De huidige status en trends van SiC-wafelverwerkingstechnologie

Als substraatmateriaal voor halfgeleiders van de derde generatie,siliciumcarbide (SiC)Eenkristallijn silicium (SiC) heeft brede toepassingsmogelijkheden in de productie van hoogfrequente en krachtige elektronische apparaten. De verwerkingstechnologie van SiC speelt een cruciale rol in de productie van hoogwaardige substraatmaterialen. Dit artikel introduceert de huidige stand van onderzoek naar SiC-verwerkingstechnologieën in China en daarbuiten, analyseert en vergelijkt de mechanismen van snij-, slijp- en polijstprocessen, evenals de trends in wafervlakheid en oppervlakteruwheid. Het wijst ook op de bestaande uitdagingen in de SiC-waferverwerking en bespreekt toekomstige ontwikkelingsrichtingen.

Siliciumcarbide (SiC)Wafers zijn essentiële basismaterialen voor halfgeleiderapparaten van de derde generatie en hebben een aanzienlijk belang en marktpotentieel in gebieden zoals micro-elektronica, vermogenselektronica en halfgeleiderverlichting. Vanwege de extreem hoge hardheid en chemische stabiliteit vanSiC-eenkristallenTraditionele halfgeleiderverwerkingsmethoden zijn niet geheel geschikt voor de bewerking ervan. Hoewel veel internationale bedrijven uitgebreid onderzoek hebben gedaan naar de technisch veeleisende verwerking van SiC-eenkristallen, worden de relevante technologieën strikt geheim gehouden.

De afgelopen jaren heeft China de inspanningen voor de ontwikkeling van SiC-eenkristalmaterialen en -apparaten opgevoerd. De vooruitgang in de SiC-apparaattechnologie in het land wordt echter momenteel belemmerd door beperkingen in de verwerkingstechnologie en de kwaliteit van de wafers. Daarom is het essentieel voor China om de SiC-verwerkingsmogelijkheden te verbeteren om de kwaliteit van SiC-eenkristalsubstraten te verhogen en hun praktische toepassing en massaproductie mogelijk te maken.

De belangrijkste bewerkingsstappen zijn: snijden → grof slijpen → fijn slijpen → grof polijsten (mechanisch polijsten) → fijn polijsten (chemisch-mechanisch polijsten, CMP) → inspectie.

Het snijden van SiC-eenkristallen

Bij de verwerking vanSiC-eenkristallenHet snijden is de eerste en een zeer kritische stap. De kromming, vervorming en totale diktevariatie (TTV) van de wafer die het gevolg zijn van het snijproces, bepalen de kwaliteit en effectiviteit van de daaropvolgende slijp- en polijstbewerkingen.

Snijgereedschap kan op basis van vorm worden onderverdeeld in diamantzagen met een binnendiameter (ID), diamantzagen met een buitendiameter (OD), lintzagen en draadzagen. Draadzagen kunnen op hun beurt weer worden ingedeeld op basis van hun bewegingstype in heen-en-weergaande en lusvormige (eindeloze) draadsystemen. Op basis van het snijmechanisme van het schuurmiddel kunnen draadzaagtechnieken worden onderverdeeld in twee typen: vrij schurend draadzagen en vast schurend diamantdraadzagen.

1.1 Traditionele snijmethoden

De zaagdiepte van zagen met een buitendiameter (OD) wordt beperkt door de diameter van het zaagblad. Tijdens het zagen is het zaagblad gevoelig voor trillingen en afwijkingen, wat resulteert in een hoog geluidsniveau en een lage stijfheid. Zagen met een binnendiameter (ID) gebruiken diamantabrasieven aan de binnenomtrek van het zaagblad als snijkant. Deze zaagbladen kunnen zo dun zijn als 0,2 mm. Tijdens het zagen roteert het ID-zaagblad met hoge snelheid, terwijl het te zagen materiaal radiaal beweegt ten opzichte van het midden van het zaagblad. Door deze relatieve beweging wordt het materiaal doorgesneden.

Diamantbandzagen vereisen frequent stoppen en omkeren, en de zaagsnelheid is erg laag – doorgaans niet meer dan 2 m/s. Ze zijn bovendien gevoelig voor aanzienlijke mechanische slijtage en hoge onderhoudskosten. Door de breedte van het zaagblad kan de zaagradius niet te klein zijn en is het zagen van meerdere stukken niet mogelijk. Deze traditionele zaagmachines worden beperkt door de stijfheid van de basis en kunnen geen gebogen sneden maken of hebben een beperkte draairadius. Ze zijn alleen geschikt voor rechte sneden, produceren brede zaagsneden, hebben een lage opbrengst en zijn daardoor ongeschikt voor het zagen van materialen.SiC-kristallen.

