Carbide silicium wafers worden veel gebruikt in vermogenselektronica, RF-apparaten, elektronica voor hoge temperaturen en halfgeleideronderzoek. Twee SiC wafers met dezelfde diameter en dikte kunnen echter zeer verschillend presteren tijdens epitaxiale groei of fabricage van apparaten.

Kristaldefecten, schade aan het oppervlak, geometrische variatie, ongelijkmatige weerstand en contaminatie kunnen allemaal de procesopbrengst en de betrouwbaarheid van apparaten beïnvloeden. Daarom is het controleren van alleen de waferdiameter en het uiterlijk van het oppervlak niet voldoende.

Deze gids legt de belangrijkste inspectiepunten van SiC-wafers uit, hoe ze worden gemeten en wat kopers van een leverancier moeten vragen voordat ze een productielot goedkeuren.

Wat bepaalt de kwaliteit van SiC-wafers?

De kwaliteit van SiC-wafers wordt meestal geëvalueerd op vijf hoofdgebieden:

1. Kristalstructuur en kristallografische defecten
2. Afmetingen en geometrie van de wafer
3. Oppervlaktekwaliteit en ruwheid
4. Elektrische eigenschappen en uniformiteit
5. Reinheid, identificatie en traceerbaarheid

Het belang van elk punt hangt af van de beoogde toepassing. Een substraat van apparaatkwaliteit, voorbereid voor epitaxiale groei, vereist normaal gesproken strengere controles dan een onderzoeks-wafer, een dummy-wafer of een kalibratiewafers voor apparatuur.

Er is geen enkele specificatie die een "goede" SiC-wafer definieert voor elke toepassing. De juiste acceptatiegrenzen moeten worden vastgesteld op basis van het apparaatproces, de wafergrootte, het geleidingstype en de vereiste productieresultaten.

Snelle samenvatting van veelvoorkomende inspectiepunten voor SiC-wafers

1. Verifieer het SiC-polytype

Carbide silicium heeft veel kristalstructuren, bekend als polytypes. De meest voorkomende halfgeleiderkwaliteiten zijn 4H-SiC en 6H-SiC.

Tegenwoordig wordt 4H-SiC vaak gekozen voor vermogenselektronica vanwege de gunstige ladingsdrager mobiliteit, de brede bandkloof en het hoge kritische elektrische veld. 6H-SiC kan echter nog steeds worden gebruikt voor bepaalde onderzoeks-, optische of gespecialiseerde toepassingen.

Het polytype moet duidelijk worden vermeld op het analysecertificaat. Raman spectroscopie en röntgen diffractie kunnen worden gebruikt om de kristalstructuur te bevestigen en mogelijke polytype insluitsels te identificeren.

Een koper mag niet aannemen dat alle SiC-wafers dezelfde kristalstructuur hebben, simpelweg omdat ze dezelfde kleur, diameter of geleidingstype hebben.

2. Controleer de kristaloriëntatie en off-axis hoek

De meeste commerciële 4H-SiC substraten worden geproduceerd met een gedefinieerde kristallografische oriëntatie, meestal gebaseerd op het (0001) vlak. De wafer kan ook een gespecificeerde off-axis hoek en richting hebben.

De off-axis oriëntatie is bijzonder belangrijk voor epitaxiale groei. Het ondersteunt step-flow groei en helpt de vorming van ongewenste kristalstructuren in de epitaxiale laag te beheersen.

Belangrijke oriëntatie-informatie kan omvatten:

• Kristalvlak
• Si-vlak of C-vlak
• Off-axis hoek
• Off-axis richting
• Oriëntatie tolerantie
• Primaire platte of inkeping oriëntatie

Röntgen diffractie wordt vaak gebruikt om de kristaloriëntatie en offcut te verifiëren. Bij het bestellen van wafers voor epitaxiale groei, moet de koper zowel de nominale off-axis hoek als de acceptabele tolerantie specificeren.

3. Inspecteer micropijpen en andere kristaldefecten

Kristaldefecten behoren tot de belangrijkste factoren die de kwaliteit van SiC-wafers beïnvloeden.

Micropijpen

Een micropijp is een holle kern defect geassocieerd met een grote schroefdislocatie. Het kan door het substraat lopen en de epitaxiale groei of de fabricage van apparaten belemmeren.

Micropijpen waren ooit een belangrijke beperking in de SiC-productie. Hoewel moderne kristalgroei hun dichtheid aanzienlijk heeft verminderd, blijft micropijpinspectie belangrijk voor toepassingen met hoge spanning en hoge betrouwbaarheid.

