Bij aankoop van eensiliciumcarbide wafeltje voor epitaxiale groei is het niet voldoende om alleen de wafeldiameter, het polytype en het dopingtype te specificeren. De hoek buiten de as van de wafer, ook bekend als de miscut-hoek, kan de stapstroomgroei, de polytype-stabiliteit, de oppervlaktemorfologie, de voortplanting van defecten en de uiteindelijke opbrengst van het apparaat aanzienlijk beïnvloeden.

Voor 4H-SiC-wafels zijn drie veelbesproken oriëntaties:

• 0° of nominaal op de as
• 4° buiten de as
• 8° buiten de as

Deze hoeken zijn niet uitwisselbaar. Een wafer van 0° is niet automatisch nauwkeuriger, terwijl een wafer van 8° niet automatisch beter is voor epitaxie. Elke hoek creëert een andere oppervlaktestapstructuur en moet worden afgestemd op het epitaxiale proces en de apparaattoepassing.

Deze gids legt uit hoe verkeerd gesneden hoeken van SiC-wafels van 0°, 4° en 8° de epitaxie beïnvloeden en biedt een checklist voor offerteaanvragen voor het selecteren van het juiste substraat.

Wat is de hoek buiten de as van een SiC-wafel?

Een SiC-kristal heeft kristallografische vlakken en richtingen gedefinieerd. Voor een standaard 4H-SiC-wafel in het C-vlak staat het nominale oppervlak loodrecht op de c-as van het kristal, weergegeven door het (0001) vlak.

Een wafel op de as wordt ongeveer evenwijdig aan dit basisvlak gesneden.

Een buiten de as gelegen wafel wordt opzettelijk onder een kleine hoek weggesneden van het exacte basale vlak, normaal gesproken in de richting van een gespecificeerde kristallografische richting, zoals:

4° richting ⟨11-20⟩

Door de opzettelijke kanteling ontstaat een oppervlak met atomaire terrassen, gescheiden door treden. Deze stappen bieden voorkeursplaatsen voor atomen die arriveren tijdens epitaxiale groei.

De off-axis specificatie omvat daarom twee afzonderlijke items:

1. Hoek buiten de as
2. Richting buiten de as

Een specificatie die alleen “4° off-axis” vermeldt, is onvolledig als de kristallografische richting en hoektolerantie niet zijn opgenomen.

Waarom SiC Epitaxy een opzettelijke verkeerde snede gebruikt

Siliciumcarbide komt voor in veel kristalstructuren die polytypes worden genoemd. Veel voorkomende voorbeelden zijn 3C-SiC, 4H-SiC en 6H-SiC.

Tijdens de homoepitaxiale groei is het doel normaal gesproken het reproduceren van het polytype van het substraat. Een 4H-SiC-substraat zou bijvoorbeeld een epitaxiale 4H-SiC-laag moeten produceren.

De atomaire stappen op een oppervlak buiten de as helpen de aankomende silicium- en koolstofsoorten de stapelvolgorde van het onderliggende kristal te volgen. Dit mechanisme wordt genoemdstapgecontroleerde epitaxieofstap-stroom groei.

Gepubliceerd onderzoek bevestigt dat 4H-SiC-epitaxie gewoonlijk substraten onder een hoek van 4 ° gebruikt om de stapstroomgroei te verbeteren en de stabiliteit van het polytype te behouden.Materiaalonderzoek naar de vorming van 3C-insluitingen

De algemene relatie is:

• Kleinere snijhoek: bredere terrassen en lagere stapdichtheid
• Grotere snijhoek: smallere terrassen en hogere stapdichtheid

Het verhogen van de stapdichtheid verandert echter ook de stapophoping, oppervlakteruwheid, defectgedrag en materiaalgebruik.

0° SiC-wafels op de as

Oppervlaktekenmerken

Een nominaal op de as gelegen SiC-wafel heeft een oppervlak dichtbij het exacte (0001) basale vlak. De terrassen zijn breder en de natuurlijke stapdichtheid is lager dan die van 4° of 8° wafels.

“Op de as” betekent niet altijd exact 0,000°. Echte wafels kunnen nog steeds een kleine resterende misoriëntatie bevatten, veroorzaakt door kristalkromming, snijnauwkeurigheid, wafelboog en polijsten.

Daarom moet een offerteaanvraag een hoektolerantie vermelden, zoals:

Op de as (0001) ±0,5°

Voor veeleisend onderzoek kan een nauwere tolerantie of een oriëntatiekaart op de volledige wafer nodig zijn.

