关于利用晶片离子切片技术制造4H-SiC-on-SiO2/Si薄膜中表面活化参数影响的研究报告
一、 研究概述
本研究报告介绍了一项由Dailei Zhu, Wenbo Luo, Kaibiao Wang, Jintao Xu, Shitian Huang, Yao Shuai, Chuangui Wu, 和 Wanli Zhang共同完成的原创性研究工作。所有作者均来自电子科技大学电子科学与工程学院，其中部分作者同时隶属于电子薄膜与集成器件国家重点实验室（电子科技大学）。这项研究以题为《Effect of the Surface Activation Parameter on the Fabrication Process of 4H–SiC Film on SiO2/Si Using the Crystal-Ion-Slicing Technique》发表于学术期刊《physica status solidi (a)》，并于2022年12月16日在线发表。
二、 学术背景
该研究隶属于半导体材料与器件制造领域，具体聚焦于碳化硅（Silicon Carbide, SiC）薄膜的异质集成技术。4H-SiC因其优异的宽带隙、高热导率和高电子迁移率等特性，成为制造高压、高频、高功率电子器件的理想材料。然而，在传统的异质外延（Hetero-epitaxy）工艺中，将SiC直接外延生长在硅（Si）衬底上会面临严重的晶格失配问题，导致薄膜中产生大量的堆垛层错、反相畴和微孪晶等缺陷，严重影响了器件性能。
为了解决这一难题，晶片离子切片（Crystal-Ion-Slicing, CIS）技术成为一种极具前景的解决方案。该技术通过在施主晶片（Donor Wafer）中特定深度注入高能离子（如H+）形成损伤层，随后将施主晶片与目标衬底通过键合技术结合，最后通过热退火处理，利用损伤层处气体（如氢气）的膨胀压力将施主晶片表面的一层高质量单晶薄膜“剥离”（Exfoliate）并转移到目标衬底上。CIS技术的最大优势在于其集成的灵活性，理论上任何单晶材料都可以转移到任何衬底上，而无需考虑晶格匹配问题。利用CIS技术将高质量SiC单晶薄膜集成到Si衬底上，可以形成碳化硅-绝缘体上硅（Silicon Carbide-on-Insulator， SiCOI）结构，这为功率半导体器件和非线性光学器件提供了理想的材料平台。
在CIS技术流程中，晶片键合（Wafer Bonding）是关键步骤之一，其键合强度直接影响后续剥离过程的成功与否以及最终薄膜的质量。等离子体活化键合（Plasma-Activated Bonding）是一种能够在室温或较低温度下实现高强度键合的先进技术，尤其适用于热膨胀系数差异较大的材料对。本研究旨在深入探究等离子体活化对SiC与SiO2/Si衬底键合强度的增强机理，并系统性地分析键合强度（受表面活化参数影响）对SiC薄膜剥离过程的影响规律，最终目标是成功制备出高质量的4H-SiC-on-Si（SiCOI）结构，并评估其材料性能。
三、 详细工作流程
本研究是一个系统性的工艺实验，其详细工作流程可分解为样品制备、等离子体活化与键合、高温剥离以及材料表征四个主要阶段，每个阶段均包含精心设计的实验和测试。
第一阶段：样品制备与预处理 研究使用了两种主要材料：1）作为施主晶片的6英寸4H-SiC(0001)晶片（电阻率~1×10⁸ Ω·cm）；2）作为目标衬底的SiO2/Si（热氧化硅片）。首先，对SiC晶片进行H⁺离子注入，条件为能量180 keV，剂量1×10¹⁷ cm⁻²，温度80°C，旨在其表面下特定深度形成剥离所需的损伤层。同时，对SiO2/Si衬底进行抛光，使其表面达到原子级光滑度（均方根粗糙度RMS ≤ 0.2 nm）。随后，将注入后的SiC晶片和SiO2/Si衬底切割成20mm × 20mm的小片，以备后续处理。所有样品在活化前均需经过标准RCA清洗流程（RCA1和RCA2溶液清洗，去离子水超声），以确保表面清洁度，去除有机和无机污染物。