Threading Screw Dislocations (TSD's)

Threading screw dislocations, of TSD's, strekken zich ongeveer uit langs de richting van de kristalgroei. Ze kunnen het doorslaggedrag, de lekstroom en de betrouwbaarheid van apparaten beïnvloeden.

Hun effect hangt af van de apparaatstructuur, locatie en procesontwerp. Daarom kunnen zowel de defectdichtheid als de ruimtelijke verdeling relevant zijn.

Threading Edge Dislocations (TED's)

Threading edge dislocations, of TED's, worden vaak aangetroffen in SiC-substraten. Hoewel ze minder destructief kunnen zijn dan micropijpen, kunnen hoge dichtheden nog steeds de epitaxiale kwaliteit en de prestaties van apparaten beïnvloeden.

Basal Plane Dislocations (BPD's)

Basal plane dislocations, of BPD's, zijn belangrijk in bipolaire apparaattoepassingen omdat ze kunnen bijdragen aan de vorming of expansie van stapelfouten onder elektrische stress.

Voor toepassingen die gevoelig zijn voor bipolaire degradatie, moeten de BPD-dichtheid en het conversiegedrag tijdens epitaxiale groei zorgvuldig worden geëvalueerd.

Stapelfouten en polytype insluitsels

Stapelfouten zijn onderbrekingen in de normale stapelvolgorde van het SiC-kristal. Polytype insluitsels zijn gebieden waar een onbedoelde SiC-kristalstructuur aanwezig is.

Beide defecten kunnen de epitaxiale groei belemmeren en de elektrische prestaties beïnvloeden.

Gangbare methoden voor defectinspectie omvatten:

• Fotoluminescentie mapping
• Röntgen topografie
• Optische microscopie
• Laser-strooi-inspectie
• Raman spectroscopie
• Gesmolten KOH etsen

Sommige methoden zijn niet-destructief, terwijl chemisch etsen destructief is. Kopers moeten bevestigen welke inspectiemethode is gebruikt en of het gerapporteerde resultaat de gehele wafer vertegenwoordigt of slechts bemonsterde gebieden.

4. Meet de diameter en dikte van de wafer

De diameter en dikte van de wafer bepalen of het substraat compatibel is met de apparatuur voor verwerking, hantering, polijsten en epitaxiale groei.

Belangrijke dimensionale items omvatten:

• Nominale diameter
• Diameter tolerantie
• Nominale dikte
• Dikte tolerantie
• Randprofiel
• Afmetingen van inkeping of platte kant

Dikte-eisen kunnen variëren afhankelijk van de waferdiameter en het beoogde gebruik. Een dunnere wafer kan nodig zijn voor een specifiek apparaatproces, terwijl een dikker substraat een betere mechanische stabiliteit kan bieden tijdens onderzoek of apparatuurtesten.

Voor wafers met aangepaste dikte moeten kopers ook evalueren of extra slijpen of polijsten de bow, warp of onderhuids schade kan verhogen.

5. Evalueer de totale diktevariatie (TTV)

Totale diktevariatie, algemeen afgekort als TTV, is het verschil tussen de maximale en minimale gemeten dikte over de wafer binnen een gedefinieerd meetgebied.

Een lage TTV is belangrijk omdat overmatige diktevariatie kan beïnvloeden:

• Lithografie focus
• Wafer opspanning
• Uniformiteit van slijpen en dunner maken
• Epitaxiale procescondities
• Controle van de dikte van de apparaatlaag
• Wafer bonding

TTV-waarden kunnen worden beïnvloed door de meetmethode, het aantal meetpunten en het gebied met randuitsluiting. Daarom mag een specificatie niet alleen een maximale TTV-waarde vermelden. Het moet ook de overeengekomen meetomstandigheden identificeren.

6. Controleer bow en warp

Bow en warp beschrijven de vorm van een vrije, niet-vastgeklemd wafer, maar het zijn niet dezelfde metingen.

Bow beschrijft over het algemeen de afwijking van het mediane oppervlak van de wafer van een referentievlak.

Warp vertegenwoordigt het totale verschil tussen de hoogste en laagste punten van het mediane oppervlak ten opzichte van een referentievlak.

