如何判断碳化硅衬底的晶向？

碳化硅衬底的晶向判断需结合晶体学原理与实验技术，具体方法可分为以下三类：

一、X射线衍射法（XRD）

1. ‌原理‌

   • 基于布拉格定律（$n\lambda =2d\sin \theta$），通过测量X射线在晶面衍射的角度，计算晶面间距$d$，从而确定晶向‌。
   • 六方晶系的碳化硅（如4H-SiC、6H-SiC）需计算晶面指数$hkl$与晶胞参数$a$、$c$的关系（公式：1/d2=4(h2+hk+k2)/(3a2)+l2/c2）‌。

2. ‌操作步骤‌

   • 固定X射线波长，调整样品与探测器的角度θ，记录衍射峰位置；
   • 通过衍射峰对应的θ值，结合布拉格方程和晶胞参数，推导晶面指数‌。

3. ‌适用场景‌

   • 高精度晶向测定（误差<0.1°），适用于晶锭定向、外延工艺前的晶片校准‌。

二、激光定向技术

1. ‌原理‌

   • 利用激光在特定晶面的反射特性，通过检测反射光束的路径和强度差异判断晶向‌。
   • 对于4H-SiC等材料，主定位边与副定位边的加工需结合晶向标记‌。

2. ‌操作步骤‌

   • 将激光束垂直入射至衬底表面，调整衬底角度至反射光斑达到最大强度；
   • 通过光斑位置或光强分布确定晶面方向‌。

3. ‌适用场景‌

   • 快速定位晶向（如线切工序前的晶片校准），精度略低于XRD但效率更高‌。

三、化学腐蚀法（辅助验证）

1. ‌原理‌

   • 不同晶面的原子排列密度与化学活性不同，导致腐蚀速率差异。例如：
     • ‌Si面‌（0001）：腐蚀速率较慢，表面更平整；
     • ‌C面‌（000-1）：腐蚀速率较快，易形成台阶状形貌‌。

2. ‌操作步骤‌

   • 将衬底浸入熔融KOH或混合酸（如HF:HNO₃）中，控制温度和时间；
   • 通过光学显微镜或原子力显微镜（AFM）观察腐蚀后表面形貌，判断晶向‌。

3. ‌适用场景‌

   • 实验室快速区分Si面与C面，常用于外延工艺前的晶面验证‌。

注意事项

1. ‌晶面定义与晶向关系‌
   • 4H-SiC的（0001）晶面为Si面，（000-1）晶面为C面，晶向由键合原子的排列方向决定‌。
2. ‌应用关联性‌
   • 晶向偏差会直接影响外延层质量（如位错密度、薄膜均匀性），需结合XRD与工艺需求综合校准‌。

通过以上方法，可系统判断碳化硅衬底的晶向，满足器件制造对晶体方向的高精度要求。

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