polytypes substituted
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index 9926ccd..5629f6f 100644 (file)
@@ -5,7 +5,7 @@
 
 The phase diagram of the C/Si system is shown in Fig.~\ref{fig:sic:si-c_phase}.
 In the solid state the stoichiometric composition of silicon and carbon termed silicon carbide (SiC) is the only chemical stable compound in the C/Si system \cite{scace59}.
-\begin{figure}[ht]
+\begin{figure}[t]
 \begin{center}
 \includegraphics[width=12cm]{si-c_phase.eps}
 \end{center}
@@ -20,20 +20,28 @@ It is extremely rare and almost impossible to find in nature.
 
 SiC is a covalent material in which both, Si and C atoms are sp$^3$ hybridized.
 Each of the four sp$^3$ hybridized orbitals of a Si atom overlaps with one of the four sp$^3$ hybridized orbitals of the four surrounding C atoms and vice versa.
-This results in fourfold coordinated covalent $\sigma$ bonds of equal length and strength for each atom with its neighbours.
-Although the local order of Si and C next neighbour atoms characterized by the tetrahedral bonding is the same, more than 250 different types of structures called polytypes of SiC exist \cite{fischer90}.
+This results in fourfold coordinated covalent $\sigma$ bonds of equal length and strength for each atom with its neighbors.
+Although the local order of Si and C next neighbor atoms characterized by the tetrahedral bonding is the same, more than 250 different types of structures called polytypes of SiC exist \cite{fischer90}.
 The polytypes differ in the one-dimensional stacking sequence of identical, close-packed SiC bilayers.
 Each SiC bilayer can be situated in one of three possible positions (abbreviated a, b or c) with respect to the lattice while maintaining the tetrahedral bonding scheme of the crystal.
-\begin{figure}[ht]
+\begin{figure}[t]
 \begin{center}
-\includegraphics[width=12cm]{polytypes.eps}
+\includegraphics[height=5.5cm]{polytypes_own.eps}\\[0.1cm]
+\begin{minipage}{0.45\textwidth}
+{\small
+\hspace*{0.05cm} a \hspace*{0.09cm} b \hspace*{0.09cm} c \hspace*{0.44cm} a \hspace*{0.09cm} b \hspace*{0.44cm} a \hspace*{0.09cm} b \hspace*{0.09cm} c \hspace*{0.44cm} a \hspace*{0.09cm} b \hspace*{0.09cm} c \hspace*{0.09cm} a\\
+\hspace*{0.5cm} 3C \hspace*{0.9cm} 2H \hspace*{1.0cm} 4H \hspace*{1.3cm} 6H
+}
+\end{minipage}
+%\includegraphics[width=10cm]{polytypes.eps}
 \end{center}
 \caption{Stacking sequence of SiC bilayers of the most common polytypes of SiC (from left to right): 3C, 2H, 4H and 6H.}
 \label{fig:sic:polytypes}
 \end{figure}
 Fig.~\ref{fig:sic:polytypes} shows the stacking sequence of the most common and technologically most important SiC polytypes, which are the cubic (3C) and hexagonal (2H, 4H and 6H) polytypes.
 
-\begin{table}[ht]
+\bibpunct{}{}{,}{n}{}{}
+\begin{table}[t]
 \begin{center}
 \begin{tabular}{l c c c c c c}
 \hline
@@ -51,9 +59,11 @@ Thermal conductivity [W/cmK] & 5.0 & 4.9 & 4.9 & 1.5 & 1.3 & 22 \\
 \hline
 \end{tabular}
 \end{center}
-\caption[Properties of SiC polytypes and other semiconductor materials.]{Properties of SiC polytypes and other semiconductor materials. Doping concentrations are $10^{16}\text{ cm}^{-3}$ (A) and $10^{17}\text{ cm}^{-3}$ (B) respectively. References: \cite{wesch96,casady96,park98}. {\color{red}Todo: add more refs + check all values!}}
+\caption[Properties of SiC polytypes and other semiconductor materials.]{Properties of SiC polytypes and other semiconductor materials. Doping concentrations are $10^{16}\text{ cm}^{-3}$ (A) and $10^{17}\text{ cm}^{-3}$ (B) respectively. References: \cite[]{wesch96,casady96,park98}.}
 \label{table:sic:properties}
 \end{table}
+\bibpunct{[}{]}{,}{n}{}{}
+% todo add more refs + check all values!
 Different polytypes of SiC exhibit different properties.
 Some of the key properties are listed in Table~\ref{table:sic:properties} and compared to other technologically relevant semiconductor materials.
 Despite the lower charge carrier mobilities for low electric fields SiC outperforms Si concerning all other properties.
@@ -72,7 +82,7 @@ As such, SiC will continue to play a major role in the production of future supe
 Especially substrates of the 3C polytype promise good quality, single crystalline GaN films~\cite{takeuchi91,yamamoto04,ito04}.
 