Overmatige bow of warp kan problemen veroorzaken tijdens:

• Geautomatiseerde wafer hantering
• Vacuüm opspanning
• Lithografie
• Epitaxiale groei
• Wafer bonding
• Slijpen en polijsten
• Film depositie

Grotere en dunnere SiC-wafers kunnen gevoeliger zijn voor geometrische vervorming. Kopers moeten de meetmethode, randuitsluiting en waferondersteuningscondities definiëren bij het vergelijken van gegevens van verschillende leveranciers.

7. Inspecteer de oppervlakte ruwheid

Een SiC-oppervlak dat klaar is voor epitaxiale groei moet extreem glad zijn en vrij van significante polijtschade.

Atomic force microscopy, of AFM, wordt vaak gebruikt om de gemiddelde vierkante oppervlakte ruwheid te meten. De gerapporteerde waarde is echter sterk afhankelijk van het scanbereik, de instrumentinstellingen en de meetlocatie.

Een ruwheidsresultaat moet daarom omvatten:

• RMS of Ra waarde
• AFM scan grootte
• Aantal geteste locaties
• Meetvlak
• Randuitsluitingsconditie

Een enkele ruwheidswaarde zonder scan grootte of bemonsteringsplan is moeilijk te vergelijken.

Voor wafers bedoeld voor epitaxiale groei, moet de oppervlaktekwaliteit ook worden geëvalueerd op polijstgerelateerde defecten zoals krasjes, putjes, resterende onderhuids schade en stapelophoping.

8. Onderzoek krasjes, putjes en oppervlakte defecten

Een wafer kan er met het blote oog schoon uitzien, maar toch defecten bevatten die de epitaxiale groei of de fabricage van apparaten beïnvloeden.

Veelvoorkomende oppervlakte defecten omvatten:

• Krasjes
• Putjes
• Deukjes
• Vlekken
• Waas
• Deeltjes
• Randchips
• Polijstsporen
• Oranje-schil textuur
• Onderhuids schade

Inspectie kan worden uitgevoerd met helderveld microscopie, donkerveld microscopie, laser-strooi-systemen en geautomatiseerde oppervlaktescanners.

De acceptatiecriteria moeten de minimaal detecteerbare defectgrootte, het toegestane aantal defecten en het gebied met randuitsluiting definiëren. Beschrijvingen zoals "spiegel gepolijst" of "krasvrij" zijn niet voldoende, tenzij vergezeld van meetbare normen.

9. Bevestig Si-vlak, C-vlak en oppervlakteafwerking

SiC-wafers hebben twee polaire oppervlakken: het silicium-afgedekte vlak en het koolstof-afgedekte vlak. Deze oppervlakken gedragen zich niet identiek tijdens oxidatie, etsen, polijsten of epitaxiale groei.

De leverancier moet specificeren:

• Welk vlak is het Si-vlak
• Welk vlak is het C-vlak
• Welk vlak is epi-klaar
• Of de wafer enkelzijdig gepolijst of dubbelzijdig gepolijst is
• Ruwheid of afwerking van de achterkant
• Methode voor identificatie van de voorkant

Onjuiste vlakidentificatie kan leiden tot procesfalen, vooral tijdens epitaxiale groei of oppervlakteonderzoek.

Voor enkelzijdig gepolijste wafers moet de koper ook bevestigen of de achterkant fijn geslepen, geëtst, gelapt of gepolijst is.

10. Evalueer de weerstand en doping uniformiteit

Elektrische prestaties zijn een ander essentieel onderdeel van de kwaliteit van SiC-wafers.

Geleidende N-type SiC-wafers zijn meestal stikstof gedoopt. Andere dopingtypes en semi-isolerende kwaliteiten zijn ook beschikbaar voor gespecialiseerde toepassingen.

Belangrijke elektrische parameters kunnen omvatten:

• Geleidingstype
• Dopant
• Weerstandsbereik
• Weerstand uniformiteit
• Ladingsdrager concentratie
• Ladingsdrager mobiliteit
• Radiale en axiale uniformiteit

Vierpunts probe meting, contactloze weerstandsmeting, wervelstroom mapping en Hall-effect meting kunnen worden gebruikt, afhankelijk van het wafertype en het weerstandsbereik.

Een gemiddelde weerstandswaarde alleen is mogelijk niet voldoende. Voor de productie van apparaten kan de variatie van het midden van de wafer naar de rand en van wafer tot wafer binnen hetzelfde lot even belangrijk zijn.

Voor semi-isolerende SiC-wafers moet de meetmethode geschikt zijn voor materiaal met hoge weerstand. De leverancier moet de testtemperatuur, het meetbereik en de acceptatiecriteria vermelden.