Voordelen van 0° Wafels

Potentiële voordelen zijn onder meer:

• Beter gebruik van boulemateriaal
• Minder kristalmateriaal verloren door schuin snijden
• Geschiktheid voor semi-isolerende RF-substraten
• Geschiktheid voor geselecteerde GaN-op-SiC-processen
• Verminderde replicatie van bepaalde dislocaties in het basale vlak onder specifieke groeiomstandigheden
• Beschikbaarheid voor onderzoek naar low-off-axis of on-axis homo-epitaxie

Uitdagingen van 0° Homoepitaxie

Met minder oppervlaktestappen hebben atomen minder geprefereerde inbouwplaatsen op de rand. Tweedimensionale kiemvorming kan waarschijnlijker worden als het proces niet zorgvuldig wordt gecontroleerd.

Voor 4H-SiC-homo-epitaxy kan dit leiden tot:

• 3C-SiC-insluitsels
• Polytype-instabiliteit
• Driehoekige defecten
• Oppervlakte eilanden
• Niet-uniforme stapvorming
• Verminderd bruikbaar apparaatoppervlak

Onderzoek naar nominaal op de as gelegen Si-face 4H-SiC heeft aangetoond dat homo-epitaxie van hoge kwaliteit mogelijk is, maar het beheersen van 3C-SiC-insluitsels blijft een belangrijke verwerkingsuitdaging.On-axis 4H-SiC-epitaxieonderzoek

Modern reactorontwerp, in-situ etsen, temperatuurregeling, precursor-ramping en optimalisatie van de C/Si-verhouding kunnen de groei op de as verbeteren. Niettemin kan een epitaxiaal recept dat is ontwikkeld voor 4°-wafels niet zomaar worden overgedragen naar 0°-wafels zonder procesontwikkeling.

Typische toepassingen

Op de as geplaatste 4H-SiC-wafels kunnen worden geselecteerd voor:

• Hoogzuivere semi-isolerende SiC-substraten
• GaN-op-SiC RF-epitaxie
• Substraten voor microgolf- en radarapparatuur
• Optische en onderzoekstoepassingen
• Alternatieve homo-epitaxiale groeiprocessen
• Onderzoek naar dislocatie van het basaalvlak
• Aangepaste niet-standaard epitaxiale structuren

De juiste hoek voor GaN-op-SiC moet worden bevestigd door de leverancier van GaN-epitaxie, omdat AlN-nucleatie, polariteit en reactoromstandigheden de voorkeursfout kunnen veranderen.

4° SiC-wafels buiten de as

Waarom 4° een gebruikelijke keuze is geworden

Een 4H-SiC-wafel met een hoek van 4° buiten de as biedt een praktisch evenwicht tussen stapdichtheid, epitaxiale processtabiliteit en substraatproductiekosten.

Het oppervlak bevat voldoende stappen om stapsgewijze groei te ondersteunen, terwijl enkele van de nadelen van materiaalgebruik die gepaard gaan met een grotere 8°-snede worden vermeden.

Een algemene specificatie voor geleidende 4H-SiC-substraten voor voedingsapparaten is:

4° richting ⟨11-20⟩ ±0,5°

Voor elk proces moet nog steeds de exacte richting en tolerantie worden bevestigd.

Voordelen van 4° Wafels

Een goed voorbereid 4°-substraat kan zorgen voor:

• Stabiele 4H polytype-replicatie
• Betrouwbare step-flow epitaxie
• Compatibiliteit met gevestigde stroomapparaatprocessen
• Goede controle van epitaxiale dikte en doping
• Lager materiaalverlies dan een afsnijding van 8°
• Brede beschikbaarheid voor N-type 4H-SiC
• Compatibiliteit met SiC MOSFET en Schottky-diodeproductie

Onderzoek heeft dikke 4H-SiC epitaxiale lagen met hoge groeisnelheid en gecontroleerde morfologie aangetoond op 4° off-axis substraten wanneer temperatuur, oppervlaktechemie, C/Si-verhouding en pre-groei-etsen zijn geoptimaliseerd.

Potentiële defecten op 4°-wafels

Een hoek buiten de as van 4° elimineert epitaxiale defecten niet. Mogelijke problemen zijn onder meer:

• Stap bosvorming
• Driehoekige defecten
• Worteldefecten
• Dislocaties in het basaalvlak
• Draadrand- of schroefdislocaties
• Oppervlaktekrassen overgebracht naar de epitaxiale laag
• Lokale polytype-insluitsels
• Randgerelateerde dikte niet-uniformiteit

De uiteindelijke defectdichtheid is afhankelijk van zowel het substraat als het groeiproces. Oppervlaktevoorbereiding, waterstofetsen, groeisnelheid, druk, temperatuur en precursorverhouding hebben allemaal invloed op het resultaat.

