De huidige status en trends van SiC-waferverwerkingstechnologie

Als een halfgeleidersubstraatmateriaal van de derde generatie,siliciumcarbide (SiC)Monokristallijn kristal heeft brede toepassingsmogelijkheden bij de productie van hoogfrequente en hoogvermogen elektronische apparaten. De verwerkingstechnologie van SiC speelt een doorslaggevende rol bij de productie van hoogwaardige substraatmaterialen. Dit artikel introduceert de huidige stand van zaken in het onderzoek naar SiC-verwerkingstechnologieën, zowel in China als daarbuiten, en analyseert en vergelijkt de mechanismen van snij-, slijp- en polijstprocessen, evenals de trends in vlakheid en oppervlakteruwheid van wafers. Het belicht ook de bestaande uitdagingen bij de verwerking van SiC-wafers en bespreekt toekomstige ontwikkelingsrichtingen.

Siliciumcarbide (SiC)Wafers zijn cruciale basismaterialen voor halfgeleiderapparaten van de derde generatie en zijn van groot belang en hebben een groot marktpotentieel in sectoren zoals micro-elektronica, vermogenselektronica en halfgeleiderverlichting. Door de extreem hoge hardheid en chemische stabiliteit vanSiC-eenkristallenTraditionele halfgeleiderverwerkingsmethoden zijn niet volledig geschikt voor de bewerking ervan. Hoewel veel internationale bedrijven uitgebreid onderzoek hebben gedaan naar de technisch veeleisende verwerking van SiC-monokristallen, worden relevante technologieën strikt vertrouwelijk behandeld.

China heeft de afgelopen jaren de inspanningen op het gebied van de ontwikkeling van SiC-monokristalmaterialen en -componenten geïntensiveerd. De vooruitgang in de SiC-technologie in het land wordt echter momenteel belemmerd door beperkingen in verwerkingstechnologieën en waferkwaliteit. Daarom is het essentieel dat China de SiC-verwerkingscapaciteiten verbetert om de kwaliteit van SiC-monokristalsubstraten te verbeteren en hun praktische toepassing en massaproductie te realiseren.

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

Snijden van SiC-enkelkristallen

Bij de verwerking vanSiC-eenkristallenSnijden is de eerste en zeer kritische stap. De kromming, kromming en totale diktevariatie (TTV) van de wafer als gevolg van het snijproces bepalen de kwaliteit en effectiviteit van de daaropvolgende slijp- en polijstbewerkingen.

Snijgereedschappen kunnen naar vorm worden gecategoriseerd in diamantzagen met binnendiameter (ID), diamantzagen met buitendiameter (OD), lintzagen en draadzagen. Draadzagen kunnen op hun beurt naar hun bewegingstype worden ingedeeld in reciprocerende en lusvormige draadsystemen. Afhankelijk van het snijmechanisme van het schuurmiddel kunnen draadzaagtechnieken worden onderverdeeld in twee typen: vrij abrasief draadzagen en vast abrasief 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 slechte stijfheid. Zagen met een binnendiameter (ID) gebruiken diamantschuurmiddelen op de binnenomtrek van het zaagblad als snijkant. Deze bladen kunnen zo dun zijn als 0,2 mm. Tijdens het zagen draait het ID-zaagblad met hoge snelheid, terwijl het te zagen materiaal radiaal ten opzichte van het midden van het zaagblad beweegt, waardoor door deze relatieve beweging een zaagsnede ontstaat.

Diamantbandzagen vereisen frequente stops en omkeringen en de zaagsnelheid is zeer laag – doorgaans niet hoger dan 2 m/s. Ze hebben ook te kampen met aanzienlijke mechanische slijtage en hoge onderhoudskosten. Door de breedte van het zaagblad kan de zaagradius niet te klein zijn en is meerlaags zagen niet mogelijk. Deze traditionele zaagmachines worden beperkt door de stijfheid van de basis en kunnen geen gebogen sneden maken of hebben een beperkte draaicirkel. Ze kunnen alleen rechte sneden maken, brede zaagsneden maken, hebben een lage opbrengst en zijn daarom niet geschikt voor het zagen vanSiC-kristallen.