11. Controleer oppervlaktevervuiling en deeltjesniveaus

Metalen contaminatie, organische residuen en deeltjes kunnen de opbrengst van epitaxiale groei en apparaten verminderen, zelfs wanneer de wafer voldoet aan zijn geometrische specificaties.

Mogelijke inspectietechnieken omvatten:

• Geautomatiseerde deeltjesscanning
• Totale reflectie röntgenfluorescentie
• Röntgen foto-elektronen spectroscopie
• Secundaire ionen massa spectroscopie
• Oppervlakte-ionen of chemische analyse

Niet elke bestelling vereist geavanceerde contaminatietests. Kopers moeten echter ten minste het reinigingsproces van de wafer, de definitieve verpakkingsomgeving en het maximaal toegestane deeltjesniveau bevestigen wanneer het materiaal bedoeld is voor gevoelige halfgeleiderfabricage.

12. Inspecteer de waferrand, platte kant of inkeping

De waferrand beïnvloedt de mechanische sterkte en de geautomatiseerde hantering.

Inspecteer de rand op:

• Chips
• Scheuren
• Afschuiningsdefecten
• Ongelijke randprofielen
• Onjuiste afmetingen van inkeping of platte kant
• Onjuiste positie van oriëntatiemarkering

Kleine randdefecten kunnen groeien tijdens verwerking bij hoge temperaturen, slijpen of wafertransport. Om deze reden moet randinspectie worden opgenomen in de inkomende kwaliteitscontrole, vooral voor dunne wafers of wafers met een grote diameter.

De positie en afmetingen van de primaire platte kant of inkeping moeten ook overeenkomen met de vereisten van de verwerkingsapparatuur en de kristallografische oriëntatie.

13. Controleer de waferkaart, COA en lot traceerbaarheid

Een volledig analysecertificaat moet de inspectieresultaten duidelijk koppelen aan de geleverde wafer of het productie lot.

Afhankelijk van de bestelling, kunnen nuttige documentatie omvatten:

• Uniek wafer identificatienummer
• Lot- en kristalboule nummer
• Polytype en oriëntatie
• Diameter en dikte
• TTV, bow en warp
• Oppervlakte ruwheid
• Geleidingstype en weerstand
• Micropijp- of dislocatiegegevens
• Resultaten van oppervlakte defecten
• Inspectiedatum en methode
• Defect- of weerstandskaarten op waferniveau
• Verpakkings- en reinigingsinformatie

Een gemiddelde op lotniveau kan niet altijd lokale defecten of variatie van wafer tot wafer onthullen. Vraag voor kritische toepassingen individuele wafergegevens of waferkaarten op in plaats van alleen te vertrouwen op een algemeen batchcertificaat.

Traceerbaarheid is ook belangrijk bij het vergelijken van epitaxiale resultaten, het identificeren van procesproblemen of het evalueren van de consistentie van de leverancier op lange termijn.

Substraatinspectie verschilt van epitaxiale waferinspectie

Een kale SiC-substraat en een epitaxiale SiC-wafer vereisen verschillende inspectieplannen.

Naast substraatparameters kan een epitaxiale wafer evaluatie vereisen van:

• Dikte van de epitaxiale laag
• Uniformiteit van de dikte
• Doping concentratie
• Doping uniformiteit
• Oppervlakte morfologie
• Dichtheid van epitaxiale defecten
• Levensduur van ladingsdragers
• Stapelophoping
• Driehoekige defecten
• Neerwaartse deeltjes
• Conversie van basale vlak dislocaties

Kopers moeten duidelijk aangeven of ze een gepolijst substraat, een epi-klaar substraat of een wafer met een epitaxiale laag nodig hebben.

Hoe inkomende inspectie uit te voeren

Een praktisch inkomend inspectieproces kan worden onderverdeeld in vier stappen.

Stap 1: Documentatie verifiëren

Bevestig dat de waferidentificatie, inkooporder, verpakkingslabel en COA verwijzen naar dezelfde wafer of lot.

Stap 2: Visuele en dimensionale inspectie uitvoeren

Controleer diameter, dikte, randconditie, oppervlakte-identificatie en zichtbare krasjes, deeltjes of chips.

Stap 3: Kritische parameters meten

Meet de eigenschappen die het meest relevant zijn voor het proces, zoals TTV, bow, warp, ruwheid of weerstand.