Typische toepassingen

Een 4H-N SiC-wafel met een hoek van 4° buiten de as wordt doorgaans overwogen voor:

• SiC MOSFET's
• Schottky-barrièrediodes
• Verbindingsbarrière Schottky-diodes
• PiN-diodes
• Hoogspanningsapparaten
• Omvormers voor elektrische voertuigen
• Opladers aan boord
• Industriële voedingen
• Converters voor hernieuwbare energie
• Dikke epitaxiale SiC-lagen

Voor de meeste standaard geleidende 4H-SiC-energieprojecten is 4° de eerste richting die kopers moeten beoordelen.

8° SiC-wafels buiten de as

Oppervlaktekenmerken

Een wafeltje met een hoek van 8° buiten de as heeft ongeveer tweemaal de nominale helling van een wafeltje van 4°. Het biedt daarom een ​​hogere dichtheid aan oppervlaktetreden en smallere terrassen.

Historisch gezien werden substraten met een hoek buiten de as op grote schaal gebruikt om sterke stapstroomomstandigheden en betrouwbare polytypereplicatie te bieden.

Voordelen van 8° Wafels

Potentiële voordelen zijn onder meer:

• Hoge oppervlaktestapdichtheid
• Sterke step-flow groei
• Verminderd risico op ongewenste tweedimensionale kiemvorming
• Goede polytypereplicatie onder compatibele groeiomstandigheden
• Compatibiliteit met oudere epitaxiale processen ontwikkeld rond 8°-substraten
• Geschiktheid voor gespecialiseerd onderzoek of aangepaste apparaatstructuren

Beperkingen van 8°-wafels

Een grotere hoek buiten de as kan commerciële en verwerkingsnadelen met zich meebrengen:

• Groter verlies aan boulemateriaal tijdens schuin snijden
• Hogere substraatproductiekosten
• Meer veeleisende hoek- en richtingscontrole
• Verhoogde gevoeligheid voor stapbundeling
• Mogelijke verschillen in oppervlaktemorfologie
• Verminderde uitwisselbaarheid met moderne 4° epitaxiale recepten
• Lagere standaardbeschikbaarheid bij sommige leveranciers

De grotere snijhoek betekent dat er minder wafers kunnen worden verkregen uit een gegeven kristalbol. Dit nadeel wordt belangrijker naarmate de wafeldiameter toeneemt.

Onderzoek waarin off-axis benaderingen worden vergeleken, heeft 4°-substraten geïdentificeerd als een kostenbesparend alternatief voor 8°-substraten, terwijl de effectieve stapstroomgroei behouden blijft.

Typische toepassingen

Een SiC-wafel met een hoek van 8° buiten de as kan geschikt zijn voor:

• Bestaande epitaxiale reactoren kwamen in aanmerking voor 8°-materiaal
• Productie van oudere apparaten
• Gespecialiseerde dikke epitaxiale structuren
• Step-flow- en polytype-onderzoek
• Aangepaste 4H-SiC- of 6H-SiC-epitaxie
• Processen waarbij specifiek een hogere stapdichtheid vereist is

Een koper mag niet alleen van 8° naar 4° overstappen om de substraatkosten te verlagen zonder eerst het epitaxiale proces te kwalificeren.

Vergelijking van SiC-wafels van 0° versus 4° versus 8°

De tabel biedt algemene selectierichtlijnen. De werkelijke prestaties zijn afhankelijk van het polytype, de polariteit van het gezicht, de groeimethode, de wafelgrootte en het epitaxiale recept.

Hoe een verkeerde snijhoek de opbrengst van het apparaat beïnvloedt

1. Polytype-insluitsels

Ongewenste 3C-SiC-insluitsels kunnen elektrisch defecte gebieden creëren en het bruikbare matrijsoppervlak verkleinen.

Groei op de as is bijzonder gevoelig voor polytypekiemvorming, terwijl oppervlakken van 4 ° en 8 ° meer stappen bieden voor het handhaven van de 4H-stapelvolgorde.

2. Oppervlaktemorfologie

Een glad epitaxiaal oppervlak is essentieel voor fotolithografie, poortoxidevorming en uniformiteit van het apparaat.