第二阶段：等离子体活化与室温键合 此阶段的核心是研究不同等离子体活化条件对键合界面的影响。研究采用了三种不同的等离子体气体（氩气Ar、氮气N₂、氧气O₂）进行表面活化。活化过程在一台标准等离子体处理设备（Dynetech SPV-5）中进行，固定工艺参数为：气体流量80 sccm，腔室压力100 kPa，功率300 W，频率13.56 MHz。实验变量为活化气体种类和活化时间。活化完成后，立即将活化后的SiC片与SiO2/Si片在室温下直接接触键合，形成预键合对（Pre-bonded Pair）。随后，将预键合对在200°C下退火10小时，并施加2.5 MPa的压力以增强初始键合强度。本研究的创新点在于系统地对比了不同活化气体（Ar, N₂, O₂）和不同O₂活化时间（30s, 90s, 120s）对最终键合效果的影响。
第三阶段：高温退火剥离 将经过预键合和低温退火的键合对置于720°C的高温炉中，在空气气氛下退火60小时。此过程是CIS技术的核心步骤。高温诱导离子注入损伤层处形成微腔并积聚压力，最终导致损伤层上方的SiC单晶薄膜从体材料上剥离，并完整地转移到SiO2/Si衬底上，形成最终的4H-SiC薄膜/SiO2/Si结构。研究还测试了不同退火温度（720°C, 740°C, 760°C）对最终薄膜表面形貌和晶体质量的影响。
第四阶段：全面表征与分析 为了深入理解活化机理、评估键合强度、并检验最终薄膜质量，研究团队进行了多层次、多手段的表征： 1. 表面亲水性测试：使用接触角测量仪（SDC-200S）测量SiC样品（Si面和C面）在活化前后的亲水接触角，并基于Fowkes理论计算表面自由能，以间接评估表面活性。 2. 表面化学态分析：使用X射线光电子能谱（XPS, Thermo Scientific ESCALAB 250Xi）详细表征SiC和SiO2/Si表面在等离子体活化前后的化学基团变化，特别是Si-OxCy亚氧化物和Si-OH基团的相对含量，这是揭示活化机理的关键。 3. 键合强度测量：使用拉力测试机（Zwick/Roell-Z050）定量测量不同活化条件下键合对的键合强度（Bonding Strength），这是评价活化效果和预测剥离成功率的核心指标。 4. 剥离界面与薄膜形貌观察：使用扫描电子显微镜（SEM, JSM-7500F）观察剥离后薄膜与衬底界面的横截面形貌，检查是否存在裂缝或空隙。使用原子力显微镜（AFM, Park-XE7）表征转移后SiC薄膜的表面粗糙度。 5. 晶体结构表征：使用X射线衍射仪（XRD, Agilent Xcalibur E）进行2θ-θ扫描和X射线摇摆曲线（XRC）测试，以确认转移后SiC薄膜的晶体取向、结晶质量和单晶特性，并与原始SiC晶片进行对比。
四、 主要研究结果
1. 等离子体活化对表面特性的影响：从亲水性到化学态 初步的接触角测试结果表明，SiC的Si面比C面具有更高的初始亲水性（接触角28.3° vs. 52.1°），因此后续研究均采用Si面。经过Ar、N₂、O₂等离子体活化后，Si面的接触角均迅速下降至接近0°，表面自由能从约161 mJ/m²增加至182 mJ/m²，说明等离子体处理显著提高了表面活性和亲水性。然而，后续研究发现，具有相似低接触角的样品却表现出不同的键合强度，这表明接触角只能侧面反映表面活性，但无法精确表征决定键合的关键化学状态。 XPS分析为此提供了直接证据。对于原始SiC表面，Si 2p谱显示出Si-C键（101 eV）和SiOxCy亚氧化物（102-103.3 eV）的特征峰。SiOxCy的存在是表面能与空气中的水分子反应形成亲水Si-OH键的基础。等离子体活化后，SiOxCy/Si-C的相对含量比显著增加：Ar处理后从0.15升至0.68，N₂处理后升至0.72，O₂处理后升至最高的0.99。同时，对SiO2/Si衬底的XPS分析也显示，活化后其表面的Si-OH基团显著增多，其中O₂等离子体处理带来的变化最为明显。这一结果直接证明，等离子体活化通过物理轰击打断表面化学键，产生大量活性悬挂键，这些悬挂键与环境中的水等物质反应，在键合表面引入了丰富的-OH等活性基团，这是实现高强度低温键合的化学基础。