1.2 Vrij schurende draadzaag voor het zagen van meerdere draden

De vrije abrasieve draadzaagtechniek maakt gebruik van de snelle beweging van de draad om slijpmiddel in de zaagsnede te brengen, waardoor materiaal kan worden verwijderd. Deze techniek maakt voornamelijk gebruik van een heen-en-weergaande structuur en is momenteel een volwaardige en veelgebruikte methode voor het efficiënt snijden van meerdere wafers van enkelkristallijn silicium. De toepassing ervan bij het snijden van SiC is echter minder uitgebreid onderzocht.

Draadzagen met vrije abrasie kunnen wafers met een dikte van minder dan 300 μm verwerken. Ze bieden een laag snijverlies, veroorzaken zelden afsplintering en resulteren in een relatief goede oppervlaktekwaliteit. Door het materiaalverwijderingsmechanisme – gebaseerd op het rollen en indringen van abrasie – ontwikkelt het waferoppervlak echter vaak aanzienlijke restspanningen, microscheurtjes en diepere beschadigingslagen. Dit leidt tot kromtrekking van de wafer, maakt het moeilijk om de nauwkeurigheid van het oppervlakteprofiel te controleren en verhoogt de belasting van de daaropvolgende verwerkingsstappen.

De snijprestaties worden sterk beïnvloed door de slijpvloeistof; het is noodzakelijk om de scherpte van de slijpmiddelen en de concentratie van de slijpvloeistof te handhaven. De behandeling en recycling van de slijpvloeistof zijn kostbaar. Bij het zagen van grote blokken materiaal hebben de slijpmiddelen moeite om diepe en lange zaagsneden te maken. Bij dezelfde korrelgrootte van de slijpmiddelen is het zaagsnedeverlies groter dan bij draadzagen met vaste slijpmiddelen.

1.3 Vaste slijpdiamantdraadzaag voor het zagen van meerdere draden

Diamantdraadzagen met vaste abrasieve eigenschappen worden doorgaans vervaardigd door diamantdeeltjes in een stalen draadsubstraat in te bedden via galvaniseren, sinteren of harsbinding. Galvanisch gecoate diamantdraadzagen bieden voordelen zoals smallere zaagsneden, een betere snijkwaliteit, een hogere efficiëntie, minder vervuiling en de mogelijkheid om zeer harde materialen te zagen.

De heen-en-weer bewegende, gegalvaniseerde diamantdraadzaag is momenteel de meest gebruikte methode voor het snijden van SiC. Figuur 1 (hier niet weergegeven) illustreert de vlakheid van het oppervlak van SiC-wafers die met deze techniek zijn gesneden. Naarmate het snijden vordert, neemt de kromming van de wafer toe. Dit komt doordat het contactoppervlak tussen de draad en het materiaal groter wordt naarmate de draad naar beneden beweegt, waardoor de weerstand en de trillingen van de draad toenemen. Wanneer de draad de maximale diameter van de wafer bereikt, is de trilling op zijn hoogtepunt, wat resulteert in maximale kromming.

In de latere fasen van het snijproces verslechtert de oppervlaktekwaliteit van de wafer doordat de draad accelereert, met een constante snelheid beweegt, afremt, stopt en van richting verandert. Daarnaast is het lastig om het snijafval met de koelvloeistof te verwijderen. Het omkeren van de draad, snelheidsfluctuaties en grote diamantdeeltjes op de draad zijn de belangrijkste oorzaken van krassen op het oppervlak.

1.4 Koude scheidingstechnologie

Koud scheiden van SiC-eenkristallen is een innovatief proces op het gebied van de verwerking van halfgeleidermaterialen van de derde generatie. De afgelopen jaren heeft het veel aandacht gekregen vanwege de opmerkelijke voordelen, zoals een hogere opbrengst en minder materiaalverlies. De technologie kan vanuit drie aspecten worden geanalyseerd: werkingsprincipe, procesverloop en kernvoordelen.

Kristaloriëntatiebepaling en buitendiameterslijpen: Voordat de verwerking begint, moet de kristaloriëntatie van de SiC-staaf worden bepaald. De staaf wordt vervolgens door middel van buitendiameterslijpen in een cilindrische structuur (ook wel een SiC-schijf genoemd) gevormd. Deze stap vormt de basis voor het daaropvolgende directionele snijden en zagen.

