Naarmate de productie van siliciumcarbide zich richting grotere wafeldiameters beweegt, wordt de randkwaliteit steeds belangrijker. Voor een 200mmSiC-wafelis het niet voldoende om alleen de diameter, dikte, TTV, buiging, schering en oppervlakteruwheid te beoordelen. De toestand van de wafelomtrek kan een directe invloed hebben op de stabiliteit bij het hanteren, de epitaxiale verwerking, het reinigen, de lithografie, het dunner worden van de wafel en de stroomafwaartse opbrengst van het apparaat.

Een wafel kan een uitstekend gepolijst centraal oppervlak hebben, terwijl hij nog steeds randchips, microscheuren of ondergrondse schade rond de afschuining bevat. Deze defecten kunnen tijdens latere verwerking deeltjesbronnen of startpunten voor mechanische storingen worden.

Om deze reden moeten kopers van 200 mm SiC-substraten de afschuiningsgeometrie, randuitsluiting, randchiplimieten en randinspectie-eisen opnemen in de waferspecificatie in plaats van de rand als een secundair kenmerk te behandelen.

Waarom randkwaliteit belangrijker wordt bij 200 mm

Het vergroten van de waferdiameter verbetert het aantal apparaten dat per wafer kan worden verwerkt, maar verhoogt ook de mechanische en procescontrole-eisen die aan het substraat worden gesteld.

Een SiC-wafel van 200 mm moet door meerdere geautomatiseerde systemen gaan, waaronder:

• Wafercassettes en FOUP-compatibele bediening
• Robotachtige wafeloverdracht
• Reinigingsapparatuur
• Epitaxie reactoren
• Inspectiesystemen
• Apparatuur voor het slijpen en uitdunnen
• Lithografie- en coatingprocessen

Tijdens deze bewerkingen ondervindt de wafelrand herhaaldelijk mechanisch contact en thermische cycli.

Zelfs relatief kleine randdefecten kunnen daardoor belangrijk worden.

Typische randgerelateerde risico's zijn onder meer:

• Lokaal chippen
• Radiale microscheuren
• Schuine krassen
• Scherpe randovergangen
• Ondergrondse scheuren
• Losse deeltjes
• Randvervuiling
• Onregelmatige randgeometrie

SEMI's werk op het gebied van gepolijste monokristallijne SiC-wafelspecificaties omvatte specifiek fysieke kenmerken zoals randvorm, vlakheid, oriëntatie en defecten, aangezien de industrie naar 200 mm-substraten is gegaan.

1. Schuine geometrie

De buitenomtrek van een halfgeleiderwafel is normaal gesproken gevormd in plaats van een scherpe hoek van 90 graden.

Dit gevormde gebied wordt gewoonlijk de afschuining, het randprofiel of de randcontour genoemd.

Het doel van randvorming is om de mechanische spanningsconcentratie te verminderen en de wafer beter bestand te maken tegen afbrokkelen tijdens hantering en verwerking.

SEMI's waferrandcontourtestmethodologie merkt op dat het contouren van de rand helpt het afbrokkelen te verminderen en ook problemen zoals epitaxiale randkroon en fotoresistrandkraal kan verminderen.

Voor SiC-wafels is de afschuiningsgeometrie vooral belangrijk omdat SiC extreem hard maar relatief bros is tijdens mechanische bewerking.

Belangrijke afschuiningsparameters

In een waferaankoopspecificatie moet mogelijk het volgende worden gedefinieerd:

• Breedte van de schuine kant
• Randradius
• Afschuiningshoek
• Overgang voorzijde
• Overgang achterkant
• Randsymmetrie
• Consistentie van het randprofiel
• Inkepingsgeometrie
• Afgeschuinde oppervlakteafwerking

Er is geen enkele schuine geometrie die ideaal is voor elk proces.

Het juiste profiel is afhankelijk van factoren zoals:

• Uiteindelijke wafeldikte
• Epitaxie-vereisten
• Chuck-ontwerp
• Werkwijze voor het hanteren van wafels
• Geplande backgrinding
• Uitsluiting van rand van apparaat
• Compatibiliteit van automatisering

Om deze reden moeten ervaren kopers vermijden alleen 'standaard schuine kant' te specificeren.

