Siliziumkarbid-Wafer werden häufig in der Leistungselektronik, in HF-Geräten, in der Hochtemperaturelektronik und in der Halbleiterforschung eingesetzt. Allerdings zweiSiC-Wafermit dem gleichen Durchmesser und der gleichen Dicke können während der Epitaxie oder der Geräteherstellung sehr unterschiedliche Leistungen erbringen.

Kristalldefekte, Oberflächenschäden, geometrische Abweichungen, ungleichmäßige Widerstände und Verunreinigungen können sich alle auf die Prozessausbeute und die Gerätezuverlässigkeit auswirken. Daher reicht es nicht aus, nur den Waferdurchmesser und das Erscheinungsbild der Oberfläche zu überprüfen.

In diesem Leitfaden werden die wichtigsten Prüfpunkte für SiC-Wafer erklärt, wie sie gemessen werden und was Käufer von einem Lieferanten verlangen sollten, bevor sie ein Produktionslos genehmigen.

Was bestimmt die Qualität von SiC-Wafern?

Die Qualität von SiC-Wafern wird normalerweise in fünf Hauptbereichen bewertet:

1. Kristallstruktur und kristallographische Defekte
2. Waferabmessungen und -geometrie
3. Oberflächenqualität und Rauheit
4. Elektrische Eigenschaften und Gleichmäßigkeit
5. Sauberkeit, Identifizierung und Rückverfolgbarkeit

Die Bedeutung jedes Elements hängt von der beabsichtigten Anwendung ab. Ein für das epitaktische Wachstum vorbereitetes Substrat in Gerätequalität erfordert normalerweise strengere Kontrollen als ein Forschungswafer, ein Dummy-Wafer oder ein Gerätekalibrierungswafer.

Es gibt keine einheitliche Spezifikation, die für jede Anwendung einen „guten“ SiC-Wafer definiert. Die richtigen Akzeptanzgrenzen sollten entsprechend dem Geräteprozess, der Wafergröße, dem Leitfähigkeitstyp und der erforderlichen Produktionsausbeute festgelegt werden.

Kurzer Überblick über gängige SiC-Wafer-Inspektionselemente

1. Überprüfen Sie den SiC-Polytyp

Siliziumkarbid hat viele Kristallstrukturen, sogenannte Polytypen. Die gebräuchlichsten Halbleiterqualitäten sind 4H-SiC und 6H-SiC.

Heutzutage wird 4H-SiC aufgrund seiner günstigen Ladungsträgermobilität, der großen Bandlücke und des hohen kritischen elektrischen Felds häufig für Leistungsbauelemente ausgewählt. Allerdings kann 6H-SiC weiterhin für bestimmte Forschungs-, Optik- oder Spezialanwendungen verwendet werden.

Der Polytyp sollte auf dem Analysezertifikat klar angegeben sein. Raman-Spektroskopie und Röntgenbeugung können verwendet werden, um die Kristallstruktur zu bestätigen und mögliche polytypische Einschlüsse zu identifizieren.

Ein Käufer sollte nicht davon ausgehen, dass alle SiC-Wafer die gleiche Kristallstruktur haben, nur weil sie die gleiche Farbe, den gleichen Durchmesser oder den gleichen Leitfähigkeitstyp haben.

2. Überprüfen Sie die Kristallausrichtung und den Off-Axis-Winkel

Die meisten kommerziellen 4H-SiC-Substrate werden mit einer definierten kristallographischen Ausrichtung hergestellt, üblicherweise basierend auf der (0001)-Ebene. Der Wafer kann auch einen bestimmten außeraxialen Winkel und eine bestimmte Richtung aufweisen.

Die außeraxiale Ausrichtung ist besonders wichtig für das epitaktische Wachstum. Es unterstützt das Stufenflusswachstum und hilft, die Bildung unerwünschter Kristallstrukturen in der Epitaxieschicht zu kontrollieren.