 The focus of SiC based applications, however, is in the area of solid state electronics experiencing revolutionary performance improvements enabled by its capabilities.
-These devices include ultraviolet (UV) detectors, high power radio frequency (RF) amplifiers, rectifiers and switching transistors as well as \ac{MEMS} applications.
+These devices include ultraviolet (UV) detectors, high power radio frequency (RF) amplifiers, rectifiers and switching transistors as well as microelectromechanical system (MEMS) applications.
 For UV dtectors the wide band gap is useful for realizing low photodiode dark currents as well as sensors that are blind to undesired near-infrared wavelenghts produced by heat and solar radiation.
 These photodiodes serve as excellent sensors applicable in the monitoring and control of turbine engine combustion.
 The low dark currents enable the use in X-ray, heavy ion and neutron detection in nuclear reactor monitoring and enhanced scientific studies of high-energy particle collisions as well as cosmic radiation.
@@ -83,15 +93,15 @@ For instance, SiC based solid state transmitters hold great promise for High Def
 The high breakdown field of SiC compared to Si allows the blocking voltage region of a device to be designed roughly 10 times thinner and 10 times heavier doped, resulting in a decrease of the blocking region resistance by a factor of 100 and a much faster switching behavior.
 Thus, rectifier diodes and switching transistors with higher switching frequencies and much greater efficiencies can be realized and exploited in highly efficient power converters.
 Therefor, SiC constitutes a promising candidate to become the key technology towards an extensive development and use of regenerative energies and elctromobility.
-Beside the mentioned electrical capabilities the mechanical stability, which is almost as hard as diamond, and chemical inertness almost suggest SiC to be used in \ac{MEMS} designs.
+Beside the mentioned electrical capabilities the mechanical stability, which is almost as hard as diamond, and chemical inertness almost suggest SiC to be used in MEMS designs.
 
 Among the different polytypes of SiC, the cubic phase shows a high electron mobility and the highest break down field as well as saturation drift velocity.
 In contrast to its hexagonal counterparts 3C-SiC exhibits isotropic mechanical and electronic properties.
 Additionally the smaller band gap is expected to be favorable concerning the interface state density in MOSFET devices fabricated on 3C-SiC.
 Thus the cubic phase is most effective for highly efficient high-performance electronic devices.
-\begin{figure}[ht]
+\begin{figure}[t]
 \begin{center}
-\includegraphics[width=7cm]{sic_unit_cell.eps}
+\includegraphics[width=0.35\columnwidth]{sic_unit_cell.eps}
 \end{center}
 \caption{3C-SiC unit cell. Yellow and grey spheres correpsond to Si and C atoms respectively. Covalent bonds are illustrated by blue lines.}
 \label{fig:sic:unit_cell}
@@ -115,7 +125,7 @@ In the following, the principal difficulties involved in the formation of crysta
 Though possible, melt growth processes \cite{nelson69} are complicated due to the small C solubility in Si at temperatures below \unit[2000]{$^{\circ}$C} and its small change with temperature \cite{scace59}.
 High process temperatures are necessary and the evaporation of Si must be suppressed by a high-pressure inert atmosphere.
 Crystals grown by this method are not adequate for practical applications with respect to their size as well as quality and purity.
-The presented methods, thus, focus on vapor transport growth processes such as \ac{CVD} or \ac{MBE} and the sublimation technique.
+The presented methods, thus, focus on vapor transport growth processes such as chemical vapor deposition (CVD) or molecular beam epitaxy (MBE) and the sublimation technique.
 Excellent reviews of the different SiC growth methods have been published by Wesch \cite{wesch96} and Davis~et~al. \cite{davis91}.
 
 \subsection{SiC bulk crystal growth}
@@ -154,16 +164,16 @@ Further efforts have to be expended to find relations between the growth paramet
 \subsection{SiC epitaxial thin film growth}
 
 Crystalline SiC layers have been grown by a large number of techniques on the surfaces of different substrates.
-Most of the crystal growth processes are based on \ac{CVD}, solid-source \ac{MBE} (SSMBE) and gas-source \ac{MBE} (GSMBE) on Si as well as SiC substrates.
-In \ac{CVD} as well as GSMBE, C and Si atoms are supplied by C containing gases like CH$_4$, C$_3$H$_8$, C$_2$H$_2$ or C$_2$H$_4$ and Si containing gases like SiH$_4$, Si$_2$H$_6$, SiH$_2$Cl$_2$, SiHCl$_3$ or SiCl$_4$ respectively.
+Most of the crystal growth processes are based on CVD, solid-source MBE (SSMBE) and gas-source MBE (GSMBE) on Si as well as SiC substrates.
+In CVD as well as GSMBE, C and Si atoms are supplied by C containing gases like CH$_4$, C$_3$H$_8$, C$_2$H$_2$ or C$_2$H$_4$ and Si containing gases like SiH$_4$, Si$_2$H$_6$, SiH$_2$Cl$_2$, SiHCl$_3$ or SiCl$_4$ respectively.
 In the case of SSMBE atoms are provided by electron beam evaporation of graphite and solid Si or thermal evaporation of fullerenes.
-The following review will exclusively focus on \ac{CVD} and \ac{MBE} techniques.
+The following review will exclusively focus on CVD and MBE techniques.
 