Verkeerd op elkaar afgestemde snij- en groeiomstandigheden kunnen leiden tot:

• Stap trossen
• Driehoekige defecten
• Oppervlakteputten
• Heuvels
• Ruwe terrassen
• Lokale diktevariatie

3. Dislocaties van het basaalvlak

Dislocaties in het basaalvlak zijn belangrijk voor bipolaire SiC-apparaten omdat ze kunnen bijdragen aan de uitbreiding van stapelfouten en degradatie van de voorwaartse spanning.

Groei buiten de as kan BPD's van het substraat naar de epitaxiale laag repliceren. Moderne processen proberen BPD's om te zetten in minder schadelijke threading edge-dislocaties of om de verspreiding ervan te voorkomen.

4. Epitaxiale dopinguniformiteit

De stapdichtheid beïnvloedt hoe stikstof en andere doteerstoffen tijdens de groei worden opgenomen. Het veranderen van de hoek buiten de as kan daarom aanpassingen van de gasstroom, de temperatuur en de C/Si-verhouding vereisen om de beoogde doping te behouden.

5. Uniformiteit op wafelniveau

De werkelijke uithoek kan variëren van midden tot rand vanwege de kromming van het kristalvlak en de wafelgeometrie. Dit kan lokale veranderingen in de stapstructuur over de wafer veroorzaken.

Voor grotere wafels of veeleisende productie kunnen kopers het volgende aanvragen:

• Volledige wafer off-angle mapping
• Midden- en randmetingen
• Offcut-richting in kaart brengen
• Röntgenoriëntatierapporten
• Waferboog- en warpgegevens

6. Substraatkosten en matrijzeneconomie

Een grotere hoek buiten de as kan bepaalde epitaxiale omstandigheden verbeteren, maar het aantal substraten verminderen dat van een bol kan worden gesneden.

Het epitaxiale resultaat met het laagste defect leidt niet noodzakelijkerwijs tot de laagste totale apparaatkosten. Kopers moeten rekening houden met:

• Substraat prijs
• Epitaxiale opbrengst
• Bruikbare oppervlakte
• Apparaatopbrengst
• Betrouwbaarheid
• Kosten voor proceskwalificatie

Si-Face versus C-Face: nog een cruciale specificatie

De hoek buiten de as mag niet afzonderlijk van de waferpolariteit worden geëvalueerd.

Een SiC-wafel kan worden verwerkt op:

• Si-face: (0001)
• C-gezicht: (000-1)

De meeste commerciële epitaxie van 4H-SiC-vermogensapparaten maakt gebruik van het Si-vlak. C-face-materiaal kan worden gebruikt voor gespecialiseerde epitaxie, onderzoek, grafeenvorming of processen die verschillende oppervlaktechemie vereisen.

Si-face- en C-face-oppervlakken kunnen zich verschillend gedragen tijdens:

• Waterstof etsen
• Stap vorming
• Doteermiddelopname
• Oxidatie
• Polytype nucleatie
• Reconstructie van het oppervlak

Een offerteaanvraag moet daarom zowel de face- als de off-axis-specificatie vermelden.

Op toepassingen gebaseerde selectiegids

4H-SiC MOSFET of Schottky-diode

Aanbevolen startpunt:

• 4H-N geleidend SiC
• Si-gezicht
• 4° richting ⟨11-20⟩
• Epi-ready CMP-oppervlak

GaN-op-SiC RF-apparaat

Aanbevolen startpunt:

• Hoogzuiver semi-isolerend 4H-SiC
• Oriëntatie op de as of met weinig miscut
• Oriëntatie bevestigd door de GaN-epitaxieprovider
• Hoge weerstand en controle van oppervlaktedefecten

Bestaand 8° epitaxiaal proces

Aanbevolen startpunt:

• Houd de gekwalificeerde hoek en richting van 8° aan
• Vergelijk 4°-materiaal alleen via een gecontroleerde kwalificatiepartij
• Stem het epitaxiale recept opnieuw af vóór de productieconversie

On-Axis 4H-SiC-homoepitaxieonderzoek

Aanbevolen startpunt:

• Nominaal 0° Si-vlak of C-vlak
• Strakke controle over de oriëntatie van de volledige wafer
• Speciale oppervlaktevoorbereiding
• Geoptimaliseerde kiemvorming en opvoering van precursoren
• Gedetailleerde 3C-insluitingskaarten