1.2 Gratis schuurdraadzaag Multi-draad snijden

De free abrasive draadzaag-snijtechniek maakt gebruik van de snelle beweging van de draad om slurry in de snede te brengen, waardoor materiaal verwijderd kan worden. Deze techniek maakt voornamelijk gebruik van een heen-en-weergaande structuur en is momenteel een volwassen en veelgebruikte methode voor het efficiënt snijden van meerdere wafers van monokristallijn silicium. De toepassing ervan bij het snijden van SiC is echter minder uitgebreid onderzocht.

Draadzagen met vrije abrasieve werking kunnen wafers met een dikte van minder dan 300 μm verwerken. Ze bieden een laag kerfverlies, veroorzaken zelden afbrokkeling en resulteren in een relatief goede oppervlaktekwaliteit. Door het materiaalverwijderingsmechanisme – gebaseerd op het rollen en indrukken van schuurmiddelen – kan het waferoppervlak echter aanzienlijke restspanning, microscheuren en diepere beschadigingslagen ontwikkelen. Dit leidt tot kromtrekken van de wafer, maakt het moeilijk om de nauwkeurigheid van het oppervlakteprofiel te controleren en verhoogt de belasting van de volgende verwerkingsstappen.

De snijprestaties worden sterk beïnvloed door de slurry; het is noodzakelijk om de scherpte van het schuurmiddel en de concentratie ervan te behouden. De behandeling en recycling van het slurry zijn kostbaar. Bij het zagen van grote blokken hebben schuurmiddelen moeite om diepe en lange zaagsneden te doordringen. Bij dezelfde korrelgrootte van het schuurmiddel is het zaagsnedeverlies groter dan bij draadzagen met een vast schuurmiddel.

1.3 Vaste diamantdraadzaag met meerdere draden

Vaste diamantdraadzagen worden meestal gemaakt door diamantdeeltjes in een staaldraadsubstraat te verankeren door middel van galvaniseren, sinteren of harsbinden. Gegalvaniseerde diamantdraadzagen bieden voordelen zoals smallere zaagsneden, een betere snijkwaliteit, een hogere efficiëntie, minder vervuiling en de mogelijkheid om materialen met een hoge hardheid te zagen.

De reciprocating galvanische diamantdraadzaag is momenteel de meest gebruikte methode voor het zagen van SiC. Figuur 1 (hier niet afgebeeld) illustreert de oppervlaktevlakheid van SiC-wafers die met deze techniek zijn gesneden. Naarmate het zagen vordert, neemt de kromtrekking van de wafer toe. Dit komt doordat het contactoppervlak tussen de draad en het materiaal toeneemt 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 het hoogst, wat resulteert in maximale kromtrekking.

In de latere fasen van het snijden verslechtert de oppervlaktekwaliteit van de wafer, doordat de draad versnelt, met stabiele snelheid beweegt, vertraagt, stopt en omkeert, en doordat vuil moeilijk met het koelmiddel kan worden verwijderd. Draadomkering en snelheidsschommelingen, evenals grote diamantdeeltjes op de draad, zijn de belangrijkste oorzaken van krassen op het oppervlak.

1.4 Koude scheidingstechnologie

Koude scheiding van SiC-kristallen is een innovatief proces in de derde-generatie halfgeleidermateriaalverwerking. De laatste jaren heeft het veel aandacht gekregen vanwege de opmerkelijke voordelen op het gebied van opbrengstverbetering en vermindering van materiaalverlies. De technologie kan vanuit drie oogpunten worden geanalyseerd: werkingsprincipe, processtroom en kernvoordelen.

Bepaling van de kristaloriëntatie en slijpen van de buitendiameter: Vóór de verwerking moet de kristaloriëntatie van de SiC-staaf worden bepaald. De staaf wordt vervolgens gevormd tot een cilindrische structuur (ook wel een SiC-puck genoemd) door middel van slijpen van de buitendiameter. Deze stap legt de basis voor het daaropvolgende directionele snijden en snijden.

