Kurzfassung 

Bereits vor 60 Jahren wurde Silizium (Si) aufgrund seiner gut etablierten Technologie zur bevorzugten Materialwahl für Mikro elektromechanische Systeme (MEMS). Seine begrenzten elektrischen, thermischen und mechanischen Eigenschaften, wie etwa die relativ geringe Bandlücke, schränken jedoch seine Leistung in Hochtemperatur- oder rauen Umgebungen erheblich ein. Um diese Herausforderungen zu überwinden, hat sich Siliziumkarbid (SiC) als vielversprechende Alternative etabliert. Einkristallines SiC weist überlegene Eigenschaften auf, darunter eine breite Bandlücke, eine hohe Durchbruchfeldstärke und eine ausgezeichnete thermische Stabilität. Damit ist es ideal für Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen, sowie Anwendungen in chemisch aggressiven Umgebungen geeignet. Diese Arbeit konzentriert sich auf polykristallines 3C-SiC, welches durch seine hohe Härte, thermische Stabilität, Verschleißfestigkeit und erstklassige Biokompatibilität überzeugt. SiC ist daher ein perfekter Ersatz für Silizium in thermomechanisch belasteten Komponenten wie Cantilevern und Membranen. Die kontrollierte Abscheidung von 3C-SiC auf Si oder SiO2 beschichteten Si Substraten ermöglicht maßgeschneiderte Dünnschichteigenschaften und die Herstellung von polykristallinen 3C-SiC-on-Insulator (SiCOI-ähnlichen) Strukturen. Diese Fortschritte in den Materialeigenschaften können die Leistung von 3C-SiC-basierten MEMS-Geräten erheblich verbessern, die Einschränkungen von Silizium überwinden und den Weg für die nächste Generation leistungsfähiger Anwendungen in extremen Umgebungen ebnen. In dieser Arbeit werden die Abscheidung, Charakterisierung und das Anwendungspotenzial von polykristallinen 3C-SiC-Dünnschichten untersucht, die auf Si und SiO2 beschichteten Si Substraten gewachsen sind. Ein alternierender Ansatz wird verwendet, um die Precursor-Gase Silan und Propan in die Reaktionskammer einzuleiten. Die Studie konzentriert sich primär auf den Einfluss der Prozessgasflussraten auf das Wachstum und die daraus resultierenden Eigenschaften der Dünnschichten. Eine höhere Wachstumsrate pro Zyklus wurde konsistent bei geringerer Trägergasflussrate beobachtet, was auf die Hemmung durch Wasserstoff und Passivierungseffekte an der Oberfläche zurückgeführt wird. Tiefenprofilanalysen mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) zeigten einen erhöhten Sauerstoffgehalt von 7,5 % in auf SiO2 gewachsenen Schichten, was zu signifikanten Unterschieden im Vergleich zu auf Si gewachsenen Schichten führte. Verglichen mit SiO2, wurden höhere Wachstumsraten pro Zyklus von 37 % auf Si Substraten gemessen, während die Karbonisierungsschichtdicke für das jeweilige Substrat konstant blieb. Dabei wurde eine 20 nm dicke amorphe Kohlenstoffschicht an der 3C-SiC/Si Grenzfläche festgestellt, während an der Grenzfläche auf SiO2 eine 10 nm dicke Graphitschicht identifiziert wurde. Darüber hinaus wurden glattere Oberflächen bei 3C-SiC-Dünnschichten auf SiO2 Substraten mit einer minimalen RMS-Rauheit von 2,6 nm im Vergleich zu 3,5 nm auf Si gemessen. Röntgenbeugungsanalysen (XRD) bestätigten die polykristalline Natur der Schichten, wobei die <111> Kristallorientierung am stärksten ausgeprägt war. Eine höhere Kristallqualität wurde für SiO2 beschichtete Si Substrate festgestellt, was durch geringere Werte der Halbwertsbreite (FWHM) der XRD-Rockingkurven von 1,112 ° für Si und 0,446 ° für SiO2 belegt wurde. Des Weiteren wurde der Wärmeausdehnungskoeffizient (CTE) von 3C-SiC-Dünnschichten untersucht, der eine signifikante Abhängigkeit von den Prozessgasflussraten zeigte. Die CTE-Werte variierten zwischen 4,37 und 13,96 ppm/K bei 900 °C, was zu einem minimalen CTE-Mismatch von 3,8 % zwischen 3C-SiC und Si führte. Der Einfluss dieses CTE-Mismatches wurde auf Bauteilebene an Mikroheizplatten (μHP) mit strukturierten Platin- (Pt-) Heizstrukturen demonstriert. Wie erwartet zeigte sich eine signifikante Reduktion der thermisch induzierten Verformungen bei geringerem Mismatch der CTE-Werte. Elektrische Charakterisierungen von nominal undotierten 3C-SiC-Schichten zeigten, dass durch eine sorgfältige Auswahl der Prozessgasflussraten Filme mit niedrigen Verunreinigungsniveaus erreicht wurden, was sich in hohen spezifischen Schichtwiderständen von 2,3 Ω·cm äußerte. Für n-dotierte 3C-SiC-Schichten, die mit dem alternierenden Precursor einleite-Ansatz hergestellt wurden, wurde ein minimaler spezifischer Widerstand von 0,02 Ω·cm bei Raumtemperatur gemessen, was die Effektivität des neu entwickelten in-situ Dotierungsschemas bestätigte. Weitere Analysen zeigten, dass eine übermäßige Stickstoffinkorporation aufgrund hoher Ammoniakflussraten zur Bildung einer amorphen isolierenden SiCxNy Schicht führte. Auf Geräteebene zeigten 3C-SiC-basierte μHP-Strukturen reduzierte thermisch induzierte Auslenkungen im Vergleich zu Pt-basierten Strukturen, was das Potenzial integrierter 3C-SiC-Heizstrukturen unterstreicht. Zusammenfassend hebt diese Arbeit die signifikanten Auswirkungen von Abscheidungsparametern auf das Wachstum, die Struktur und die elektrischen Eigenschaften von polykristallinen 3C-SiC-Dünnschichten hervor, mit vielversprechenden Anwendungen für MEMS und Hochtemperaturbauteilen.