Wichtige Orientierungsinformationen können sein:

• Kristallebene
• Si-Fläche oder C-Fläche
• Off-Axis-Winkel
• Außeraxiale Richtung
• Orientierungstoleranz
• Primäre flache oder gekerbte Ausrichtung

Zur Überprüfung der Kristallorientierung und des Verschnitts wird üblicherweise Röntgenbeugung eingesetzt. Bei der Bestellung von Wafern für die Epitaxie sollte der Käufer sowohl den nominalen Off-Axis-Winkel als auch die akzeptable Toleranz angeben.

3. Untersuchen Sie Mikroröhren und andere Kristalldefekte

Kristalldefekte gehören zu den wichtigsten Faktoren, die die Qualität von SiC-Wafern beeinflussen.

Mikropfeifen

Ein Mikrorohr ist ein Hohlkerndefekt, der mit einer großen Schraubenluxation einhergeht. Es kann das Substrat durchdringen und das epitaktische Wachstum oder die Geräteherstellung beeinträchtigen.

Mikrorohre stellten einst eine große Einschränkung bei der SiC-Herstellung dar. Obwohl die Dichte moderner Kristallzüchtungen erheblich reduziert wurde, bleibt die Inspektion von Mikrorohren für Hochspannungs- und Hochzuverlässigkeitsanwendungen weiterhin wichtig.

Gewindeschraubenversetzungen

Gewindeschraubenversetzungen oder TSDs erstrecken sich ungefähr entlang der Kristallwachstumsrichtung. Sie können das Ausfallverhalten, den Ableitstrom und die Gerätezuverlässigkeit beeinflussen.

Ihre Wirkung hängt vom Geräteaufbau, Standort und Prozessdesign ab. Daher können sowohl die Defektdichte als auch die räumliche Verteilung relevant sein.

Kantenversetzungen einfädeln

Threading Edge Dislocations (TEDs) kommen häufig in SiC-Substraten vor. Obwohl sie möglicherweise weniger zerstörerisch sind als Mikrorohre, können hohe Dichten dennoch die Epitaxiequalität und die Geräteleistung beeinträchtigen.

Versetzungen der Basalebene

Basalebenenversetzungen (Basal Plane Dislocations, BPDs) sind in bipolaren Geräteanwendungen wichtig, da sie unter elektrischer Belastung zur Bildung oder Ausbreitung von Stapelfehlern beitragen können.

Bei Anwendungen, die empfindlich auf bipolare Degradation reagieren, sollten die BPD-Dichte und das Umwandlungsverhalten während der Epitaxie sorgfältig bewertet werden.

Stapelfehler und polytypische Einschlüsse

Stapelfehler sind Unterbrechungen in der normalen Stapelfolge des SiC-Kristalls. Polytype Einschlüsse sind Bereiche, in denen eine unbeabsichtigte SiC-Kristallstruktur vorhanden ist.

Beide Defekte können die Epitaxie beeinträchtigen und die elektrische Leistung beeinträchtigen.

Zu den gängigen Methoden zur Fehlerprüfung gehören:

• Photolumineszenzkartierung
• Röntgentopographie
• Optische Mikroskopie
• Laserstreuprüfung
• Raman-Spektroskopie
• Ätzung mit geschmolzenem KOH

Einige Methoden sind zerstörungsfrei, während chemisches Ätzen destruktiv ist. Käufer sollten bestätigen, welche Inspektionsmethode verwendet wurde und ob das gemeldete Ergebnis den gesamten Wafer oder nur die beprobten Bereiche betrifft.

4. Waferdurchmesser und -dicke messen

Der Durchmesser und die Dicke des Wafers bestimmen, ob das Substrat mit Verarbeitungs-, Handhabungs-, Polier- und Epitaxiegeräten kompatibel ist.