Multi-draadsnijden: Deze methode gebruikt schurende deeltjes in combinatie met snijdraden om de cilindrische staaf te snijden. Dit leidt echter tot aanzienlijk snijverlies en oneffenheden in het oppervlak.

Lasersnijtechnologie: Een laser wordt gebruikt om een ​​gemodificeerde laag in het kristal te vormen, waaruit dunne plakjes kunnen worden losgemaakt. Deze aanpak vermindert materiaalverlies en verbetert de verwerkingsefficiëntie, wat het een veelbelovende nieuwe richting maakt voor het snijden van SiC-wafers.

Optimalisatie van het snijproces

Vast abrasief multi-draadsnijden: Dit is momenteel de meest voorkomende technologie, die zeer geschikt is voor de hoge hardheidseigenschappen van SiC.

Elektrische vonkbewerking (EDM) en koudescheidingstechnologie: deze methoden bieden uiteenlopende oplossingen, afgestemd op specifieke vereisten.

Polijstproces: Het is essentieel om de materiaalverwijderingssnelheid en de oppervlakteschade in evenwicht te brengen. Chemisch Mechanisch Polijsten (CMP) wordt gebruikt om de oppervlakte-uniformiteit te verbeteren.

Real-time monitoring: online inspectietechnologieën worden geïntroduceerd om de oppervlakteruwheid in real-time te monitoren.

Lasersnijden: Deze techniek vermindert het verlies van snijkanten 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 heeft al industriële toepassing bereikt. Infineon heeft bijvoorbeeld SILTECTRA overgenomen en bezit nu de belangrijkste patenten die de massaproductie van 8-inch wafers ondersteunen. In China hebben bedrijven zoals Delong Laser een output-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 productie van huishoudelijke apparatuur toeneemt, wordt verwacht dat deze technologie de belangrijkste oplossing wordt voor de verwerking van SiC-substraten. Met de toenemende diameter van halfgeleidermaterialen zijn traditionele snijmethoden verouderd. Van de huidige opties biedt de reciprocerende diamantdraadzaagtechnologie de meest veelbelovende toepassingsmogelijkheden. Lasersnijden, een opkomende techniek, biedt aanzienlijke voordelen en zal naar verwachting in de toekomst de belangrijkste snijmethode worden.

2、Slijpen van SiC-monokristallen

Als vertegenwoordiger van de derde generatie halfgeleiders biedt siliciumcarbide (SiC) aanzienlijke voordelen dankzij de brede bandgap, het hoge doorslagveld, de hoge verzadigingssnelheid van elektronen en de uitstekende thermische geleidbaarheid. Deze eigenschappen maken SiC bijzonder voordelig in hoogspanningstoepassingen (bijv. 1200 V-omgevingen). De verwerkingstechnologie voor SiC-substraten is een fundamenteel onderdeel van de fabricage van componenten. De oppervlaktekwaliteit en precisie van het substraat zijn direct van invloed op de kwaliteit van de epitaxiale laag en de prestaties van het eindproduct.

Het primaire doel van het slijpproces is het verwijderen van zaagsporen en beschadigingen 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 slijpmiddelen zoals boorcarbide of diamant. Conventioneel slijpen wordt doorgaans onderverdeeld in grof slijpen en fijn slijpen.

2.1 Grof en fijn slijpen

Slijpen kan worden gecategoriseerd op basis van de grootte van de schuurdeeltjes:

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

Fijn slijpen: Hierbij worden fijnere schuurmiddelen gebruikt om de beschadigde laag 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 monokristallijne diamantslurry. Dit proces verwijdert effectief de beschadigde laag die is ontstaan ​​door het draadzagen, corrigeert de wafervorm en vermindert de TTV (Totale Diktevariatie), kromtrekken en kromtrekken. De materiaalverwijderingssnelheid is stabiel en bereikt 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

Enkelzijdig slijpen bewerkt slechts één zijde van de wafer tegelijk. Tijdens dit proces wordt de wafer met was op een stalen plaat gemonteerd. Onder druk vervormt het substraat licht en wordt de bovenkant vlak gemaakt. Na het slijpen wordt de onderkant vlak gemaakt. Wanneer de druk wordt weggenomen, heeft de bovenkant de neiging om terug te keren naar zijn oorspronkelijke vorm, wat ook de reeds geslepen onderkant beïnvloedt, waardoor beide zijden kromtrekken en minder vlak worden.