Multidraadsnijden: Bij deze methode worden schurende deeltjes in combinatie met snijdraden gebruikt om de cilindrische staaf te snijden. Deze methode heeft echter als nadeel dat er aanzienlijk snijverlies optreedt en dat het oppervlak oneffenheden vertoont.

Lasersnijtechnologie: Met behulp van een laser wordt een gemodificeerde laag in het kristal gevormd, waaruit dunne plakjes kunnen worden losgemaakt. Deze aanpak vermindert materiaalverlies en verhoogt de verwerkingsefficiëntie, waardoor het een veelbelovende nieuwe richting is voor het snijden van SiC-wafers.

Optimalisatie van het snijproces

Vast schuurmiddel-multidraadsnijden: Dit is momenteel de meest gebruikte technologie en zeer geschikt voor de hoge hardheidseigenschappen van SiC.

Elektro-erosie (EDM) en koudscheidingstechnologie: deze methoden bieden uiteenlopende oplossingen die zijn afgestemd op specifieke eisen.

Polijstproces: Het is essentieel om een ​​balans te vinden tussen de hoeveelheid verwijderd materiaal en de oppervlakteschade. Chemisch-mechanisch polijsten (CMP) wordt gebruikt om de oppervlakteuniformiteit te verbeteren.

Realtime monitoring: Online inspectietechnologieën worden ingezet om de oppervlakteruwheid in realtime te monitoren.

Lasersnijden: Deze techniek vermindert snijverlies en verkort de verwerkingscycli, hoewel de thermisch beïnvloede zone een uitdaging blijft.

Hybride verwerkingstechnologieën: De combinatie van mechanische en chemische methoden verhoogt de verwerkingsefficiëntie.

Deze technologie wordt al industrieel toegepast. Infineon heeft bijvoorbeeld SILTECTRA overgenomen en bezit nu belangrijke patenten die de massaproductie van 8-inch wafers ondersteunen. In China hebben bedrijven zoals Delong Laser een productie-efficiëntie van 30 wafers per ingot bereikt voor de verwerking van 6-inch wafers, wat een verbetering van 40% betekent ten opzichte van traditionele methoden.

Naarmate de binnenlandse productie van apparatuur versnelt, zal deze technologie naar verwachting de standaardoplossing worden voor de verwerking van SiC-substraten. Door de toenemende diameter van halfgeleidermaterialen zijn traditionele snijmethoden achterhaald. Van de huidige opties biedt de reciprocerende diamantdraadzaagtechnologie de meest veelbelovende toepassingsmogelijkheden. Lasersnijden, als opkomende techniek, biedt aanzienlijke voordelen en zal naar verwachting in de toekomst de belangrijkste snijmethode worden.

2.Slijpen van SiC-eenkristallen

Als vertegenwoordiger van de derde generatie halfgeleiders biedt siliciumcarbide (SiC) aanzienlijke voordelen dankzij de brede bandgap, het hoge doorslagveld, de hoge verzadigingssnelheid van elektronendrift en de uitstekende thermische geleidbaarheid. Deze eigenschappen maken SiC bijzonder geschikt voor toepassingen met hoge spanningen (bijvoorbeeld 1200V-omgevingen). De verwerkingstechnologie voor SiC-substraten is een fundamenteel onderdeel van de fabricage van apparaten. De oppervlaktekwaliteit en precisie van het substraat hebben een directe invloed op de kwaliteit van de epitaxiale laag en de prestaties van het uiteindelijke apparaat.

Het primaire doel van het slijpproces is het verwijderen van zaagsporen en beschadigingslagen die tijdens het snijden zijn ontstaan, en het corrigeren van vervormingen die door het snijproces zijn veroorzaakt. Gezien de extreem hoge hardheid van SiC vereist slijpen het gebruik van harde schuurmiddelen zoals boorcarbide of diamant. Conventioneel slijpen wordt doorgaans onderverdeeld in grof slijpen en fijn slijpen.

2.1 Grof en fijn malen

Slijpprocessen kunnen worden ingedeeld op basis van de grootte van de schurende deeltjes:

Grof slijpen: Hierbij worden voornamelijk grotere schuurmiddelen gebruikt om zaagsporen en beschadigde lagen die tijdens het snijden zijn ontstaan ​​te verwijderen, waardoor de verwerkingsefficiëntie wordt verbeterd.

