van siliciumcarbide (SiC)zijn uitgegroeid tot een van de belangrijkste halfgeleidersubstraten voor de volgende generatie krachtelektronica, elektrische voertuigen, hernieuwbare energiesystemen en hoogfrequente communicatieapparaten.In vergelijking met traditionele silicium (Si) wafers, SiC biedt superieure elektrische, thermische en mechanische eigenschappen, waaronder een brede bandgap, hoge breukspanning, hoge thermische geleidbaarheid en uitstekende chemische stabiliteit.

Deze eigenschappen die SiC tot een ideaal halfgeleidermateriaal maken, zorgen echter ook voor aanzienlijke uitdagingen bij de fabricage van wafers.het maken van processen zoals slijpen, polijst en oppervlaktevoorbereiding veel moeilijker in vergelijking met de conventionele siliciumwaferverwerking.

Het bereiken van een hoogwaardige SiC-wafer vereist een nauwkeurige controle van materiaalverwijdering, oppervlakkrapheid, kristalbeschadiging, defecten en besmetting.Deze factoren hebben een directe invloed op de prestaties en betrouwbaarheid van SiC-apparaten.

Dit artikel geeft een technisch overzicht van de uitdagingen van de verwerking van SiC-wafers, met de nadruk op slijp-, polijsttechnologieën en veel voorkomende oppervlaktefouten.

1. Waarom SiC-waferverwerking een uitdaging is

Siliciumcarbide is een samengestelde halfgeleider die bestaat uit silicium- en koolstofatomen die in een sterke covalente kristallenstructuur zijn geplaatst.

Verschillende fysische eigenschappen maken SiC moeilijk te verwerken:

1.1 Extrem hoge hardheid

SiC heeft een Mohs-hardheid van ongeveer 9,0 ̊9.5Bijna diamanten.

Dit resulteert in:

• Hoge slijtage van het gereedschap tijdens het slijpen
• Lage materiaalverwijderingsefficiëntie
• Verhoging van de verwerkingskosten
• Moeilijkheden bij het bereiken van ultra-gletste oppervlakken

Vergeleken met silicium vereist SiC aanzienlijk agressievere mechanische verwerkingstechnieken.

1.2 Hoge breekbaarheid

Hoewel SiC mechanisch sterk is, is het ook broos.

Tijdens bewerkingsprocessen kan overmatige mechanische spanning leiden tot:

• Oppervlakte scheuren
• Ondergrondse schade
• Eindsplintering
• Breuk van de wafer

Daarom is het beheersen van mechanische spanningen een van de belangrijkste uitdagingen bij de fabricage van SiC-wafers.

1.3 Sterke chemische stabiliteit

SiC heeft een uitstekende chemische weerstand, wat gunstig is voor toepassing bij hoge temperaturen.

Het betekent echter ook:

• Conventioneel chemisch polijsten is minder effectief
• Meer geavanceerde polijsttechnieken zijn vereist
• Verlenging van de verwerkingstijd

2Overzicht van het productieproces van SiC-wafers

Een typisch productieproces voor SiC-wafers omvat verschillende belangrijke stappen:

1. SiC kristalgroei

Met behulp van methoden zoals:

• Fysiek stoomtransport (PVT)
• Hoogtemperatuur chemische dampafzetting (HTCVD)

Het resulterende kristal wordt een SiC-bol genoemd.

2Wafers snijden

De SiC-bol wordt in dunne wafers gesneden met behulp van:

• Zagen met diamantdraad
• Lasersnijden
• Geavanceerde snijtechnologieën

De uitdagingen zijn onder meer:

• Verlies van materieel
• Snijden van schade
• Onregelmatigheid van het oppervlak

3. slijpen

Het slijpen verwijdert zaagschade en past de waferdikte aan.

4. Lapping en polijsten

Deze processen verbeteren:

• Vlakheid
• Ruwheid van het oppervlak
• Kristallenkwaliteit

5Inspectie en schoonmaak

Bij de eindinspectie wordt geëvalueerd:

• Defectdichtheid
• Ruwheid van het oppervlak
• Eenvormigheid van de dikte
• Kristaldefecten

3. SiC-wafers slijpen

3.1 Doel van het slijpen

Na het snijden hebben SiC-wafers meestal:

• Grote oppervlakkrapte
• Zaagmerken
• Ondergrondse scheuren
• Variatie van de dikte

Door te slijpen worden beschadigde lagen verwijderd en wordt de wafer voor het polijsten voorbereid.