 The availability and reproducibility of Si substrates of controlled purity made it the first choice for SiC epitaxy.
 The heteroepitaxial growth of SiC on Si substrates has been stimulated for a long time due to the lack of suitable large substrates that could be adopted for homoepitaxial growth.
 Furthermore, heteroepitaxy on Si substrates enables the fabrication of the advantageous 3C polytype, which constitutes a metastable phase and, thus, can be grown as a bulk crystal only with small sizes of a few mm.
 The main difficulties in SiC heteroepitaxy on Si is due to the lattice mismatch of Si and SiC and the difference in the thermal expansion coefficient of \unit[8]{\%}.
-Thus, in most of the applied \ac{CVD} and \ac{MBE} processes, the SiC layer formation process is split into two steps, the surface carbonization and the growth step, as proposed by Nishino~et~al. \cite{nishino83}.
+Thus, in most of the applied CVD and MBE processes, the SiC layer formation process is split into two steps, the surface carbonization and the growth step, as proposed by Nishino~et~al. \cite{nishino83}.
 Cleaning of the substrate surface with HCl is required prior to carbonization.
 During carbonization the Si surface is chemically converted into a SiC film with a thickness of a few nm by exposing it to a flux of C atoms and concurrent heating up to temperatures about \unit[1400]{$^{\circ}$C}.
 In a next step, the epitaxial deposition of SiC is realized by an additional supply of Si atoms at similar temperatures.
@@ -172,12 +182,12 @@ Next to surface morphology defects such as pits and islands, the main defects in
 APB defects, which constitute the primary residual defects in thick layers, are formed near surface terraces that differ in a single-atom-height step resulting in domains of SiC separated by a boundary, which consists of either Si-Si or C-C bonds due to missing or disturbed sublattice information \cite{desjardins96,kitabatake97}.
 However, the number of such defects can be reduced by off-axis growth on a Si \hkl(0 0 1) substrate miscut towards \hkl[1 1 0] by \unit[2]{$^{\circ}$}-\unit[4]{$^{\circ}$} \cite{shibahara86,powell87_2}.
 This results in the thermodynamically favored growth of a single phase due to the uni-directional contraction of Si-C-Si bond chains perpendicular to the terrace steps edges during carbonization and the fast growth parallel to the terrace edges during growth under Si rich conditions \cite{kitabatake97}.
-By \ac{MBE}, lower process temperatures than these typically employed in \ac{CVD} have been realized \cite{hatayama95,henke95,fuyuki97,takaoka98}, which is essential for limiting thermal stresses and to avoid resulting substrate bending, a key issue in obtaining large area 3C-SiC surfaces.
+By MBE, lower process temperatures than these typically employed in CVD have been realized \cite{hatayama95,henke95,fuyuki97,takaoka98}, which is essential for limiting thermal stresses and to avoid resulting substrate bending, a key issue in obtaining large area 3C-SiC surfaces.
 In summary, the almost universal use of Si has allowed significant progress in the understanding of heteroepitaxial growth of SiC on Si.
 However, mismatches in the thermal expansion coefficient and the lattice parameter cause a considerably high concentration of various defects, which is responsible for structural and electrical qualities that are not yet statisfactory.
 
 The alternative attempt to grow SiC on SiC substrates has shown to drastically reduce the concentration of defects in deposited layers.
-By \ac{CVD}, both, the 3C \cite{kong88,powell90} as well as the 6H \cite{kong88_2,powell90_2} polytype could be successfully grown.
+By CVD, both, the 3C \cite{kong88,powell90} as well as the 6H \cite{kong88_2,powell90_2} polytype could be successfully grown.
 In order to obtain the homoepitaxially grown 6H polytype, off-axis 6H-SiC wafers are required as a substrate \cite{kimoto93}.
 %In the so called step-controlled epitaxy, lateral growth proceeds from atomic steps without the necessity of preceding nucleation events.
 Investigations indicate that in the so-called step-controlled epitaxy, crystal growth proceeds through the adsorbtion of Si species at atomic steps and their carbonization by hydrocarbon molecules.
@@ -190,7 +200,7 @@ Additionally, 6H-SiC was observed on clean substrates even for a tilt angle as l
 Thus, 3C nucleation is assumed as a result of migrating Si and C cointaining molecules interacting with surface disturbances by a yet unknown mechanism, in contrast to a model \cite{ueda90}, in which the competing 6H versus 3C growth depends on the density of surface steps.
 Combining the fact of a well defined 3C lateral growth direction, i.e. the tilt direction, and an intentionally induced dislocation enables the controlled growth of a 3C-SiC film mostly free of DPBs \cite{powell91}.
 