Als de randgeometrie van cruciaal belang is, moet een overeengekomen randprofieltekening of inspectiemethode in de aankoopspecificatie worden opgenomen.

2. Randuitsluiting

Randuitsluiting (EE) definieert het perifere gebied van de wafer dat is uitgesloten van bepaalde oppervlakte- of geometrievereisten.

In SEMI-terminologie is randuitsluiting in essentie de afstand tussen de grens van het vaste kwaliteitsgebied en de nominale waferomtrek.

Dit onderscheid is belangrijk omdat de eigenschappen van wafels vaak nabij de rand veranderen.

Voorbeelden zijn onder meer:

• Lokale diktevariatie
• Oppervlakte-afrol
• Randpolijstsporen
• Deeltjesconcentratie
• Epitaxiale diktevariatie
• Weersta de niet-uniformiteit van de coating
• Rand kraal
• Lokale oppervlaktedefecten

Bijgevolg mag een koper niet eenvoudigweg specificeren:

TTV ≤ X µm

Een completere specificatie zou moeten verduidelijken waar TTV wordt gemeten en welke randuitsluiting wordt toegepast.

Hetzelfde principe geldt voor:

• Vlakheid
• Boog
• Verdraaien
• Oppervlakteruwheid
• Deeltjesinspectie
• Inspectie van defecten
• Uniformiteit van de epitaxiale dikte

Near-edge-geometrie is zo belangrijk geworden dat SEMI M67 gespecialiseerde metrieken definieert zoals ESFQR, ESFQD en ESBIR voor het evalueren van wafergeometrie dicht bij de omtrek.

3. Afbreken van randen

Randchippen is een van de meest zichtbare defecten aan de wafelrand.

Het kan voorkomen tijdens:

• Kristal snijden
• Rand slijpen
• Lappen
• Polijsten
• Schoonmaak
• Wafel transport
• Cassette laden
• Achterslijpen
• Mechanische bediening

Een chip lijkt in eerste instantie misschien slechts een cosmetisch defect, maar de betekenis ervan hangt af van de diepte, breedte, locatie en of een scheur zich uitstrekt vanaf het afgebroken gebied.

Voor productiewafels moeten kopers daarom specificaties vermijden zoals:

Geen ernstige randchips.

Deze formulering is moeilijk objectief te controleren.

Een betere offerteaanvraag moet meetbare acceptatiecriteria definiëren, zoals:

• Maximale spaanbreedte
• Maximale spaandiepte
• Maximaal aantal fiches
• Of er spanen in het gepolijste oppervlak terecht kunnen komen
• Of radiale scheuren zijn toegestaan
• Inspectievergroting
• Kritieke versus niet-kritieke randgebieden

Waarom kleine chips ertoe kunnen doen

Een beschadigde rand kan een spanningsconcentratiepunt worden.

Tijdens daaropvolgende thermische of mechanische belasting kan een bestaande scheur zich verder in de wafer uitstrekken.

Het risico wordt vooral belangrijk tijdens:

• Epitaxie bij hoge temperatuur
• Snelle thermische verwerking
• Verdunning van de wafels
• In blokjes snijden
• Wafelverlijming
• Geautomatiseerde afhandeling op hoge snelheid

De veiligste aanpak is daarom om zowel de zichtbare chip als de mogelijkheid van daarmee gepaard gaande microscheurtjes te evalueren.

4. Ondergrondse schade rond de SiC-rand

Een van de moeilijkere kwaliteitsproblemen is ondergrondse schade, oftewel SSD.

Een wafelrand kan bij normale visuele inspectie glad lijken, terwijl beschadigd materiaal onder het oppervlak achterblijft.

Onderzoek naar SiC-bewerking heeft aangetoond dat slijpen schade kan veroorzaken, waaronder chipping pits en ondergrondse laterale of middenscheuren. Onderzoek naar 4H-SiC heeft ook aangetoond dat slijpen en polijsten ondergrondse schade op nanoschaal kan veroorzaken die niet volledig wordt weergegeven door gewone metingen van de oppervlakteruwheid.