Fijn slijpen: Hierbij worden fijnere schuurmiddelen gebruikt om de beschadigingslaag die door grof slijpen is ontstaan ​​te verwijderen, de oppervlakteruwheid te verminderen en de oppervlaktekwaliteit te verbeteren.

Veel binnenlandse fabrikanten van SiC-substraten gebruiken grootschalige productieprocessen. Een veelgebruikte methode is dubbelzijdig slijpen met een gietijzeren plaat en een suspensie van monokristallijn diamant. Dit proces verwijdert effectief de beschadigingslaag die door draadzagen is ontstaan, corrigeert de vorm van de wafer en vermindert TTV (Total Thickness Variation), kromming en vervorming. De materiaalafvoersnelheid is stabiel en bedraagt ​​doorgaans 0,8–1,2 μm/min. Het resulterende waferoppervlak is echter mat met een relatief hoge ruwheid – doorgaans rond de 50 nm – wat hogere eisen stelt aan de daaropvolgende polijststappen.

2.2 Enkelzijdig slijpen

Bij enkelzijdig slijpen wordt slechts één zijde van de wafer tegelijk bewerkt. Tijdens dit proces wordt de wafer met was op een stalen plaat gemonteerd. Onder druk ondergaat het substraat een lichte vervorming en wordt het bovenoppervlak vlak gemaakt. Na het slijpen wordt het onderoppervlak geëgaliseerd. Wanneer de druk wordt verwijderd, heeft het bovenoppervlak de neiging om terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm, wat ook het reeds geslepen onderoppervlak beïnvloedt. Hierdoor kromtrekken beide zijden en neemt de vlakheid af.

Bovendien kan de slijpplaat in korte tijd hol worden, waardoor de wafer bol wordt. Om de vlakheid van de plaat te behouden, is frequent bijslijpen noodzakelijk. Vanwege de lage efficiëntie en de slechte vlakheid van de wafer is enkelzijdig slijpen niet geschikt voor massaproductie.

Doorgaans worden slijpschijven met korrelgrootte #8000 gebruikt voor fijn slijpen. In Japan is dit proces relatief geavanceerd en worden zelfs polijstschijven met korrelgrootte #30000 gebruikt. Hierdoor kan de oppervlakteruwheid van de bewerkte wafers onder de 2 nm komen, waardoor de wafers zonder verdere bewerking klaar zijn voor de uiteindelijke CMP (Chemical Mechanical Polishing).

2.3 Technologie voor enkelzijdige verdunning

De Diamond Single-Sided Thinning Technology is een nieuwe methode voor het slijpen van slechts één zijde van de wafer. Zoals weergegeven in Figuur 5 (niet hier getoond), maakt het proces gebruik van een diamantgecoate slijpplaat. De wafer wordt vastgezet door middel van vacuümadsorptie, terwijl zowel de wafer als de diamantslijpschijf gelijktijdig roteren. De slijpschijf beweegt geleidelijk naar beneden om de wafer tot de gewenste dikte te slijpen. Nadat één zijde is voltooid, wordt de wafer omgedraaid om de andere zijde te bewerken.

Na het dunner maken kan een wafer van 100 mm het volgende bereiken:

Boog < 5 μm

TTV < 2 μm

Oppervlakteruwheid < 1 nm

Deze verwerkingsmethode voor afzonderlijke wafers biedt een hoge stabiliteit, uitstekende consistentie en een hoge materiaalafvoersnelheid. In vergelijking met conventioneel dubbelzijdig slijpen verbetert deze techniek de slijpefficiëntie met meer dan 50%.

2.4 Dubbelzijdig slijpen

Bij dubbelzijdig slijpen worden zowel een bovenste als een onderste slijpplaat gebruikt om beide zijden van het werkstuk gelijktijdig te slijpen, waardoor een uitstekende oppervlaktekwaliteit aan beide zijden wordt gegarandeerd.

Tijdens het proces oefenen de slijpplaten eerst druk uit op de hoogste punten van het werkstuk, waardoor daar vervorming optreedt en materiaal geleidelijk wordt verwijderd. Naarmate de hoogste punten worden afgevlakt, wordt de druk op het substraat geleidelijk gelijkmatiger, wat resulteert in een consistente vervorming over het gehele oppervlak. Hierdoor kunnen zowel de boven- als de onderkant gelijkmatig worden geslepen. Zodra het slijpen is voltooid en de druk wordt opgeheven, herstelt elk deel van het substraat zich gelijkmatig dankzij de gelijkmatige druk die het heeft ondervonden. Dit leidt tot minimale kromtrekking en een goede vlakheid.