-Lower growth temperatures, a clean growth ambient, in situ control of the growth process, layer-by-layer deposition and the possibility to achieve dopant profiles within atomic dimensions due to the reduced diffusion at low growth temperatures reveal \ac{MBE} as a promising technique to produce SiC epitaxial layers.
+Lower growth temperatures, a clean growth ambient, in situ control of the growth process, layer-by-layer deposition and the possibility to achieve dopant profiles within atomic dimensions due to the reduced diffusion at low growth temperatures reveal MBE as a promising technique to produce SiC epitaxial layers.
 Using alternating supply of the gas beams Si$_2$H$_6$ and C$_2$H$_2$ in GSMBE, 3C-SiC epilayers were obtained on 6H-SiC substrates at temperatures between \unit[850]{$^{\circ}$C} and \unit[1000]{$^{\circ}$C} \cite{yoshinobu92}.
 On \hkl(000-1) substrates twinned \hkl(-1-1-1) oriented 3C-SiC domains are observed, which suggest a nucleation driven rather than step-flow growth mechanism.
 On \hkl(0-11-4) substrates, however, single crystalline \hkl(001) oriented 3C-SiC grows with the c axes of substrate and film being equal.
@@ -204,7 +214,7 @@ To realize single monolayer growth precise control of the gas supply to form the
 However, accurate layer-by-layer growth is achieved under certain conditions, which facilitate the spontaneous desorption of an additional layer of one atom species by supply of the other species \cite{hara93}.
 Homoepitaxial growth of the 6H polytype has been realized on off-oriented substrates utilizing simultaneous supply of the source gases \cite{tanaka94}.
 Depending on the gas flow ratio either 3C island formation or step flow growth of the 6H polytype occurs, which is explained by a model including aspects of enhanced surface mobilities of adatoms on a $(3\times 3)$ reconstructed surface.
-Due to the strong adsorption of atomic hydrogen \cite{allendorf91} decomposited of the gas phase reactants at low temperatures, however, there seems to be no benefit of GSMBE compared to \ac{CVD}.
+Due to the strong adsorption of atomic hydrogen \cite{allendorf91} decomposited of the gas phase reactants at low temperatures, however, there seems to be no benefit of GSMBE compared to CVD.
 Next to lattice imperfections, incorporated hydrogen effects the surface mobility of the adsorbed species \cite{eaglesham93} setting a minimum limit for the growth temperature, which would preferably be further decreased in order to obtain sharp doping profiles.
 Thus, growth rates must be adjusted to be lower than the desorption rate of hydrogen, which leads to very low deposition rates at low temperatures.
 SSMBE, by supplying the atomic species to be deposited by evaporation of a solid, presumably constitutes the preffered method in order to avoid the problems mentioned above.
@@ -217,14 +227,15 @@ However, the frequent occurence of defects such as dislocations, twins and doubl
 Solving this issue remains a challenging problem necessary to drive SiC for potential applications in high-performance electronic device production \cite{wesch96}.
 
 \subsection{Ion beam synthesis of cubic silicon carbide}
+\label{subsection:ibs}
 
 Although tremendous progress has been achieved in the above-mentioned growth methods during the last decades, available wafer dimensions and crystal qualities are not yet statisfactory.
 Thus, alternative approaches to fabricate SiC have been explored.
-The \ac{IBS} technique, i.e. high-dose ion implantation followed by a high-temperature annealing step, turned out to constitute a promising method to directly form compound layers of high purity and accurately controllable depth and stoichiometry.
-A short chronological summary of the \ac{IBS} of SiC and its origins is presented in the following.
+The ion beam synthesis (IBS) technique, i.e. high-dose ion implantation followed by a high-temperature annealing step, turned out to constitute a promising method to directly form compound layers of high purity and accurately controllable depth and stoichiometry.
+A short chronological summary of the IBS of SiC and its origins is presented in the following.
 
-High-dose carbon implantation into \ac{c-Si} with subsequent or in situ annealing was found to result in SiC microcrystallites in Si \cite{borders71}.
-\ac{RBS} and \ac{IR} spectroscopy investigations indicate a \unit[10]{at.\%} C concentration peak and the occurence of disordered C-Si bonds after implantation at \ac{RT} followed by crystallization into SiC precipitates upon annealing demonstrated by a shift in the \ac{IR} absorption band and the disappearance of the C profile peak in \ac{RBS}.
+High-dose carbon implantation into crystalline silicon (c-Si) with subsequent or in situ annealing was found to result in SiC microcrystallites in Si \cite{borders71}.
+Rutherford backscattering spectrometry (RBS) and infrared (IR) spectroscopy investigations indicate a \unit[10]{at.\%} C concentration peak and the occurence of disordered C-Si bonds after implantation at room temperature (RT) followed by crystallization into SiC precipitates upon annealing demonstrated by a shift in the IR absorption band and the disappearance of the C profile peak in RBS.
 Implantations at different temperatures revealed a strong influence of the implantation temperature on the compound structure \cite{edelman76}.
 Temperatures below \unit[500]{$^{\circ}$C} result in amorphous layers, which is transformed into polycrystalline 3C-SiC after \unit[850]{$^{\circ}$C} annealing.
 Otherwise single crystalline 3C-SiC is observed for temperatures above \unit[600]{$^{\circ}$C}.
@@ -241,7 +252,7 @@ In order to avoid extreme annealing temperatures close to the melting temperatur
 It was shown that a thick buried layer of SiC is directly formed during implantation, which consists of small, only slightly misorientated but severely twinned 3C-SiC crystallites.
 The authors assumed that due to the auxiliary heating rather than ion beam heating as employed in all the preceding studies, the complexity of the remaining defects in the synthesized structure is fairly reduced.
 Even better qualities by direct synthesis were obtained for implantations at \unit[950]{$^{\circ}$C} \cite{nejim95}.
-Since no amorphous or polycrystalline regions have been identified, twinning is considered to constitute the main limiting factor in the \ac{IBS} of SiC.
+Since no amorphous or polycrystalline regions have been identified, twinning is considered to constitute the main limiting factor in the IBS of SiC.
 