Publikationen

Doktorarbeit

Journalartikel

  1. Moll, Philipp, et al. "Ultra-low CTE-mismatch of 3C-SiC-on-Si thin films for high temperature MEMS applications." Sensors and Actuators A: Physical (2025): 116262, https://doi.org/10.1016/j.sna.2025.116262
  2. Moll, Philipp, et al. "Polycrystalline LPCVD 3C-SiC Thin Films on SiO2 Using Alternating Supply Deposition." Journal of Microelectromechanical Systems (2024), https://doi.org/10.1109/JMEMS.2024.3472286
  3. Moll, Philipp, et al. "Impact of alternating precursor supply and gas flow on the LPCVD growth behavior of polycrystalline 3C-SiC thin films on Si." Sensors and Actuators A: Physical 372 (2024): 115376, https://doi.org/10.1016/j.sna.2024.115376

Konferenzbeiträge

  1. Moll, Philipp, Georg Pfusterschmied, and Ulrich Schmid. "Impact of Excess Carbon at the 3C-SiC/SiO 2 Interface Using LPCVD-Based Alternating Supply Deposition." 2024 IEEE 37th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). IEEE, 2024, https://doi.org/10.1109/MEMS58180.2024.10439413
  2. Moll, Philipp, Georg Pfusterschmied, and Ulrich Schmid. "Robust Polycrystalline 3C-Sic-on-Si Heterostructures with Low CTE Mismatch up to 900° C for MEMS." 2023 IEEE 36th International Conference on Micro Electro Mechanical Systems (MEMS). IEEE, 2023, https://doi.org/10.1109/MEMS49605.2023.10052144 

Fördergeber

  • TU Wien