本文摘要

SiC端面倾角度数会影响晶体生长动力学、界面特性和器件的电场分布，决定了SiC功率器件的性能，倾角控制精度已从“工艺参数”升级为“核心竞争力”，本文将介绍4°倾角及其方向的重要性，以及马尔文帕纳科高精度晶向定位仪Omega/theta如何帮助SiC衬底量产保持极高的倾角控制技术。

01丨碳化硅的生长模式

无论是PVT还是HTCVD生长碳化硅单晶，都涉及到了气固相变。所以，这个生长具有三种模式：岛状生长（Volmer-Weber，VW）、层状生长（Frankvander-Merwe，FM）、混合生长（Stranski-Krasannov，SK）。 这是由于存在两种作用的平衡：沉积的气体原子与沉积的气体原子的作用，沉积的气体原子与衬底原子的作用。

岛状生长：沉积原子与衬底原子的作用＜沉积原子与沉积原子的作用；

层状生长：沉积原子与衬底原子的作用＞沉积原子与沉积原子的作用；

混合生长：先层状生长，再岛状生长。

图1，碳化硅单晶三种生长模式示意图：（a）VW模式（b）FM模式（c）SK模式

岛状生长容易在4H-SiC上长出3C-SiC，为了防止生成其他晶型，需要控制生长方式为层状生长。但是，纯碳硅双分子层反而会发生混合生长——就算一开始是层状生长，后面就开始岛状生长其他晶型的碳化硅单晶。

可以从微观上分析原因：如果将沉积的气体原子视为六面体，一片衬底的表面根据接触面的多少，分为台面（Terrace）、台阶（Ledge、Step）、扭折（Kink），合称TLK结构：

台面与沉积原子接触面为1；

台阶与沉积原子接触面为2；

扭折与沉积原子接触面为3。

图2 有偏角衬底表面的terrace-ledge-kink(TLK)结构

理所当然，台阶的接触面多于台面，沉积原子与衬底原子的作用更强。这样越能实现沉积原子与衬底原子的作用＞沉积原子与沉积原子的作用。所以，一般按照一定的偏角切割单晶，得到具有偏角的衬底或者籽晶，使得台面变成台阶。

这就是，SiC的台阶流（Step-controlled epitaxy）生长：使用与（0001）面有偏角的衬底，构建更多的台阶，减少台面，防止自发成核，进一步防止生成3C-SiC。美国Cree公司的产品为4.0˚ toward[1120] ± 0.5˚

因此碳化硅端面的4.0˚偏角的准确性很重要，且4.0˚ 偏角需向[1120]方向倾斜，角度在 ± 0.5˚以内，现已有公司提升至±0.15°。 Malvernpanalytical Freiberg晶相定位XRD的倾角精度可达0.003°，倾角方向的精度可达0.03°。

图3 4H-SiC外延生长模式：（a）3C-SiC二维生长模式（b）4H-SiC同质外延的台阶流生长模式

偏4°及以下的低偏角衬底仍旧会发生3C-SiC成核，造成三角形缺陷。三角形缺陷=两个基面位错+堆垛层错，两个基面位错延伸成为斜边，而中间就是堆垛层错，这个层错容易直接塌陷。这需要控制温度、气流等条件，进一步调控。

02丨马尔文帕纳科晶向定位XRD的检测

Omega/theta 晶向定位XRD的端面磨的定位和固定夹具如下图：

样品支撑架post

端面调向夹具

将晶锭粘在post支架上，底部突出部位嵌入端面夹具蓝色竖线标注的圆孔处，通过设备进行定向测量后，根据软件提示，对夹具台面下的两个罗盘进行调节，经过复检后，锁定测量好的晶相，将整个夹具和样品移动至磨床上进行研磨。设备可对研磨后的样品进行复检。

下图展示使用马尔文帕纳科设备及夹具进行端面调向研磨后的数据：

参考文献：

[1] 4H-SiC低压同质外延生长和器件验证 西安电子科大 博士论文胡继超