرغم من أن بعض العينات أظهرت انحناءً (انحرافًا يتراوح بين 30 و60 ميكرومترًا من المركز إلى الحافة) يمكن رصده تحت المجهر الضوئي بتكبير 1000 ضعف نتيجةً للإجهاد الحراري المتراكم. أظهرت الطبقات المنحنية بشدة التي نمت على ركائز Si(111) و(211) و(553) أشكالًا مقعرة تشير إلى إجهاد الشد، مما يتطلب المزيد من العمل التجريبي والنظري لربطها بالتوجه البلوري.
يلخص الشكل 1 نتائج حيود الأشعة السينية (XRD) والمسح الضوئي (AFM) (المسح عند 20 × 20 ميكرومتر مربع) لطبقات 3C-SC التي نمت على ركائز السيليكون ذات التوجهات المختلفة.
أكدت صور المجهر الذري الماسح (AFM) (الشكل 2) الملاحظات البصرية. وأكدت قيم الجذر التربيعي المتوسط (RMS) أن الأسطح الأكثر نعومة على الركائز (100)2° و(995)، والتي تتميز ببنية حبيبية بأبعاد جانبية تتراوح بين 400 و800 نانومتر. وكانت الطبقة النامية على الاتجاه (110) هي الأكثر خشونة، بينما ظهرت ملامح مستطيلة و/أو متوازية ذات حدود حادة في بعض الأحيان في الاتجاهات الأخرى ((331)، (510)). وكشفت عمليات مسح حيود الأشعة السينية (XRD) θ-2θ (الملخصة في الجدول 1) عن نجاح عملية التغاير الطبقي للركائز ذات مؤشر ميلر المنخفض، باستثناء Si(110) الذي أظهر قممًا مختلطة من 3C-SiC(111) و(110) مما يشير إلى تعدد التبلور. سبق الإبلاغ عن هذا التداخل في التوجهات لبلورات السيليكون Si(110)، مع أن بعض الدراسات رصدت بلورات 3C-SiC ذات توجه حصري (111)، مما يشير إلى أهمية تحسين ظروف النمو. بالنسبة لمؤشرات ميلر ≥ 5 ((510)، (553)، (995))، لم تُكتشف أي قمم حيود الأشعة السينية في التكوين القياسي θ-2θ، لأن هذه المستويات ذات المؤشرات العالية لا تُظهر حيودًا في هذا التكوين. يشير غياب قمم 3C-SiC ذات المؤشرات المنخفضة (مثل (111)، (200)) إلى نمو بلوري أحادي، مما يستلزم إمالة العينة للكشف عن الحيود من المستويات ذات المؤشرات المنخفضة.
يوضح الشكل 2 حساب زاوية المستوى داخل بنية بلورة CFC.
أظهرت الزوايا البلورية المحسوبة بين المستويات ذات المؤشرات العالية والمنخفضة (الجدول 2) انحرافات كبيرة في التوجيه (>10°)، مما يفسر غيابها في عمليات المسح القياسية θ-2θ. ولذلك، أُجري تحليل شكل القطب على العينة الموجهة (995) نظرًا لشكلها الحبيبي غير المعتاد (الذي قد يكون ناتجًا عن نمو عمودي أو توأمة) وانخفاض خشونة سطحها. كانت أشكال القطب (111) (الشكل 3) من ركيزة السيليكون وطبقة 3C-SiC متطابقة تقريبًا، مما يؤكد النمو المتناحي دون توأمة. ظهرت البقعة المركزية عند χ≈15°، مطابقةً للزاوية النظرية (111)-(995). ظهرت ثلاث بقع متناظرة في المواقع المتوقعة (χ=56.2°/φ=269.4°، χ=79°/φ=146.7°، و33.6°)، بينما تتطلب بقعة ضعيفة غير متوقعة عند χ=62°/φ=93.3° مزيدًا من البحث. تبدو جودة البلورة، التي تم تقييمها من خلال عرض البقعة في مسح φ، واعدة، مع الحاجة إلى قياسات منحنى التأرجح لتحديدها كميًا. لا تزال أشكال الأقطاب لعينات (510) و(553) بحاجة إلى إكمالها لتأكيد طبيعتها المتنامية فوقيًا المفترضة.
يوضح الشكل 3 مخطط ذروة حيود الأشعة السينية المسجل على العينة الموجهة (995)، والذي يعرض مستويات (111) لركيزة السيليكون (أ) وطبقة 3C-SiC (ب).
4. الخاتمة
نجحت عملية نمو طبقة 3C-SiC غير المتجانسة على معظم اتجاهات السيليكون باستثناء الاتجاه (110)، الذي أنتج مادة متعددة البلورات. أنتجت ركائز السيليكون ذات الاتجاه (100) بزاوية 2° والركيزة (995) طبقات أكثر نعومة (RMS < 1 نانومتر)، بينما أظهرت الركائز (111) و(211) و(553) انحناءً ملحوظًا (30-60 ميكرومتر). تتطلب الركائز ذات معامل الانكسار العالي توصيفًا متقدمًا باستخدام حيود الأشعة السينية (مثل أشكال الأقطاب) لتأكيد النمو المتجانس نظرًا لغياب قمم θ-2θ. تشمل الأعمال الجارية قياسات منحنى التأرجح، وتحليل إجهاد رامان، والتوسع ليشمل اتجاهات إضافية ذات معامل انكسار عالٍ لاستكمال هذه الدراسة الاستكشافية.
بصفتها شركة تصنيع متكاملة رأسياً، تقدم XKH خدمات معالجة احترافية مخصصة مع مجموعة شاملة من ركائز كربيد السيليكون، تشمل أنواعاً قياسية ومتخصصة مثل 4H/6H-N و4H-Semi و4H/6H-P و3C-SiC، متوفرة بأقطار تتراوح من 2 بوصة إلى 12 بوصة. تضمن خبرتنا الشاملة في نمو البلورات والتصنيع الدقيق وضمان الجودة حلولاً مصممة خصيصاً لتطبيقات إلكترونيات الطاقة والترددات اللاسلكية والتطبيقات الناشئة.
تاريخ النشر: 8 أغسطس 2025