Mogelijke vormen van SSD zijn onder meer:

• Microscheuren
• Resterende mechanische spanning
• Schade aan het kristalrooster
• Dislocaties
• Lokale gebroken regio's

Wat veroorzaakt SSD?

Belangrijke variabelen zijn onder meer:

• Korrelgrootte slijpschijf
• Voedingssnelheid
• Slijpdruk
• Snelheid van het wiel
• Diepte van materiaalverwijdering
• Koelomstandigheden
• Polijstproces
• CMP-verwijderingsdiepte

Bij een grovere of agressievere mechanische bewerking ontstaat doorgaans een diepere schadelaag die vervolgens verwijderd of verkleind moet worden.

Dit is de reden waarom een ​​spiegelachtig uiterlijk alleen niet kan bewijzen dat de wafelrand een uitstekende mechanische integriteit heeft.

5. Randkwaliteit en epitaxiale verwerking

Randkwaliteit wordt vooral belangrijk wanneer een SiC-substraat wordt gebruikt voor homo-epitaxiale groei.

Een slechte randgeometrie kan bijdragen aan procescomplicaties nabij de waferomtrek, waaronder:

• Rand kroon
• Lokale epitaxiale diktevariatie
• Deeltjesvorming
• Niet-uniforme gasstroomeffecten
• Voortplanting van randdefecten

De fabrikant van het apparaat kan opzettelijk een deel van de waferomtrek uitsluiten van het bruikbare apparaatgebied, maar overmatige randschade kan zich verder uitstrekken dan de geplande uitsluitingszone.

Voor een SiC-substraat dat geschikt is voor epitaxie moet de offerteaanvraag daarom rekening houden met de relatie tussen:

fysieke afschuining → randuitsluiting → bruikbaar gebied → epitaxiale uitsluiting → apparaatopbrengst

in plaats van deze items afzonderlijk te behandelen.

6. Inkomende inspectie voor SiC-wafels van 200 mm

Voor hoogwaardige SiC-substraten van 200 mm moet bij binnenkomende inspectie een gestructureerde volgorde worden gebruikt.

Stap 1: Verpakkingsinspectie

Inspecteer voordat u de wafelcontainer opent:

• Staat van verzenddoos
• Schok- of impactborden
• Bescherming tegen vocht
• Staat van cassette of wafeldoosje
• Waferbeweging binnen de drager

Dit helpt transportschade te onderscheiden van fabricagefouten.

Stap 2: Waferidentificatie

Bevestigen:

• Diameter
• Dikte
• Geleidbaarheidstype
• Kristaloriëntatie
• Hoek buiten de as
• Si-gezicht / C-gezicht
• Lotnummer
• Wafer-ID

Traceerbaarheid wordt vooral belangrijk als er herhaaldelijk schade aan de randen wordt aangetroffen binnen dezelfde productiepartij.

Stap 3: Visuele inspectie van de randen

Inspecteer de volledige omtrek op:

• Chips
• Scheuren
• Krassen
• Vlekken
• Residuen
• Randdeeltjes
• Abnormale schuine geometrie

Inspectieomstandigheden moeten worden gestandaardiseerd.

Stap 4: Vergrote randinspectie

Optische vergroting kan worden gebruikt waar kleinere defecten moeten worden gedetecteerd.

Er moet speciale aandacht worden besteed aan:

• Chipgrenzen
• Radiale scheuren
• Inkepingsgebied
• Overgang naar voren
• Overgang naar achteren

Het kerfgebied verdient bijzondere aandacht omdat de lokale geometrie verschilt van de cirkelvormige wafelomtrek.

Stap 5: Randprofielmeting

Meet waar nodig:

• Schuine geometrie
• Randcontour
• Randsymmetrie
• Randafrol
• Overgangsgeometrie

SEMI M73 biedt een methodologie voor het extraheren van kenmerken uit gemeten wafelrandprofielen, wat het toenemende belang weerspiegelt van het kwantitatief controleren van de randvorm bij geavanceerde wafelverwerking.

Stap 6: Geometrie-inspectie

Het inspectierapport moet ook de overeengekomen parameters voor de wafergeometrie bevatten, zoals:

• Dikte
• TTV
• Boog
• Verdraaien
• Mondiale vlakheid
• Vlakheid aan de rand

Er mag niet automatisch worden aangenomen dat de geometrie aan de rand van de rand zich identiek gedraagt ​​als het centrale wafergebied.