De oppervlakteruwheid van de wafer na het slijpen hangt af van de grootte van de schuurdeeltjes; kleinere deeltjes zorgen voor gladdere oppervlakken. Bij gebruik van schuurmiddelen met een korrelgrootte van 5 μm voor dubbelzijdig slijpen kunnen de vlakheid en diktevariatie van de wafer binnen 5 μm worden gecontroleerd. Metingen met atoomkrachtmicroscopie (AFM) tonen een oppervlakteruwheid (Rq) van ongeveer 100 nm, met slijpputjes tot 380 nm diep en zichtbare lineaire markeringen veroorzaakt door de schurende werking.

Een meer geavanceerde methode omvat dubbelzijdig slijpen met behulp van polyurethaanschuimpads in combinatie met een suspensie van polykristallijn diamant. Dit proces produceert wafers met een zeer lage oppervlakteruwheid, waarbij Ra < 3 nm wordt bereikt, wat zeer gunstig is voor het daaropvolgende polijsten van SiC-substraten.

Het ontstaan ​​van krassen op het oppervlak blijft echter een onopgelost probleem. Bovendien wordt de polykristallijne diamant die in dit proces wordt gebruikt, geproduceerd via explosieve synthese, wat technisch complex is, lage opbrengsten oplevert en extreem duur is.

Polijsten van SiC-eenkristallen

Om een ​​hoogwaardig gepolijst oppervlak te verkrijgen op siliciumcarbide (SiC) wafers, moeten slijpputjes en nanometergrote oppervlaktegolvingen volledig worden verwijderd. Het doel is een glad, defectvrij oppervlak te produceren zonder verontreiniging of degradatie, zonder schade onder het oppervlak en zonder resterende oppervlaktespanning.

3.1 Mechanisch polijsten en CMP van SiC-wafers

Na de groei van een SiC-eenkristalstaaf kunnen oppervlaktedefecten voorkomen dat deze direct gebruikt kan worden voor epitaxiale groei. Daarom is verdere verwerking noodzakelijk. De staaf wordt eerst afgerond tot een standaard cilindrische vorm, vervolgens met draadsnijden in wafers gesneden, waarna de kristallografische oriëntatie wordt gecontroleerd. Polijsten is een cruciale stap om de waferkwaliteit te verbeteren en mogelijke oppervlakteschade, veroorzaakt door kristalgroeidefecten en eerdere verwerkingsstappen, te herstellen.

Er zijn vier belangrijke methoden om oppervlakteschade aan SiC te verwijderen:

Mechanisch polijsten: eenvoudig, maar laat krassen achter; geschikt voor de eerste polijstbeurt.

Chemisch-mechanisch polijsten (CMP): Verwijdert krassen door middel van chemisch etsen; geschikt voor precisiepolijsten.

Waterstofetsen: vereist complexe apparatuur, die veelvuldig wordt gebruikt bij HTCVD-processen.

Plasma-ondersteund polijsten: complex en wordt zelden gebruikt.

Mechanisch polijsten veroorzaakt vaak krassen, terwijl chemisch polijsten kan leiden tot ongelijkmatige etsing. CMP combineert beide voordelen en biedt een efficiënte en kosteneffectieve oplossing.

CMP-werkingsprincipe

CMP werkt door de wafer onder een ingestelde druk te laten roteren tegen een roterende polijstschijf. Deze relatieve beweging, gecombineerd met mechanische slijtage door nanodeeltjes in de slurry en de chemische werking van reactieve stoffen, zorgt voor een vlak oppervlak.

Belangrijkste gebruikte materialen:

Polijstpasta: Bevat schuurmiddelen en chemische reagentia.

Polijstpad: Slijt tijdens gebruik, waardoor de poriën kleiner worden en de slurry minder efficiënt wordt aangebracht. Regelmatig afslijpen, meestal met een diamantslijper, is nodig om de ruwheid te herstellen.

Typisch CMP-proces

Schuurmiddel: diamantsuspensie van 0,5 μm

Doeloppervlakteruwheid: ~0,7 nm

Chemisch-mechanisch polijsten:

Polijstapparatuur: AP-810 enkelzijdige polijstmachine

Druk: 200 g/cm²

Plaatsnelheid: 50 tpm

Snelheid keramische houder: 38 tpm

Samenstelling van de slurry:

SiO₂ (30 gew.%, pH = 10,15)

0–70 gew.% H₂O₂ (30 gew.%, reagentkwaliteit)

Stel de pH in op 8,5 met behulp van 5 gewichtsprocent KOH en 1 gewichtsprocent HNO₃.

