Polycrystalline cubic silicon carbide thin films for MEMS

Abstract

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.

Starting already 60 years ago silicon (Si) has been the material of choice for micro electromechanical systems (MEMS), thanks to its well-established technology base. However, its limitations in terms of electrical, thermal and mechanical properties, such as its relatively low band gap, restrict its performance in high-temperature or harsh environments applications. To overcome these challenges, silicon carbide (SiC) has emerged as a promising alternative. Single crystal SiC exhibit superior properties, including a wide band gap, high breakdown electric field strength and thermal stability, making it ideal for high-power, high-temperature and chemically aggressive applications. This work focuses on polycrystalline 3C-SiC featuring high hardness, thermal stability, wear resistance and biocompatibility, making it a perfect substitute for Si for thermo-mechanically loaded components, such as cantilevers and membranes. The controlled deposition of 3C-SiC on Si or SiO2 coated Si substrates offers the potential for tailored thin film properties, enabling the creation of polycrystalline 3C-SiC-on-insulator (SiCOI-like) structures. This advancement in material properties can significantly improve the performance of 3C-SiC-based MEMS devices, surpassing the limitations of Si and paving the way for next-generation, high-performance applications in extreme environments. This work investigates the deposition, characterization and application potential of polycrystalline 3C-SiC thin films grown on both Si and SiO2 covered Si substrates. An alternating approach is used to feed the precursor gases of silane and propane into the reaction chamber. The study primarily focuses on the influence of process gas flow rates on thin film growth and properties. A higher growth per cycle was consistently observed with a lower carrier flow rate, attributed to hydrogen inhibition and surface passivation effects. X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) depth profiling revealed an increased oxygen content of 7.5 % in thin films grown on SiO2, causing substantial differences when compared to those grown on Si. Higher rates in growth per cycle were measured for Si substrates compared to SiO2. The carbonization layer thickness, however, was consistent for each substrate, featuring a 20 nm amorphous carbon layer at the 3C-SiC/Si interface, while a 10 nm graphite layer was identified at the interface on SiO2. Furthermore, smoother surfaces of 3C-SiC thin films grown on SiO2 compared to Si were measured with a minimum RMS roughness of 2.6 and 3.5 nm, respectively. X-ray diffraction (XRD) analysis confirmed the polycrystalline nature of the films, with the <111> crystallographic orientation being most prominent. Higher crystal quality was confirmed for SiO2 covered Si substrates, indicated by lower full-width at half maximum (FWHM) values of XRD rocking curves of 1.112 ° for Si and 0.446 ° for SiO2. Next, the coefficient of thermal expansion (CTE) of 3C-SiC thin films was investigated, showing significant variation with process gas flow rates. The CTE values ranged from 4.37 to 13.96 ppm/K at 900 °C, resulting in a minimal CTE-mismatch between 3C-SiC and Si of 3.8 %. The impact of the CTE-mismatch is demonstrated on device level with micro hotplate (μHP) structures featuring thermal excitation with patterned platinum (Pt) structures. As expected, significant reduction of thermally-induced deflections was demonstrated when a lower mismatch of the individual CTE values was achieved. Electrical characterization of nominally undoped 3C-SiC films showed that a carefully selected process gas flow ratio resulted in films with low impurity levels, indicated by high film resistivities of 2.3 Ω·cm. For n-doped 3C-SiC thin films, using the alternating feed approach, a minimum film resistivity of 0.02 Ω·cm was measured at room temperature, confirming the effectiveness of the newly designed in-situ doping scheme. Further analysis showed that excessive nitrogen incorporation leads to the formation of an amorphous insulating SiCxNy layer due to the presence of high ammonia flow rates. On the device level, 3C-SiC-based μHP structures exhibited reduced thermally-induced deflections compared to those with Pt-based structures, confirming the potential of integrated 3C-SiC heating structures as minimal deflections resulted. In conclusion, this work highlights the significant impact of deposition parameters on the growth, structural and electrical properties of polycrystalline 3C-SiC thin films, with promising applications in MEMS and high-temperature device applications.