 Further studies revealed the possibility to form buried layers of SiC by IBS at moderate substrate and anneal temperatures \cite{lindner95,lindner96}.
 Different doses of C ions with an energy of \unit[180]{keV} were implanted at \unit[330-440]{$^{\circ}$C} and annealed at \unit[1200]{$^{\circ}$C} or \unit[1250]{$^{\circ}$C} for \unit[5-10]{h}.
@@ -273,42 +284,149 @@ To further improve the interface quality and crystallinity a two-temperature imp
 To form a narrow, box-like density profile of oriented SiC nanocrystals \unit[93]{\%} of the total dose of \unit[$8.5\cdot 10^{17}$]{cm$^{-2}$} is implanted at \unit[500]{$^{\circ}$C}.
 The remaining dose is implanted at \unit[250]{$^{\circ}$C}, which leads to the formation of amorphous zones above and below the SiC precipitate layer and the desctruction of SiC nanocrystals within these zones.
 After annealing for \unit[10]{h} at \unit[1250]{$^{\circ}$C} a homogeneous, stoichiometric SiC layer with sharp interfaces is formed.
+Fig. \ref{fig:sic:hrem_sharp} shows the respective high resolution transmission electron microscopy micrographs.
+\begin{figure}[t]
+\begin{center}
+\includegraphics[width=0.6\columnwidth]{ibs_3c-sic.eps}
+\end{center}
+\caption[Bright field (a) and \hkl(1 1 1) SiC dark field (b) cross-sectional TEM micrographs of the buried SiC layer in Si created by the two-temperature implantation technique and subsequent annealing.]{Bright field (a) and \hkl(1 1 1) SiC dark field (b) cross-sectional TEM micrographs of the buried SiC layer in Si created by the two-temperature implantation technique and subsequent annealing as explained in the text \cite{lindner99_2}. The inset shows a selected area diffraction pattern of the buried layer.}
+\label{fig:sic:hrem_sharp}
+\end{figure}
 
-To summarize, by understanding some basic processes, \ac{IBS} nowadays has become a promising method to form thin SiC layers of high quality exclusively of the 3C polytype embedded in and epitaxially aligned to the Si host featuring a sharp interface.
-Due to the high areal homogeneity achieved in \ac{IBS}, the size of the layers is only limited by the width of the beam-scanning equipment used in the implantation system as opposed to deposition techniques, which have to deal with severe wafer bending.
+To summarize, by understanding some basic processes, IBS nowadays has become a promising method to form thin SiC layers of high quality exclusively of the 3C polytype embedded in and epitaxially aligned to the Si host featuring a sharp interface.
+Due to the high areal homogeneity achieved in IBS, the size of the layers is only limited by the width of the beam-scanning equipment used in the implantation system as opposed to deposition techniques, which have to deal with severe wafer bending.
 This enables the synthesis of large area SiC films.
 