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

Voor fijn slijpen worden doorgaans #8000 slijpschijven gebruikt. In Japan is dit proces relatief volwassen en worden zelfs #30000 polijstschijven gebruikt. Hierdoor kan de oppervlakteruwheid van de bewerkte wafers onder de 2 nm komen, waardoor de wafers klaar zijn voor de uiteindelijke CMP (chemisch-mechanische polijsting) zonder verdere bewerking.

2.3 Enkelzijdige verdunningstechnologie

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

Na verdunning kan een 100 mm wafer het volgende bereiken:

Boog < 5 μm

TTV < 2 μm

Oppervlakteruwheid < 1 nm

Deze single-wafer verwerkingsmethode biedt een hoge stabiliteit, uitstekende consistentie en een hoge materiaalafname. Vergeleken met conventioneel dubbelzijdig slijpen verbetert deze techniek de slijpefficiëntie met meer dan 50%.

2.4 Dubbelzijdig slijpen

Bij dubbelzijdig slijpen wordt gebruikgemaakt van zowel een boven- als een onderslijpplaat, waardoor beide zijden van het substraat gelijktijdig worden geslepen. Hierdoor wordt een uitstekende oppervlaktekwaliteit aan beide zijden gegarandeerd.

Tijdens het proces oefenen de slijpplaten eerst druk uit op de hoogste punten van het werkstuk, wat vervorming en geleidelijke materiaalverwijdering op die punten veroorzaakt. Naarmate de hoogste punten worden geëgaliseerd, wordt de druk op het substraat geleidelijk gelijkmatiger, wat resulteert in een consistente vervorming over het gehele oppervlak. Dit zorgt ervoor dat zowel de boven- als onderkant gelijkmatig worden geslepen. Zodra het slijpen is voltooid en de druk wordt losgelaten, herstelt elk deel van het substraat zich gelijkmatig dankzij de gelijke druk die het heeft ondergaan. Dit resulteert in minimale kromtrekken 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 van 5 μm voor dubbelzijdig slijpen, kan de vlakheid en diktevariatie van de wafer binnen 5 μm worden gecontroleerd. Metingen met atoomkrachtmicroscopie (AFM) laten een oppervlakteruwheid (Rq) zien van ongeveer 100 nm, met slijpputjes tot 380 nm diep en zichtbare lineaire markeringen veroorzaakt door de schuurwerking.

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

Oppervlaktekrassen blijven echter een onopgelost probleem. Bovendien wordt de polykristallijne diamant die in dit proces wordt gebruikt, geproduceerd via explosieve synthese, wat technisch uitdagend is, lage hoeveelheden oplevert en extreem duur is.

Polijsten van SiC-monokristallen

Om een ​​hoogwaardig gepolijst oppervlak op siliciumcarbide (SiC) wafers te bereiken, moeten bij het polijsten slijpputjes en nanometergrote oneffenheden volledig worden verwijderd. Het doel is een glad, defectvrij oppervlak te produceren, zonder verontreiniging of degradatie, zonder beschadigingen aan de ondergrond en zonder restspanningen aan het oppervlak.

3.1 Mechanisch polijsten en CMP van SiC-wafers

Na de groei van een SiC-kristalstaaf verhinderen oppervlaktedefecten dat deze direct kan worden gebruikt voor epitaxiale groei. Daarom is verdere verwerking vereist. De staaf wordt eerst afgerond tot een standaard cilindrische vorm, vervolgens met draadsnijden in wafers gesneden en vervolgens gecontroleerd op kristallografische oriëntatie. Polijsten is een cruciale stap in het verbeteren van de waferkwaliteit en pakt mogelijke oppervlakteschade aan, veroorzaakt door kristalgroeidefecten en eerdere verwerkingsstappen.

Er zijn vier hoofdmethoden voor het verwijderen van oppervlakteschadelagen op SiC:

Mechanisch polijsten: Eenvoudig, maar laat krassen achter; geschikt voor eerste polijsten.