3.2 slijpmethoden

Mechanisch slijpen

Bij mechanisch slijpen worden diamantenwielen gebruikt om SiC-materiaal te verwijderen.

Typische parameters zijn:

• Maaidruk
• Wielversnelling
• Voerpercentage
• Diamantdeeltjesgrootte

Voordelen:

• Hoog materiaalverwijderingspercentage
• met een gewicht van niet meer dan 10 kg
• Volwassen industrieel proces

Uitdagingen:

• Geproduceerd door mechanische spanning
• Het veroorzaakt ondergrondse schade.
• Vereist extra poetsstappen

3.3 Selectie van diamanten slijpmiddel

Omdat SiC extreem hard is, worden diamanten abrasives vaak gebruikt.

Afmetingen van het slijpmiddel beïnvloeden:

Grove diamantdeeltjes

Voordelen:

• Hoger verwijderingspercentage

Nadelen:

• Meer oppervlakteschade

Fijne diamantdeeltjes

Voordelen:

• Betere oppervlaktekwaliteit

Nadelen:

• Lagere efficiëntie

Fabrikanten moeten de productiviteit en de integriteit van het oppervlak in evenwicht brengen.

4. SiC-waferpoetstechnologie

Na het slijpen moeten SiC-wafers gepolijst worden om oppervlakken van halfgeleiderkwaliteit te bereiken.

De streefvereisten omvatten vaak:

• Ruwheid van het oppervlak op nanometerniveau
• Lage defectdichtheid
• Uitstekende vlakheid
• Minimale ondergrondse schade

4.1 Mechanisch polijsten

Bij mechanisch polijsten worden slijpstoffen gebruikt om oppervlaktemateriaal geleidelijk te verwijderen.

Tot de gebruikelijke schuurmiddelen behoren:

• Diamantenschroef
• Colloïdale silica
• Aluminiumdeeltjes

Voordelen:

• Eenvoudig proces
• Goed oppervlakteafwerkingsvermogen

Beperkingen:

• Kan schrammen veroorzaken
• Langzaam materiaal verwijderen

4.2 Chemisch mechanisch polijsten (CMP)

CMP combineert mechanische slijtage en chemische reacties.

Het proces gebruikt:

• chemische spuit
• polsblokjes
• Gecontroleerde druk

Chemische reacties verzachten het SiC-oppervlak, waardoor mechanische verwijdering mogelijk is.

Voordelen:

• Uitstekende oppervlaktekwaliteit
• Slechte ruwheid
• met een breedte van niet meer dan 50 mm

Uitdagingen:

• Langzaam verwijderingspercentage
• Moeilijke chemische optimalisatie
• Hoge proceskosten

4.3 Plasma en geavanceerde polijtechnologieën

Er worden nieuwe benaderingen ontwikkeld om de beperkingen van de SiC-verwerking te overwinnen.

Voorbeelden hiervan zijn:

Plasma-geassisteerd polijsten

Gebruikt plasmaktivering om het SiC-oppervlak te veranderen voor verwijdering.

Voordelen:

• Verminderde mechanische schade
• Verbetering van de oppervlaktekwaliteit

Magnetorheologische afwerking

Gebruikt magnetisch veld gecontroleerde polijstvloeistoffen.

Voordelen:

• Ultra-precieze afwerking
• Geschikt voor geavanceerde toepassingen

5. Veel voorkomende oppervlaktefouten in SiC-wafers

De oppervlaktekwaliteit beïnvloedt rechtstreeks de prestaties van halfgeleiderapparaten.

Tijdens de verwerking van SiC-wafers komen vaak verschillende gebreken voor.