 \section{Substoichiometric concentrations of carbon in crystalline silicon}
 
-The C solid solubility in bulk Si is quite low
-% carbon as an impurity / solubility / lattice distortion / diffusion
-% agglomeration phenomena
-% suppression of transient enhanced diffusion of dopant species
-% strained silicon / heterostructures
-%   -> skorupa 3.2: c sub vs sic prec  
-%   -> my own links: strane etc ...
-%   -> skorupa 3.5: heterostructures
-
-% hmm ... extra section needed?
-
-\section{Assumed cubic silicon carbide conversion mechanisms}
+In the following some basic properties of C in crystalline Si are reviewed.
+A lot of work has been done contributing to the understanding of C in Si either as an isovalent impurity as well as at concentrations exceeding the solid solubility limit.
+A comprehensive survey on C-mediated effects in Si has been published by Skorupa and Yankov \cite{skorupa96}.
+
+\subsection{Carbon as an impurity in silicon}
+
+Below the solid solubility, C impurities mainly occupy substitutionally Si lattice sites in Si \cite{newman65}.
+Due to the much smaller covalent radius of C compared to Si every incorporated C atom leads to a decrease in the lattice constant corresponding to a lattice contraction of about one atomic volume \cite{baker68}.
+The induced strain is assumed to be responsible for the low solid solubility of C in Si, which was determined \cite{bean71} to be
+\begin{equation}
+c_{\text{s}}=4\times10^{24}\,\text{cm$^{-3}$}
+\cdot\exp(-2.3\,\text{eV/$k_{\text{B}}T$})
+\text{ .}
+\end{equation}
+
+The barrier of diffusion of substitutional C has been determined to be around \unit[3]{eV} \cite{newman61}.
+However, as suspected due to the substitutional position, the diffusion of C requires intrinsic point defects, i.e. Si self-interstitials and vacancies.
+Similar to phosphorous and boron, which exclusively use self-interstitials as a diffusion vehicle, the diffusion of C atoms is expected to obey the same mechanism.
+Indeed, enhanced C diffusion was observed in the presence of self-interstitial supersaturation \cite{kalejs84} indicating an appreciable diffusion component involving self-interstitials and only a negligible contribution by vacancies.
+Substitutional C and interstitial Si react into a C-Si complex forming a dumbbell structure oriented along a crystallographic \hkl<1 0 0> direction on a regular Si lattice site.
+This structure, the so called C-Si \hkl<1 0 0> dumbbell structure, was initially suspected by local vibrational mode absorption \cite{bean70} and finally verified by electron paramegnetic resonance \cite{watkins76} studies on irradiated Si substrates at low temperatures.
+Measuring the annealing rate of the defect as a function of temperature reveals barriers for migration ranging from \unit[0.73]{eV} \cite{song90} to \unit[0.87]{eV} \cite{tipping87}, which is highly mobile compared to substitutional C.
+% diffusion pathway?
+% expansion of the lattice (positive strain)
+
+%\subsection{Agglomeration phenomena}
+% c-si agglomerattion as an alternative to sic precipitation (due to strain)
+% -> maybe this fits better in prec model in next chapter
+
+\subsection{Suppression of transient enhanced diffusion of dopant species}
+
+The predominant diffusion mechanism of most dopants in Si based on native self-interstitials \cite{fahey89} has a large impact on the diffusion behavior of dopants that have been implanted in Si.
+The excess population of Si self-interstitials created by low-energy implantations of dopants for shallow junction formation in submicron technologies may enhance the diffusion of the respective dopant during annealing by more than one order of magnitude compared to normal diffusion.
+This kind of diffusion, labeled transient enhanced diffusion (TED), which is driven by the presence of non-equilibrium concentrations of point defects, was first discovered for implantations of boron in Si \cite{hofker74} and is well understood today \cite{michel87,cowern90,stolk95,stolk97}.
+The TED of B was found to be inhibited in the presence of a sufficient amount of incorporated C \cite{cowern96}.
+This is due to the reduction of the excess Si self-interstitials with substitutional C atoms forming the C-Si interstitial complex \cite{stolk97,zhu98}.
+Therefore, incorporation of C provides a promising method for suppressing TED enabling an improved shallow junction formation in future Si devices.
+
+% in general: high c diffusion in areas of high damage, low diffusion for substitutional or even sic prec
+
+\subsection{Strained silicon and silicon heterostructures}
+
+% lattice location of implanted carbon
+Radiation damage introduced during implantation and a high concentration of the implanted species, which results in the reduction of the topological constraint of the host lattice imposed on the implanted species, can affect the manner of impurity incorporation.
+The probability of finding C, which will be most stable at sites for which the number of neighbors equals the natural valence, i.e. substitutionally on a regular Si site of a perfect lattice, is, thus, reduced at substitutional lattice sites and likewise increased at interstitial sites.
+Indeed, x-ray rocking curves reveal a positive lattice strain, which is decreased but still remains with increasing annealing temeprature, indicating the location of the majority of implanted C atoms at interstitial sites \cite{isomae93}.
+Due to the absence of dislocations in the implanted region interstitial C is assumed to prevent clustering of implantation-induced Si self-interstitials by agglomeration of C-Si interstitials or the formation of SiC precipitates accompanied by a relaxation of the lattice strain.
+
+% link to strain engineering
+However, there is great interest to incorporate C onto substitutional lattice sites, which results in a contraction of the Si lattice due to the smaller covalent radius of C compared to Si \cite{baker68}, causing tensile strain, which is applied to the Si lattice.
+Thus, substitutional C enables strain engineering of Si and Si/Si$_{1-x}$Ge$_x$ heterostructures \cite{yagi02,chang05,kissinger94,osten97}, which is used to increase charge carrier mobilities in Si as well as to adjust its band structure \cite{soref91,kasper91}.
+% increase of C at substitutional sites
+Epitaxial layers with \unit[1.4]{at.\%} of substitutional C have been successfully synthesized in preamorphized Si$_{0.86}$Ge$_{0.14}$ layers, which were grown by CVD on Si substrates, using multiple-energy C implantation followed by solid-physe epitaxial regrowth at \unit[700]{$^{\circ}$C} \cite{strane93}.
+The tensile strain induced by the C atoms is found to compensate the compressive strain present due to the Ge atoms.
+Studies on the thermal stability of Si$_{1-y}$C$_y$/Si heterostructures formed in the same way and equal C concentrations showed a loss of substitutional C accompanied by strain relaxation for temperatures ranging from \unit[810-925]{$^{\circ}$C} and the formation of spherical 3C-SiC precipitates with diameters of \unit[2-4]{nm}, which are incoherent but aligned to the Si host \cite{strane94}.
+During the initial stages of precipitation C-rich clusters are assumed, which maintain coherency with the Si matrix and the associated biaxial strain.
+Using this technique a metastable solubility limit was achieved, which corresponds to a C concentration exceeding the solid solubility limit at the Si melting point by nearly three orders of magnitude and, furthermore, a reduction of the defect denisty near the metastable solubility limit is assumed if the regrowth temperature is increased by rapid thermal annealing \cite{strane96}.
+Since high temperatures used in the solid-phase epitaxial regrowth method promotes SiC precipitation, other groups realized substitutional C incorporation for strained Si$_{1-y}$C$_y$/Si heterostructures \cite{iyer92,fischer95,powell93,osten96,osten99,laveant2002} or partially to fully strain-compensated (even inversely distorted \cite{osten94_2}) Si$_{1-x-y}$Ge$_x$C${_y}$ layers on Si \cite{eberl92,powell93_2,osten94,dietrich94} by MBE.
+Investigations reveal a strong dependence of the growth temperature on the amount of substitutionally incorporated C, which is increased for decreasing temperature accompanied by deterioration of the crystal quality \cite{osten96,osten99}.
+While not being compatible to very-large-scale integration technology, C concentrations of \unit[2]{\%} and more have been realized \cite{laveant2002}.
+
+\section{Assumed silicon carbide conversion mechanisms}
 \label{section:assumed_prec}
 