Slurrystroomsnelheid: 3 l/min, gerecirculeerd

Dit proces verbetert de kwaliteit van SiC-wafers aanzienlijk en voldoet aan de eisen voor vervolgprocessen.

Technische uitdagingen bij mechanisch polijsten

Siliciumcarbide (SiC) speelt als halfgeleider met een brede bandgap een cruciale rol in de elektronica-industrie. Dankzij de uitstekende fysische en chemische eigenschappen zijn SiC-eenkristallen geschikt voor extreme omstandigheden, zoals hoge temperaturen, hoge frequenties, hoge vermogens en stralingsbestendigheid. De harde en broze aard van SiC brengt echter grote uitdagingen met zich mee bij het slijpen en polijsten.

Naarmate toonaangevende wereldwijde fabrikanten overstappen van 6-inch naar 8-inch wafers, zijn problemen zoals scheuren en beschadiging van de wafer tijdens de verwerking steeds prominenter geworden, wat een aanzienlijke impact heeft op de opbrengst. Het aanpakken van de technische uitdagingen van 8-inch SiC-substraten is nu een belangrijke maatstaf voor de vooruitgang van de industrie.

In het 8-inch tijdperk staat de verwerking van SiC-wafers voor tal van uitdagingen:

Waferschaling is noodzakelijk om de chipoutput per batch te verhogen, randverlies te verminderen en de productiekosten te verlagen, met name gezien de toenemende vraag vanuit de elektrische voertuigensector.

Hoewel de groei van 8-inch SiC-eenkristallen inmiddels is geperfectioneerd, kampen nabewerkingsprocessen zoals slijpen en polijsten nog steeds met knelpunten, wat resulteert in lage opbrengsten (slechts 40-50%).

Grotere wafers hebben te maken met complexere drukverdelingen, waardoor het lastiger wordt om de polijstspanning en de consistentie van de opbrengst te beheersen.

Hoewel de dikte van 8-inch wafers die van 6-inch wafers benadert, zijn ze door spanning en vervorming gevoeliger voor beschadiging tijdens de verwerking.

Om spanning, kromtrekking en scheuren als gevolg van het snijden te verminderen, wordt lasersnijden steeds vaker gebruikt. Echter:

Lasers met een lange golflengte veroorzaken thermische schade.

Lasers met een korte golflengte genereren veel puin en verdiepen de beschadigingslaag, waardoor het polijsten complexer wordt.

Werkproces voor mechanisch polijsten van SiC

Het algemene procesverloop omvat:

Oriëntatiesnijden

Grof malen

Fijn malen

Mechanisch polijsten

Chemisch-mechanisch polijsten (CMP) als laatste stap

De keuze van de CMP-methode, het ontwerp van de procesroute en de optimalisatie van de parameters zijn cruciaal. In de halfgeleiderproductie is CMP de bepalende stap voor het produceren van SiC-wafers met ultragladde, defectvrije en onbeschadigde oppervlakken, die essentieel zijn voor hoogwaardige epitaxiale groei.

(a) Verwijder de SiC-staaf uit de smeltkroes;

(b) Voer de eerste vormgeving uit door de buitendiameter te slijpen;

(c) Bepaal de kristaloriëntatie met behulp van uitlijningsvlakken of -inkepingen;

(d) Snijd de staaf in dunne schijven met behulp van een meeraderige zaag;

(e) Een spiegelglad oppervlak bereiken door middel van slijp- en polijststappen.

Na het voltooien van de reeks verwerkingsstappen wordt de buitenrand van de SiC-wafer vaak scherp, wat het risico op afbrokkeling tijdens hantering of gebruik vergroot. Om deze kwetsbaarheid te voorkomen, is het slijpen van de rand noodzakelijk.

Naast traditionele snijprocessen is er een innovatieve methode voor de bereiding van SiC-wafers, namelijk bondingtechnologie. Deze aanpak maakt de fabricage van wafers mogelijk door een dunne SiC-eenkristallaag te verbinden met een heterogeen substraat (ondersteunend substraat).

Figuur 3 illustreert het procesverloop:

Eerst wordt een delaminatielaag gevormd op een bepaalde diepte op het oppervlak van het SiC-eenkristal door middel van waterstofionenimplantatie of vergelijkbare technieken. Het bewerkte SiC-eenkristal wordt vervolgens aan een vlak substraat gehecht en onderworpen aan druk en hitte. Dit maakt een succesvolle overdracht en scheiding van de SiC-eenkristallaag op het substraat mogelijk.