2. 键合强度与活化参数的关系 键合强度测试结果与XPS的化学分析高度吻合。未活化的键合对键合强度极低（仅1 MPa），且键合面积小。经过等离子体活化后，键合强度和面积均大幅提升。在相同活化时间（60秒）下，O₂等离子体活化获得的键合强度最高（5.82 MPa），高于N₂（4.29 MPa）和Ar（3.68 MPa）。进一步研究O₂活化时间的影响发现，在90秒活化时间下获得了最高的键合强度（6.68 MPa），而当时间延长至120秒时，强度反而下降。这归因于过长的等离子体轰击可能对表面形貌造成物理损伤，或导致衬底温度过高，不利于活性基团的稳定附着。这一发现明确了获得最佳键合强度的工艺窗口。
3. 键合强度对薄膜剥离过程的关键性影响 剥离结果的SEM横截面图像清晰地揭示了键合强度的决定性作用。对于键合强度较低的样品（如O₂活化30秒和120秒），在剥离后的界面处均观察到了明显的裂缝（Crack），表明薄膜与衬底发生了部分分离。然而，对于具有最高键合强度（O₂活化90秒）的样品，其界面结合紧密，无可见裂缝。未活化的键合对在高温退火过程中直接分离，薄膜转移失败。这一结果的核心逻辑是：在高温剥离过程中，SiC薄膜与SiO2/Si衬底之间因热膨胀系数差异会产生显著的界面热应力。只有当键合强度足够高，能够抗衡并匹配此热应力时，剥离下来的薄膜才能紧密、完整地附着在衬底上，否则薄膜将在剥离应力作用下与衬底脱开，形成界面裂缝甚至整体分离。这从实验上证实了优化等离子体活化参数以获得高键合强度，是实现成功剥离和高质量SiCOI结构的前提。
4. 转移后SiC薄膜的质量评估 在最佳工艺条件（O₂等离子体活化90秒，720°C退火）下成功转移的SiC薄膜，经AFM测量显示其表面粗糙度（RMS）约为2.5 nm，表明表面较为平滑。XRD分析显示，薄膜在2θ = 35.5°和75.3°处出现了尖锐的衍射峰，分别对应4H-SiC的（0004）和（0008）晶面，其峰位与原始SiC晶片高度一致，证明了转移薄膜保持了4H-SiC的晶体结构。X射线摇摆曲线（XRC）的半高宽（FWHM）约为0.015°，虽然略宽于原始晶片的0.0104°，但仍处于非常低的水平，这证实了转移后的薄膜具有高质量的单晶特性。略宽的FWHM主要归因于离子注入造成的晶格损伤，研究表明在720°C至760°C的退火温度范围内，薄膜的晶体质量和表面粗糙度没有显著差异，暗示修复注入损伤可能需要更高的退火温度、特定气氛或额外的表面处理。
五、 研究结论与价值
本研究成功利用晶体离子切片（CIS）技术将1.2 μm厚的4H-SiC单晶薄膜转移到了SiO2/Si衬底上，系统阐明了等离子体活化参数（气体种类、时间）通过改变表面化学状态来影响键合强度，进而决定性影响薄膜剥离成败与界面质量的物理机制。研究得出明确结论：O₂等离子体活化90秒是实现高键合强度（6.68 MPa）和紧密界面的最佳条件；键合强度必须足够高以克服剥离过程中的热失配应力，否则将导致界面开裂；在此优化工艺下获得的SiC薄膜表面平滑且保持了良好的单晶质量。
其科学价值在于深化了对等离子体活化键合，特别是对于SiC这类宽禁带半导体材料，其界面增强机理的理解，建立了“活化参数 → 表面化学态 → 键合强度 → 剥离界面质量”的清晰因果关系链条，为类似材料的异质集成提供了理论指导。其应用价值非常显著：该工作成功演示了制备高质量4H-SiC-on-Insulator (SiCOI)结构的可靠工艺路径。SiCOI结构能够有效解决SiC与Si之间的晶格失配问题，为在Si基平台上制造高性能的SiC基功率电子器件、射频器件以及作为氮化镓（GaN）外延生长的复合衬底提供了关键材料基础，对推动光电子集成和下一代半导体技术的发展具有重要意义。
六、 研究亮点