-Although much progress has been made in 3C-SiC thin film growth in the above-mentioned growth methods during the last decades, there is still potential
-.. compatible to the established and highly developed technology based on silicon.
-
-Although tremendous progress has been achieved in the above-mentioned growth methods during the last decades, available wafer dimensions and crystal qualities are not yet statisfactory.
-
-... \cite{lindner99_2} ...
-
-on surface ... md contraction along 110 ... kitabatake ... and ref in lindner ... rheed from si to sic ...
+Although high-quality films of single-crystalline 3C-SiC can be produced by means of IBS the precipitation mechanism in bulk Si is not yet fully understood.
+Indeed, closely investigating the large amount of literature pulled up in the last two sections and a cautios combination of some of the findings reveals controversial ideas of SiC formation, which are reviewed in more detail in the following.
 
-in ibs ... lindner and skorupa ...
-
-nejim however ...
-  high temps -> good alignment with substrate
-  C occupies predominantly substitutional lattice sites
-  also indictaed by other direct synthesis experiments like martin90 and conclusions of reeson8X ...
-
-eichhornXX, koegler, lindner ...
+High resolution transmission electron microscopy (HREM) investigations of C-implanted Si at room temperature followed by rapid thermal annealing (RTA) show the formation of C-Si dumbbell agglomerates, which are stable up to annealing temperatures of about \unit[700-800]{$^{\circ}$C}, and a transformation into 3C-SiC precipitates at higher temperatures \cite{werner96,werner97}.
+The precipitates with diamateres between \unit[2]{nm} and \unit[5]{nm} are incorporated in the Si matrix without any remarkable strain fields, which is explained by the nearly equal atomic density of C-Si agglomerates and the SiC unit cell.
+Implantations at \unit[500]{$^{\circ}$C} likewise suggest an initial formation of C-Si dumbbells on regular Si lattice sites, which agglomerate into large clusters \cite{lindner99_2}.
+The agglomerates of such dimers, which do not generate lattice strain but lead to a local increase of the lattice potential \cite{werner96,werner97}, are indicated by dark contrasts and otherwise undisturbed Si lattice fringes in HREM, as can be seen in Fig.~\ref{fig:sic:hrem:c-si}.
+\begin{figure}[t]
+\begin{center}
+\subfigure[]{\label{fig:sic:hrem:c-si}\includegraphics[width=0.25\columnwidth]{tem_c-si-db.eps}}
+\subfigure[]{\label{fig:sic:hrem:sic}\includegraphics[width=0.25\columnwidth]{tem_3c-sic.eps}}
+\end{center}
+\caption[High resolution transmission electron microscopy (HREM) micrographs of agglomerates of C-Si dimers showing dark contrasts and otherwise undisturbed Si lattice fringes (a) and equally sized Moir\'e patterns indicating 3C-SiC precipitates (b).]{High resolution transmission electron microscopy (HREM) micrographs \cite{lindner99_2} of agglomerates of C-Si dimers showing dark contrasts and otherwise undisturbed Si lattice fringes (a) and equally sized Moir\'e patterns indicating 3C-SiC precipitates (b).}
+\label{fig:sic:hrem}
+\end{figure}
+A topotactic transformation into a 3C-SiC precipitate occurs once a critical radius of \unit[2]{nm} to \unit[4]{nm} is reached.
+The precipitation is manifested by the disappearance of the dark contrasts in favor of Moir\'e patterns (Fig.~\ref{fig:sic:hrem:sic}) due to the lattice mismatch of \unit[20]{\%} of the 3C-SiC precipitate and the Si host.
+The insignificantly lower Si density of SiC of approximately \unit[3]{\%} compared to c-Si results in the emission of only a few excess Si atoms.
+The same mechanism was identified by high resolution x-ray diffraction \cite{eichhorn99}.
+For implantation temperatures of \unit[500]{$^{\circ}$C} C-Si dumbbells agglomerate in an initial stage followed by the additional appearance of aligned SiC precipitates in a slightly expanded Si region with increasing dose.
+The precipitation mechanism based on a preceeding dumbbell agglomeration as indicated by the above-mentioned experiemnts is schematically displayed in Fig.~\ref{fig:sic:db_agglom}.
+\begin{figure}[t]
+\begin{center}
+\subfigure[]{\label{fig:sic:db_agglom:seq01}\includegraphics[width=0.30\columnwidth]{sic_prec_seq_01.eps}}
+%C-Si dumbbell formation
+\hspace*{0.2cm}
+\subfigure[]{\label{fig:sic:db_agglom:seq02}\includegraphics[width=0.30\columnwidth]{sic_prec_seq_02.eps}}
+%Dumbbell agglomeration
+\hspace*{0.2cm}
+\subfigure[]{\label{fig:sic:db_agglom:seq03}\includegraphics[width=0.30\columnwidth]{sic_prec_seq_03.eps}}
+%SiC formation and release of excess Si atoms
+\end{center}