Stap 7: Inspectie van oppervlakken en deeltjes

Inspecteer ten slotte de relatie tussen de schuine kant en het gepolijste wafeloppervlak.

Controleer op:

• Deeltjes die vrijkomen bij randschade
• Polijstresten
• Randvervuiling
• Krassen die het actieve gebied binnendringen
• Oppervlaktedefecten die hun oorsprong vinden nabij de rand

7. Aanbevolen offerteaanvragen voor SiC-wafels van 200 mm

Een praktische offerteaanvraag kan de volgende items bevatten:

De exacte acceptatiewaarden moeten tussen leverancier en klant worden overeengekomen, omdat apparaatprocessen en metrologiesystemen verschillend zijn.

8. Vragen die u aan een leverancier van SiC-wafels kunt stellen

Voordat kopers substraten van 200 mm kopen, kunnen ze het volgende vragen:

1. Welke schuine geometrie wordt gebruikt voor de wafel van 200 mm?
2. Kunt u een randprofieltekening aanleveren?
3. Welke randuitsluiting wordt gebruikt voor TTV en oppervlakte-inspectie?
4. Hoe wordt randchippen gemeten?
5. Zijn radiale randscheuren opgenomen in de afkeurcriteria?
6. Welke inspectievergroting wordt gebruikt?
7. Wordt de inkeping afzonderlijk geïnspecteerd?
8. Kunnen geometriegegevens over de nabije rand worden verstrekt?
9. Wordt er bij elke partij een keuringsrapport meegeleverd?
10. Kunnen aangepaste randspecificaties worden ondersteund?

Deze vragen zijn vaak nuttiger dan simpelweg het aanvragen van een generieke "prime-grade" wafer.

Conclusie

Naarmate de productie van SiC richting 200 mm-productie vordert, wordt de kwaliteit van de wafelrand een belangrijk onderdeel van de substraatkwalificatie.

Het centrale gepolijste oppervlak krijgt wellicht de meeste aandacht, maar de geometrie van de schuine randen, het uitsluiten van randen, afbrokkeling en verborgen beschadigingen onder het oppervlak kunnen de betrouwbaarheid van het hanteren, de epitaxiale verwerking, de controle op verontreiniging en het bruikbare waferoppervlak beïnvloeden.

Voor inkoopteams is het de sleutel om vage eisen zoals ‘goede randkwaliteit’ te vervangen door meetbare specificaties.

Een volledige offerteaanvraag voor SiC-wafers van 200 mm moet daarom het volgende definiëren:

schuine geometrie + randuitsluiting + afbrokkelcriteria + scheuracceptatie + inspectiemethode + wafergeometrie + rapportagevereisten.

Duidelijke specificaties maken het voor zowel de waferleverancier als de apparaatfabrikant gemakkelijker om consistente inkomende inspectiecriteria vast te stellen en geschillen tijdens de productiekwalificatie te verminderen.

Veelgestelde vragen

Wat is randuitsluiting op een SiC-wafel?

Randuitsluiting is het perifere gebied tussen de wafelrand en de grens van het gebied dat wordt gebruikt voor gespecificeerde metingen of kwaliteitsevaluatie. Het moet duidelijk worden gedefinieerd bij het specificeren van vlakheid, defecten, deeltjes of epitaxiale uniformiteit.

Waarom is de schuine geometrie belangrijk voor SiC-wafels van 200 mm?

Een goed gecontroleerde afschuining vermindert de spanningsconcentratie op de scherpe randen en helpt het afbrokkelen tijdens het hanteren te beperken. Het kan ook het verwerkingsgedrag aan de rand beïnvloeden tijdens epitaxie, coating, reiniging en lithografie.

Kan een SiC-wafer de visuele inspectie doorstaan, maar toch randschade vertonen?

Ja. Onder een visueel glad oppervlak kunnen microscheurtjes en beschadigingen onder het oppervlak achterblijven. Voor veeleisende toepassingen kunnen uitgebreide inspecties en geschikte proces- of metrologische controles vereist zijn.