本文摘要

SiC端面傾角度數會影響晶體生長動力學、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”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襯底量產保持極高的傾角控制技術。

01丨碳化硅的生長模式

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，FM）、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。

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；

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；

混合生長：先層狀生長，再島狀生長。

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接觸面的多少，分為臺面（Terrace）、臺階（Ledge、Step）、扭折（Kink），合稱TLK結構：

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。

圖2 有偏角襯底表面的terrace-ledge-kink(TLK)結構

理所當然，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，構建更多的臺階，減少臺面，防止自發成核，進一步防止生成3C-SiC。美國Cree公司的產品為4.0? toward[1120] ± 0.5?

因此碳化硅端面的4.0?偏角的準確性很重要，且4.0? 偏角需向[1120]方向傾斜，角度在 ± 0.5?以內，現已有公司提升至±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°。

圖3 4H-SiC外延生長模式：（a）3C-SiC二維生長模式（b）4H-SiC同質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，進一步調控。

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：

樣品支撐架post

端面調向夾具

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注的圓孔處，通過設備進行定向測量后，根據軟件提示，對夾具臺面下的兩個羅盤進行調節，經過復檢后，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。設備可對研磨后的樣品進行復檢。

下圖展示使用馬爾文帕納科設備及夾具進行端面調向研磨后的數據：

參考文獻：

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