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

Waterstofetsen: vereist complexe apparatuur, veelgebruikt in HTCVD-processen.

Plasma-ondersteund polijsten: complex en zelden toegepast.

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

CMP-werkprincipe

CMP werkt door de wafer onder een bepaalde druk tegen een roterende polijstpad te roteren. Deze relatieve beweging, gecombineerd met mechanische slijtage door nano-schuurmiddelen in de slurry en de chemische werking van reactieve middelen, zorgt voor oppervlakteplanarisatie.

Belangrijkste gebruikte materialen:

Polijstslurry: Bevat schuurmiddelen en chemische reagentia.

Polijstpad: slijt tijdens gebruik, waardoor de poriën kleiner worden en de efficiëntie van de slurry-afgifte afneemt. Regelmatig polijsten, meestal met een diamantslijper, is nodig om de ruwheid te herstellen.

Typisch CMP-proces

Schuurmiddel: 0,5 μm diamantslurry

Doeloppervlakteruwheid: ~0,7 nm

Chemisch mechanisch polijsten:

Polijstapparatuur: AP-810 enkelzijdige polijstmachine

Druk: 200 g/cm²

Plaatsnelheid: 50 tpm

Keramische houdersnelheid: 38 tpm

Samenstelling van de slurry:

SiO₂ (30 gew.%, pH = 10,15)

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

Pas de pH aan tot 8,5 met 5 gew.% KOH en 1 gew.% HNO₃

Slurrystroom: 3 l/min, gerecirculeerd

Dit proces verbetert effectief de kwaliteit van SiC-wafers en voldoet aan de eisen voor downstream-processen.

Technische uitdagingen bij mechanisch polijsten

SiC speelt als halfgeleider met een brede bandgap een cruciale rol in de elektronica-industrie. Dankzij de uitstekende fysische en chemische eigenschappen zijn SiC-kristallen geschikt voor extreme omgevingen, zoals hoge temperaturen, hoge frequenties, hoge vermogens en stralingsbestendigheid. De harde en brosse aard van het materiaal vormt echter een uitdaging bij het slijpen en polijsten.

Nu toonaangevende wereldwijde fabrikanten overstappen van 6-inch naar 8-inch wafers, worden problemen zoals scheurvorming en waferschade tijdens de verwerking steeds prominenter, wat de opbrengst aanzienlijk beïnvloedt. 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 kent de verwerking van SiC-wafers talrijke uitdagingen:

Waferscaling is noodzakelijk om de chipproductie per batch te verhogen, randverlies te verminderen en productiekosten te verlagen. Dit is vooral belangrijk gezien de toenemende vraag naar toepassingen in elektrische voertuigen.

Hoewel de groei van 8-inch SiC-monokristallen is toegenomen, kampen de back-endprocessen, zoals slijpen en polijsten, nog steeds met knelpunten, wat resulteert in lage opbrengsten (slechts 40–50%).

Grotere wafers ervaren complexere drukverdelingen, waardoor het moeilijker wordt om de polijstspanning te beheersen en de opbrengstconsistentie te behouden.

Hoewel de dikte van 8-inch wafers vergelijkbaar is met die van 6-inch wafers, zijn ze tijdens het hanteren gevoeliger voor beschadigingen door spanning en kromtrekken.

Om snijgerelateerde spanning, kromtrekken en scheuren te verminderen, wordt lasersnijden steeds vaker toegepast. Echter:

Langgolvige lasers veroorzaken thermische schade.

Kortgolvige lasers genereren zwaar puin en verdiepen de beschadigde laag, waardoor het polijsten complexer wordt.

Mechanische polijstworkflow voor SiC

De algemene processtroom omvat:

Oriëntatie snijden

Grof slijpen

Fijn slijpen

Mechanisch polijsten

Chemisch Mechanisch Polijsten (CMP) als laatste stap

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

(a) Verwijder het SiC-staafje uit de kroes;

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

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

(d) Snijd het blok in dunne plakken met behulp van een meerdraadszaag;

(e) Het bereiken van een spiegelgladde oppervlakte door middel van slijpen en polijsten.