Stap 4: Resultaten vergelijken met waferkaarten en procesprestaties

Voor productiegebruik, correleer inkomende inspectiegegevens met epitaxiale defecten, fabricageopbrengst en uiteindelijke apparaatprestaties. Dit helpt te bepalen welke substraatparameters de grootste invloed hebben op het werkelijke proces.

Checklist voor SiC Wafer RFQ

Geef de volgende informatie voordat u een offerte aanvraagt:

• Toepassing of beoogd proces
• SiC polytype: 4H-SiC, 6H-SiC of een ander type
• Wafer diameter
• Kristaloriëntatie
• Off-axis hoek en richting
• Vereiste Si-vlak of C-vlak
• Geleidend of semi-isolerend type
• Geleidingstype en dopant
• Weerstandsbereik en uniformiteit
• Nominale dikte en tolerantie
• Maximale TTV, bow en warp
• Enkelzijdig of dubbelzijdig polijsten
• Vereiste oppervlakte ruwheid
• Toegestane niveaus van kristal- en oppervlakte defecten
• Vereisten voor rand, platte kant of inkeping
• Reinigings- en verpakkingsvereisten
• Vereisten voor COA, waferkaart en traceerbaarheid
• Vereiste hoeveelheid

Het verstrekken van een volledige specificatie vermindert de tijd voor technische verduidelijking en helpt de leverancier de juiste waferkwaliteit te selecteren.

Veelgestelde vragen

Wat is de belangrijkste kwaliteits parameter van SiC-wafers?

Er is geen enkele belangrijkste parameter voor elke toepassing. Kristaldefecten, oppervlakteconditie, geometrie en weerstand moeten samen worden beschouwd. Voor epitaxiale groei zijn de off-axis hoek, oppervlakte ruwheid, onderhuids schade en kristaldefecten vaak bijzonder belangrijk.

Is een lagere TTV altijd beter?

Een lagere TTV verbetert over het algemeen de procesuniformiteit, maar strengere specificaties kunnen de productiekosten verhogen. De juiste limiet moet gebaseerd zijn op de apparatuur, het lithografieproces, de bonding methode en de uiteindelijke apparaatvereisten.

Kan visuele inspectie alle SiC-wafer defecten detecteren?

Nee. Visuele inspectie kan krasjes, chips, vlekken en grote oppervlakte defecten identificeren, maar het kan niet alle onderhuids of kristallografische defecten onthullen. PL mapping, röntgen topografie, AFM en andere analytische methoden kunnen nodig zijn.

Waarom is de AFM scan grootte belangrijk?

Oppervlakte ruwheid kan anders lijken wanneer gemeten over verschillende scan gebieden. Een AFM resultaat moet altijd de scan grootte, meetlocatie en aantal bemonsterde punten bevatten.

Wat is het verschil tussen onderzoeks-grade en apparaat-grade SiC-wafers?

Onderzoeks-grade wafers kunnen bredere toleranties of hogere toegestane defectniveaus hebben. Apparaat-grade of epi-klare wafers vereisen over het algemeen strengere controle van kristaldefecten, oppervlakteconditie, geometrie, weerstand en traceerbaarheid.

Moeten kopers een inspectiekaart op waferniveau aanvragen?

Een kaart op waferniveau wordt aanbevolen voor toepassingen waarbij de positie van defecten, de weerstand uniformiteit of lokale oppervlaktecondities de opbrengst van apparaten kunnen beïnvloeden. Het biedt meer nuttige informatie dan een enkele gemiddelde waarde per lot.

Conclusie

Het evalueren van de kwaliteit van SiC-wafers vereist meer dan het controleren van diameter, dikte en visueel uiterlijk. Kristalstructuur, dislocatiedichtheid, TTV, bow, warp, oppervlakte ruwheid, weerstand, contaminatie en traceerbaarheid kunnen allemaal de epitaxiale groei en de opbrengst van apparaten beïnvloeden.

De eerste stap is het definiëren van de beoogde toepassing van de wafer. Kopers kunnen vervolgens meetbare acceptatiecriteria vaststellen en inspectieresultaten aanvragen op basis van de parameters die hun proces direct beïnvloeden.

Bij het aanvragen van een offerte, geef het polytype, de diameter, de oriëntatie, de geleiding, de dikte, de geometrische toleranties, de oppervlaktevereisten en de documentatiebehoeften op. Een gedetailleerde RFQ maakt het gemakkelijker om wafers nauwkeurig te vergelijken en te voorkomen dat materiaal wordt ontvangen dat voldoet aan een algemene beschrijving, maar niet overeenkomt met de werkelijke toepassing.