5.1 Schrammen

Schrammen zijn veel voorkomende afwijkingen veroorzaakt door:

• Abrasieve deeltjes
• Onjuiste polijstomstandigheden
• Verontreiniging

Gevolgen:

• Verhoogde lekstroom
• Verminderde betrouwbaarheid van het apparaat

5.2 Micropipes

Micropipes zijn holle kerndefecten die zich uitstrekken door SiC-kristallen.

Ze ontstaan tijdens de groei van de kristallen.

Gevolgen:

• Elektrische storing
• Storing van het apparaat

De moderne SiC-productie heeft de micropipedichtheid aanzienlijk verminderd, maar het is nog steeds belangrijk om ze te beheersen.

5.3 Verplaatsingen van het basaal vlak (BPD's)

BPD's zijn kristalfouten op de basale vlakken.

Ze kunnen:

• Bipolaire afbraak
• Verkorte levensduur van het apparaat

BPD-beheersing is van cruciaal belang voor hoogwaardige SiC-kragtoestellen.

5.4 Verplaatsingen van de draad

Deze afwijkingen strekken zich verticaal door het kristal.

Tot de soorten behoren:

• Schroefverwijzingen (TSD)
• Verplaatsingen van de draadrand (TED)

Ze kunnen van invloed zijn op:

• Mobiliteit van vervoerders
• Betrouwbaarheid van het apparaat

5.5 Eindsplintering

Het scheuren van de rand vindt voornamelijk plaats tijdens:

• Snijden
• Vervaardiging
• Handhaving

Problemen veroorzaakt door:

• Verminderde wafersterkte
• Verhoogd risico op breuk
• Verpakkingsproblemen

6Belangrijkste kwaliteitsparameters van SiC-wafers

Ruwheid van het oppervlak (Ra)

De oppervlakte ruwheid geeft een microscopische oppervlakte variatie.

Laagere Ra-waarden zijn vereist voor:

• Epitaxiale groei
• Hoogwaardige apparaten

Totale dikte variatie (TTV)

TTV vertegenwoordigt dikteverschillen over de wafer.

Een lage TTV verbetert:

• Eenvormigheid van het proces
• Vermogen van het apparaat

Boog en warp

Boog en warp beschrijven de kromming van de wafer.

Hoge waarden kunnen:

• Lithografie-uitlijningsproblemen
• Afhandeling van kwesties

Defectdichtheid

Belangrijke gebreken zijn:

• met een gewicht van niet meer dan 50 kg
• Verplaatsingen
• Deeltjes
• Oppervlaktefouten

Een lagere defectdichtheid leidt tot een hogere betrouwbaarheid van het apparaat.

7Toekomstige ontwikkelingstrends in de verwerking van SiC-wafers

7.1 SiC-wafers met een grotere diameter

De industrie gaat van:

• 100 mm SiC-wafers
• 150 mm SiC-wafers

naar:

• 200 mm SiC-wafers

Grotere wafers kunnen de productiekosten verlagen, maar zorgen voor extra verwerkingsproblemen.

7.2 Op AI gebaseerde procesoptimalisatie

Kunstmatige intelligentie wordt steeds vaker gebruikt voor:

• Defectdetectie
• Procesbewaking
• Voorspelling van de opbrengst

7.3 Verbeterde oppervlaktetechniek

Toekomstige technologieën zullen zich richten op:

• Sneller polijsten
• Lagere schadeverwerking
• Betere controle op gebreken

Conclusies

SiC-wafers bieden aanzienlijke voordelen voor de volgende generatie halfgeleiderapparaten, vooral in toepassingen met een hoog vermogen en hoge temperatuur.De chemische stabiliteit van SiC maakt de verwerking van wafers aanzienlijk uitdagender dan de conventionele siliciumproductie..

De technologieën voor slijpen en polijsten spelen een cruciale rol bij het bereiken van SiC-wafers van halfgeleiderkwaliteit.en oppervlakte ruwheid is essentieel voor het verbeteren van de prestaties van het apparaat en de productieopbrengst.

Naarmate de vraag naar elektrische voertuigen, hernieuwbare energiesystemen en geavanceerde krachtelektronica toeneemt,innovatie in de verwerking van SiC-wafers zal een belangrijke factor blijven in de ontwikkeling van toekomstige halfgeleidertechnologieën.