Na het voltooien van de reeks verwerkingsstappen wordt de buitenrand van de SiC-wafer vaak scherp, wat het risico op afbrokkeling tijdens behandeling of gebruik vergroot. Om dergelijke kwetsbaarheid te voorkomen, is het nodig de randen te slijpen.

Naast traditionele snijprocessen is een innovatieve methode voor de bereiding van SiC-wafers gebaseerd op bondingtechnologie. Deze aanpak maakt waferfabricage mogelijk door een dunne SiC-monokristallaag te verbinden met een heterogeen substraat (ondersteunend substraat).

Figuur 3 illustreert de processtroom:

Eerst wordt een delaminatielaag op een bepaalde diepte op het oppervlak van het SiC-monokristal gevormd door middel van waterstofionenimplantatie of vergelijkbare technieken. Het bewerkte SiC-monokristal wordt vervolgens op een vlak dragend substraat bevestigd en aan druk en hitte blootgesteld. Dit maakt een succesvolle overdracht en scheiding van de SiC-monokristallaag op het dragende substraat mogelijk.

De gescheiden SiC-laag ondergaat een oppervlaktebehandeling om de gewenste vlakheid te bereiken en kan worden hergebruikt in daaropvolgende verlijmingsprocessen. Vergeleken met het traditionele snijden van SiC-kristallen vermindert deze techniek de vraag naar dure materialen. Hoewel er nog technische uitdagingen bestaan, wordt er actief gewerkt aan onderzoek en ontwikkeling om wafers goedkoper te kunnen produceren.

Gezien de hoge hardheid en chemische stabiliteit van SiC, waardoor het bestand is tegen reacties bij kamertemperatuur, is mechanisch polijsten vereist om fijne slijpputjes te verwijderen, oppervlakteschade te verminderen, krassen, putcorrosie en sinaasappelhuiddefecten te elimineren, de oppervlakteruwheid te verlagen, de vlakheid te verbeteren en de oppervlaktekwaliteit te verbeteren.

Om een ​​gepolijst oppervlak van hoge kwaliteit te verkrijgen, is het volgende nodig:

Pas de soorten schuurmiddel aan,

Verminder de deeltjesgrootte,

Optimaliseer procesparameters,

Kies polijstmaterialen en -pads met de juiste hardheid.

Uit figuur 7 blijkt dat dubbelzijdig polijsten met 1 μm schuurmiddelen de vlakheid en de diktevariatie binnen 10 μm kan regelen en de oppervlakteruwheid kan terugbrengen tot ongeveer 0,25 nm.

3.2 Chemisch Mechanisch Polijsten (CMP)

Chemisch Mechanisch Polijsten (CMP) combineert het schuren van ultrafijne deeltjes met chemisch etsen om een ​​glad, vlak oppervlak te vormen op het te bewerken materiaal. Het basisprincipe is:

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

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

Voordelen van CMP:

Overwint de nadelen van puur mechanisch of chemisch polijsten,

Bereikt zowel globale als lokale planarisatie,

Produceert oppervlakken met een hoge vlakheid en een lage ruwheid,

Laat geen schade achter aan het oppervlak of de ondergrond.

In detail:

De wafer beweegt ten opzichte van de polijstpad onder druk.

Schuurmiddelen op nanometerschaal (bijvoorbeeld SiO₂) in de slurry dragen bij aan afschuiving, verzwakken de covalente bindingen van Si–C en verbeteren de materiaalverwijdering.

Soorten CMP-technieken:

Polijsten met vrij schuurmiddel: Schuurmiddelen (bijv. SiO₂) worden in een slurry gesuspendeerd. Materiaalverwijdering vindt plaats door middel van drie-lichaams-schuren (wafer-pad-schuurmiddel). De korrelgrootte (meestal 60-200 nm), pH-waarde en temperatuur moeten nauwkeurig worden gecontroleerd om de uniformiteit te verbeteren.

Vast schuurmiddelpolijsten: schuurmiddelen zijn in de polijstpad ingebed om samenklontering te voorkomen; ideaal voor zeer nauwkeurige verwerking.