+\caption[Two dimensional schematic of the assumed SiC precipitation mechanism based on an initial C-Si dumbbell agglomeration.]{Two dimensional schematic of the assumed SiC precipitation mechanism based on an initial C-Si dumbbell agglomeration. C atoms (red dots) incorporated into the Si (black dots) host form C-Si dumbbells (a), which agglomerate into clusters (b) followed by the precipitation of SiC and the emission of a few excess Si atoms (black circles), which are located in the interstitial Si lattice (c). The dotted lines mark the atomic spacing of c-Si in \hkl[1 0 0] direction indicating the $4/5$ ratio of the lattice constants of c-Si and 3C-SiC.}
+\label{fig:sic:db_agglom}
+\end{figure}
+The incorporated C atoms form C-Si dumbbells on regular Si lattice sites.
+With increasing dose and proceeding time the highly mobile dumbbells agglomerate into large clusters.
+Finally, when the cluster size reaches a critical radius, the high interfacial energy due to the 3C-SiC/c-Si lattice misfit is overcome and precipitation occurs.
+Due to the slightly lower silicon density of 3C-SiC excessive silicon atoms exist, which will most probably end up as self-interstitials in the c-Si matrix since there is more space than in 3C-SiC.
+
+In contrast, IR spectroscopy and HREM investigations on the thermal stability of strained Si$_{1-y}$C$_y$/Si heterostructures formed by solid-phase epitaxy (SPE) \cite{strane94} and MBE \cite{guedj98}, which finally involve the incidental formation of SiC nanocrystallites, suggest a coherent initiation of precipitation by agglomeration of substitutional instead of interstitial C.
+These experiments show that the C atoms, which are initially incorporated substitutionally at regular lattice sites, form C-rich clusters maintaining coherency with the Si lattice during annealing above a critical temperature prior to the transition into incoherent 3C-SiC precipitates.
+Increased temperatures in the annealing process enable the diffusion and agglomeration of C atoms.
+Coherency is lost once the increasing strain energy of the stretched SiC structure surpasses the interfacial energy of the incoherent 3C-SiC precipitate and the Si substrate.
+Estimates of the SiC/Si interfacial energy \cite{taylor93} and the consequent critical size correspond well with the experimentally observed precipitate radii within these studies.
+
+This different mechanism of precipitation might be attributed to the respective method of fabrication.
+While in CVD and MBE surface effects need to be taken into account, SiC formation during IBS takes place in the bulk of the Si crystal.
+However, in another IBS study Nejim et~al. \cite{nejim95} propose a topotactic transformation that is likewise based on substitutional C, which replaces four of the eight Si atoms in the Si unit cell accompanied by the generation of four Si interstitials.
+Since the emerging strain due to the expected volume reduction of \unit[48]{\%} would result in the formation of dislocations, which, however, are not observed, the interstitial Si is assumed to react with further implanted C atoms in the released volume.
+The resulting strain due to the slightly lower Si density of SiC compared to Si of about \unit[3]{\%} is sufficiently small to legitimate the absence of dislocations.
+Furthermore, IBS studies of Reeson~et~al. \cite{reeson87}, in which implantation temperatures of \unit[500]{$^{\circ}$C} were employed, revealed the necessity of extreme annealing temperatures for C redistribution, which is assumed to result from the stability of substitutional C and consequently high activation energies required for precipitate dissolution.
+The results support a mechanism of an initial coherent precipitation based on substitutional C that is likewise valid for the IBS of 3C-SiC by C implantation into Si at elevated temperatures.
+The fact that the metastable cubic phase instead of the thermodynamically more favorable hexagonal $\alpha$-SiC structure is formed and the alignment of these cubic precipitates within the Si matrix, which can be explained by considering a topotactic transformation by C atoms occupying substitutionally Si lattice sites of one of the two fcc lattices that make up the Si crystal, reinforce the proposed mechanism.
+
+To conclude, a controversy with respect to the precipitation of SiC in Si exists in literature.
+Next to the pure scientific interest, solving this controversy and gaining new insight in the SiC conversion mechanism might enable significant progress in the heteroepitaxial growth of thin films featuring non-coherent interfaces in the C/Si system.
+On the other hand, processes relying upon prevention of precipitation in order to produce strained heterostructures will likewise benefit.
+
+% remember
+% werner96/7: rt implants followed by rta < 800: C-Si db aggloms | > 800: 3C-SiC
+% taylor93: si_i reduces interfacial energy (explains metastability) of sic/si
+% eichhorn02: high imp temp more efficient than postimp treatment
+% eichhorn99: same as 02 + c-si agglomerates at low concentrations
+% strane94/guedj98: my model - c redist by si int (spe) and surface diff (mbe)
+% serre95: low/high t implants -> mobile c_i / non-mobile sic precipitates