De afgescheiden SiC-laag ondergaat een oppervlaktebehandeling om de vereiste vlakheid te bereiken en kan worden hergebruikt in latere verbindingsprocessen. In vergelijking met het traditionele snijden van SiC-kristallen vermindert deze techniek de behoefte aan dure materialen. Hoewel er nog steeds technische uitdagingen zijn, wordt er actief onderzoek en ontwikkeling verricht om de productie van wafers tegen lagere kosten mogelijk te maken.

Gezien de hoge hardheid en chemische stabiliteit van SiC – waardoor het bestand is tegen reacties bij kamertemperatuur – is mechanisch polijsten noodzakelijk om fijne slijpputjes te verwijderen, oppervlakteschade te verminderen, krassen, putjes en sinaasappelschilachtige defecten te elimineren, de oppervlakteruwheid te verlagen, de vlakheid te verbeteren en de oppervlaktekwaliteit te verhogen.

Om een ​​hoogwaardig gepolijst oppervlak te verkrijgen, is het nodig om:

Het type schuurmiddel aanpassen,

Verklein de deeltjesgrootte,

Optimaliseer procesparameters,

Kies polijstmaterialen en -pads met de juiste hardheid.

Figuur 7 laat zien dat dubbelzijdig polijsten met schuurmiddelen van 1 μm de vlakheid en diktevariatie binnen 10 μm kan beheersen en de oppervlakteruwheid kan reduceren tot ongeveer 0,25 nm.

3.2 Chemisch-mechanisch polijsten (CMP)

Chemisch-mechanisch polijsten (CMP) combineert het schuren met ultrafijne deeltjes met chemisch etsen om een ​​glad, vlak oppervlak te creëren op het te bewerken materiaal. Het basisprincipe is:

Er vindt een chemische reactie plaats tussen de polijstpasta en het waferoppervlak, waardoor een zachte laag ontstaat.

Door wrijving tussen de schurende deeltjes en de zachte laag wordt het materiaal verwijderd.

Voordelen van CMP:

Ondervangt de nadelen van puur mechanisch of chemisch polijsten.

Bereikt zowel globale als lokale planariteit.

Produceert oppervlakken met een hoge vlakheid en lage ruwheid.

Laat geen schade aan het oppervlak of onder het oppervlak achter.

In detail:

De wafer beweegt onder druk ten opzichte van de polijstschijf.

Nanometergrote schuurmiddelen (bijv. SiO₂) in de slurry dragen bij aan het afschuiven, waardoor de covalente Si–C-bindingen worden verzwakt en de materiaalafvoer wordt bevorderd.

Soorten CMP-technieken:

Vrij abrasief polijsten: schuurmiddelen (bijv. SiO₂) worden in een slurry gesuspendeerd. Materiaalverwijdering vindt plaats door middel van drielichamenabrasie (wafer-pad-schuurmiddel). De grootte van de schuurmiddelen (doorgaans 60-200 nm), de pH-waarde en de temperatuur moeten nauwkeurig worden geregeld om een ​​uniforme polijsting te garanderen.

Polijsten met vaste schuurmiddelen: De schuurmiddelen zijn in de polijstschijf ingebed om samenklontering te voorkomen – ideaal voor zeer nauwkeurige bewerkingen.

Reiniging na het polijsten:

Gepolijste wafers ondergaan het volgende proces:

Chemische reiniging (inclusief verwijdering van gedemineraliseerd water en slibresten),

spoelen met gedemineraliseerd water, en

Hete stikstofdroging

om oppervlakteverontreinigingen tot een minimum te beperken.

Oppervlaktekwaliteit en prestaties

De oppervlakteruwheid kan worden teruggebracht tot Ra < 0,3 nm, waarmee wordt voldaan aan de eisen voor halfgeleiderepitaxie.

Globale vlakmaking: De combinatie van chemische verzachting en mechanische verwijdering vermindert krassen en ongelijkmatige etsing, en presteert beter dan puur mechanische of chemische methoden.

Hoog rendement: Geschikt voor harde en brosse materialen zoals SiC, met materiaalafvoersnelheden van meer dan 200 nm/u.

Andere opkomende polijsttechnieken

Naast CMP zijn er ook alternatieve methoden voorgesteld, waaronder:

Elektrochemisch polijsten, katalysatorondersteund polijsten of etsen, en

Tribochemisch polijsten.