Reiniging na het polijsten:

Gepolijste wafers ondergaan:

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

Spoelen met gedeïoniseerd water en

Drogen met hete stikstof

om oppervlakteverontreinigingen te minimaliseren.

Oppervlaktekwaliteit en prestaties

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

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

Hoge efficiëntie: Geschikt voor harde en brosse materialen zoals SiC, met materiaalverwijderingssnelheden boven 200 nm/u.

Andere opkomende polijsttechnieken

Naast CMP zijn er 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 SiC-verwerking een geleidelijk proces van het verminderen van kromtrekken en ruwheid om de oppervlaktekwaliteit te verbeteren. De beheersing van vlakheid en ruwheid is hierbij van cruciaal belang in elke fase.

Verwerkingstechnologie

Tijdens het slijpen van de wafer wordt diamantslurry met verschillende deeltjesgroottes gebruikt om de wafer tot de gewenste vlakheid en oppervlakteruwheid te slijpen. Vervolgens wordt de wafer gepolijst met behulp van zowel mechanische als chemisch-mechanische polijsttechnieken (CMP). Dit resulteert in schadevrije, gepolijste wafers van siliciumcarbide (SiC).

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. Tot slot worden de gepolijste wafers gereinigd met speciale reinigingsmiddelen en ultrapuur water om oppervlakteverontreinigingen te verwijderen. Vervolgens worden ze gedroogd met ultrazuiver stikstofgas en centrifuges, waarmee het volledige productieproces is voltooid.

Na jaren van inspanning is er aanzienlijke vooruitgang geboekt in de verwerking van SiC-monokristallen in China. In China zijn met succes 100 mm gedoteerde semi-isolerende 4H-SiC-monokristallen ontwikkeld en kunnen n-type 4H-SiC- en 6H-SiC-monokristallen nu in batches worden geproduceerd. Bedrijven zoals TankeBlue en TYST hebben al 150 mm SiC-monokristallen ontwikkeld.

Wat betreft de SiC-waferverwerkingstechnologie hebben binnenlandse instellingen voorlopig de procesomstandigheden en -routes voor het snijden, slijpen en polijsten van kristallen onderzocht. Ze zijn in staat om monsters te produceren die in principe voldoen aan de eisen voor de fabricage van apparaten. Vergeleken met internationale normen blijft de oppervlakteverwerkingskwaliteit van binnenlandse wafers echter nog aanzienlijk achter. Er zijn verschillende problemen:

Internationale SiC-theorieën en verwerkingstechnologieën zijn streng beschermd en 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 op het gebied van apparatuurontwerp, verwerkingsnauwkeurigheid en materialen vertoont nog steeds grote hiaten vergeleken met internationaal niveau.

Momenteel worden de meeste precisie-instrumenten die in China worden gebruikt, geïmporteerd. Ook testapparatuur en -methodologieën moeten verder worden verbeterd.

Met de voortdurende ontwikkeling van halfgeleiders van de derde generatie neemt de diameter van SiC-monokristalsubstraten gestaag toe, wat gepaard gaat met hogere eisen aan de oppervlaktebewerkingskwaliteit. Waferverwerkingstechnologie is een van de technisch meest uitdagende stappen geworden na de groei van SiC-monokristallen.

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 verkennen. Tegelijkertijd is het noodzakelijk om te leren van geavanceerde internationale verwerkingstechnologieën en gebruik te maken van ultraprecieze bewerkingstechnieken en -apparatuur om hoogwaardige substraten te produceren.

Naarmate de wafergrootte toeneemt, neemt ook de moeilijkheidsgraad van de kristalgroei en -verwerking toe. De productie-efficiëntie van de downstream-apparaten verbetert echter aanzienlijk en de kosten per eenheid worden verlaagd. Momenteel bieden de belangrijkste SiC-waferleveranciers wereldwijd producten aan met een diameter van 4 tot 6 inch. Toonaangevende bedrijven zoals Cree en II-VI zijn al begonnen met de planning van de ontwikkeling van productielijnen voor 8-inch SiC-wafers.