Controlelijst voor offerteaanvragen buiten de as van SiC-wafers

Voorbeeldofferte voor een 4H-N Power-Device SiC-wafer

Sollicitatie:SiC MOSFET epitaxiale groei
Materiaal:4H-SiC
Geleidbaarheid:N-type
Diameter:150 mm
Oriëntatie:4° buiten de as richting ⟨11-20⟩
Hoektolerantie:±0,5°
Oppervlak:Si-face CMP, epi-klaar
Achterkant:C-face optisch polijstmiddel
Dikte:Volgens de vereisten voor de verwerking van apparaten
Weerstand:Gedefinieerd productiebereik
TTV:Door de koper gedefinieerd maximum
Boeg/Schering:Door de koper gedefinieerd maximum
Oppervlakteruwheid:Ra onder de afgesproken CMP-limiet
Gebreken:MPD-, BPD-, TSD- en randdefectlimieten vereist
Inspectie:Röntgenoriëntatie, oppervlaktescan en geometrierapport
Hoeveelheid:5 wafels voor kwalificatie, gevolgd door productieorder

Veelgestelde vragen

Is 4° altijd de beste hoek buiten de as voor 4H-SiC?

Nee. Een hoek buiten de as van 4° wordt veel gebruikt voor epitaxie van geleidende 4H-SiC-vermogensapparaten, maar semi-isolerende RF-substraten, oudere processen en gespecialiseerd onderzoek kunnen een hoek van 0°, 8° of een andere hoek vereisen.

Kan een 0° SiC-wafel worden gebruikt voor epitaxie?

Ja, maar homo-epitaxie op de as vereist over het algemeen een specifiek groeiproces om polytype-nucleatie, 3C-SiC-insluitsels en oppervlaktemorfologie te controleren.

Waarom is de industrie voor veel energietoepassingen van 8° naar 4° gegaan?

Een 4°-afsnijding biedt voldoende stapdichtheid voor stabiele epitaxie, terwijl het gebruik van de boule wordt verbeterd en de materiaalkosten worden verlaagd in vergelijking met een grotere 8°-afsnijding.

Is de richting buiten de as net zo belangrijk als de hoek?

Ja. Twee wafers met dezelfde hoek van 4° maar verschillende afsnijrichtingen kunnen verschillende stapstructuren en epitaxiaal gedrag vertonen. Geef altijd zowel de hoek als de richting op.

Welke hoek wordt normaal gesproken gebruikt voor semi-isolerend SiC?

Semi-isolerend 4H-SiC wordt vaak on-axis geleverd voor RF- en GaN-op-SiC-toepassingen. Er kunnen echter 4°- en 8°-opties beschikbaar zijn voor aangepaste epitaxiale processen.

Kan een 4°-wafel een 8°-wafel rechtstreeks vervangen?

Niet zonder kwalificatie. Het epitaxiale recept kan veranderingen in temperatuur, groeisnelheid, druk, vooretsen en precursorverhoudingen vereisen.

Conclusie

De hoek buiten de as van de SiC-wafel is een functionele epitaxiale parameter in plaats van een eenvoudige maattolerantie.

Een 0°-wafer biedt een hoog materiaalgebruik en kan geschikt zijn voor semi-isolerende RF-substraten of gespecialiseerde homo-epitaxie, maar vereist een zorgvuldige controle van polytype-nucleatie.

Een 4° off-axis wafer biedt een sterke balans tussen stapstroomstabiliteit, kosten en productiecompatibiliteit, waardoor het een gebruikelijke keuze is voor geleidende 4H-SiC-voedingsapparaten.

Een 8° off-axis wafer biedt een hoge stapdichtheid en blijft waardevol voor gekwalificeerde oudere processen en gespecialiseerde epitaxiale groei, hoewel dit de materiaalkosten en de gevoeligheid voor stapbundeling kan verhogen.

Voordat kopers een offerte aanvragen, moeten ze het volgende bevestigen:

• Apparaattoepassing
• Polytype en geleidbaarheid
• Si-gezicht of C-gezicht
• Hoek en richting buiten de as
• Hoektolerantie
• Oppervlakteafwerking
• Geometrie en defectlimieten
• Epitaxiale procescompatibiliteit

De beste SiC-wafel is niet degene met de grootste of kleinste snijhoek. Het is de wafer waarvan de specificaties voor oriëntatie, oppervlak en defect overeenkomen met het beoogde epitaxiale proces.

TAGS:SiC-wafel hoek buiten de as, SiC-wafel van 4 graden, SiC-substraat van 8 graden, SiC-wafel op de as, Miscut SiC-wafel, 4H-SiC-epitaxie, SiC-substraatoriëntatie, SiC-wafelleverancier