Deze methoden bevinden zich echter nog in de onderzoeksfase en hebben zich langzaam ontwikkeld vanwege de uitdagende materiaaleigenschappen van SiC.

Uiteindelijk is de SiC-bewerking een geleidelijk proces van het verminderen van kromtrekking en ruwheid om de oppervlaktekwaliteit te verbeteren, waarbij de beheersing van vlakheid en ruwheid in elke fase cruciaal is.

Verwerkingstechnologie

Tijdens het slijpen van de wafer wordt een diamantsuspensie met verschillende deeltjesgroottes gebruikt om de wafer tot de gewenste vlakheid en oppervlakteruwheid te slijpen. Dit wordt gevolgd door polijsten, waarbij zowel mechanische als chemisch-mechanische polijsttechnieken (CMP) worden gebruikt om onbeschadigde gepolijste siliciumcarbide (SiC) wafers te produceren.

Na het polijsten ondergaan de SiC-wafers een strenge kwaliteitscontrole met behulp van instrumenten zoals optische microscopen en röntgendiffractometers om te garanderen dat alle technische parameters aan de vereiste normen voldoen. Ten slotte worden de gepolijste wafers gereinigd met speciale reinigingsmiddelen en ultrazuiver water om oppervlakteverontreinigingen te verwijderen. Daarna worden ze gedroogd met ultrazuiver stikstofgas en centrifugeerdrogers, waarmee het gehele productieproces is voltooid.

Na jarenlange inspanningen is er in China aanzienlijke vooruitgang geboekt in de verwerking van SiC-eenkristallen. In eigen land zijn met succes 100 mm gedoteerde, halfgeleidende 4H-SiC-eenkristallen ontwikkeld, en kunnen n-type 4H-SiC- en 6H-SiC-eenkristallen nu in batches worden geproduceerd. Bedrijven zoals TankeBlue en TYST hebben al 150 mm SiC-eenkristallen ontwikkeld.

Wat de verwerkingstechnologie voor SiC-wafers betreft, hebben binnenlandse instellingen de procesomstandigheden en -methoden voor het snijden, slijpen en polijsten van kristallen al in een vroeg stadium onderzocht. Ze zijn in staat om monsters te produceren die in principe voldoen aan de eisen voor de fabricage van apparaten. De oppervlaktekwaliteit van de binnenlandse wafers blijft echter, vergeleken met internationale standaarden, nog aanzienlijk achter. Er zijn verschillende problemen:

Internationale SiC-theorieën en -verwerkingstechnologieën worden streng beschermd en zijn niet gemakkelijk toegankelijk.

Er is een gebrek aan theoretisch onderzoek en ondersteuning voor procesverbetering en -optimalisatie.

De kosten voor het importeren van buitenlandse apparatuur en onderdelen zijn hoog.

Binnenlands onderzoek naar het ontwerp van apparatuur, de precisie van de verwerking en de gebruikte materialen vertoont nog steeds aanzienlijke achterstanden ten opzichte van het internationale niveau.

Momenteel worden de meeste uiterst nauwkeurige instrumenten die in China worden gebruikt, geïmporteerd. Ook de testapparatuur en -methoden behoeven verdere verbetering.

Door de voortdurende ontwikkeling van halfgeleiders van de derde generatie neemt de diameter van SiC-eenkristalsubstraten gestaag toe, evenals de eisen aan de kwaliteit van de oppervlaktebehandeling. Waferverwerkingstechnologie is na de groei van SiC-eenkristallen uitgegroeid tot een van de technisch meest uitdagende stappen.

Om de bestaande uitdagingen in de verwerking aan te pakken, is het essentieel om de mechanismen die betrokken zijn bij snijden, slijpen en polijsten verder te bestuderen en geschikte procesmethoden en -routes voor de productie van SiC-wafers te onderzoeken. Tegelijkertijd is het nodig om te leren van geavanceerde internationale verwerkingstechnologieën en de modernste ultraprecisie-bewerkingstechnieken en -apparatuur toe te passen om substraten van hoge kwaliteit te produceren.

Naarmate de wafergrootte toeneemt, wordt de kristalgroei en -verwerking ook complexer. De productie-efficiëntie van de daaropvolgende componenten verbetert echter aanzienlijk en de productiekosten dalen. Momenteel bieden de belangrijkste wereldwijde leveranciers van SiC-wafers producten aan met een diameter van 4 tot 6 inch. Toonaangevende bedrijven zoals Cree en II-VI zijn al begonnen met de planning voor de ontwikkeling van productielijnen voor 8-inch SiC-wafers.