Zu den wichtigsten Dimensionselementen gehören:

• Nenndurchmesser
• Durchmessertoleranz
• Nenndicke
• Dickentoleranz
• Kantenprofil
• Kerb- oder Flachabmessungen

Die Anforderungen an die Dicke können je nach Waferdurchmesser und Verwendungszweck variieren. Für einen bestimmten Geräteprozess ist möglicherweise ein dünnerer Wafer erforderlich, während ein dickeres Substrat möglicherweise eine bessere mechanische Stabilität bei Forschungs- oder Gerätetests bietet.

Bei Wafern mit individueller Dicke sollten Käufer auch abwägen, ob zusätzliches Schleifen oder Polieren zu stärkeren Krümmungen, Verwerfungen oder Schäden an der Oberfläche führen kann.

5. Bewerten Sie die Gesamtdickenschwankung

Die Gesamtdickenschwankung, allgemein als TTV abgekürzt, ist die Differenz zwischen der maximal und minimal gemessenen Dicke über den Wafer innerhalb eines definierten Messbereichs.

Ein niedriger TTV ist wichtig, da übermäßige Dickenschwankungen folgende Auswirkungen haben können:

• Schwerpunkt Lithographie
• Wafereinspannen
• Gleichmäßiges Schleifen und Verdünnen
• Bedingungen des epitaktischen Prozesses
• Kontrolle der Geräteschichtdicke
• Wafer-Bonding

TTV-Werte können durch die Messmethode, die Anzahl der Messpunkte und den Kantenausschlussbereich beeinflusst werden. Daher sollte eine Spezifikation nicht nur einen maximalen TTV-Wert angeben. Es sollte auch die vereinbarten Messbedingungen angeben.

6. Überprüfen Sie Bogen und Kette

Bogen und Warp beschreiben die Form eines freien, nicht eingespannten Wafers, sind aber nicht dasselbe Maß.

Bogenbeschreibt im Allgemeinen die Abweichung der mittleren Oberfläche des Wafers von einer Referenzebene.

Kettestellt die Gesamtdifferenz zwischen dem höchsten und dem niedrigsten Punkt der Mittelfläche relativ zu einer Referenzebene dar.

Übermäßige Krümmung oder Krümmung kann zu Problemen führen bei:

• Automatisiertes Wafer-Handling
• Vakuumspannen
• Lithografie
• Epitaktisches Wachstum
• Wafer-Bonding
• Schleifen und Polieren
• Filmabscheidung

Größere und dünnere SiC-Wafer reagieren möglicherweise empfindlicher auf geometrische Verformungen. Käufer sollten beim Vergleich von Daten verschiedener Lieferanten die Messmethode, den Kantenausschluss und die Bedingungen für die Waferunterstützung festlegen.

7. Überprüfen Sie die Oberflächenrauheit

Eine für die Epitaxie geeignete SiC-Oberfläche muss extrem glatt und frei von nennenswerten Polierschäden sein.

Die Rasterkraftmikroskopie (AFM) wird üblicherweise zur Messung der quadratischen Mittelrauheit einer Oberfläche verwendet. Der gemeldete Wert hängt jedoch stark vom Scanbereich, den Geräteeinstellungen und dem Messort ab.

Ein Rauheitsergebnis sollte daher Folgendes umfassen:

• RMS- oder Ra-Wert
• AFM-Scangröße
• Anzahl der getesteten Standorte
• Messfläche
• Kantenausschlussbedingung

Ein einzelner Rauheitswert ohne Scangröße oder Stichprobenplan ist schwer zu vergleichen.

Bei Wafern, die für die Epitaxie bestimmt sind, sollte die Oberflächenqualität auch auf polierbedingte Defekte wie Kratzer, Vertiefungen, verbleibende Schäden unter der Oberfläche und Stufenbündelung untersucht werden.

8. Untersuchen Sie Kratzer, Vertiefungen und Oberflächenfehler

Ein Wafer sieht mit bloßem Auge möglicherweise sauber aus, enthält aber dennoch Defekte, die das Epitaxiewachstum oder die Geräteherstellung beeinträchtigen.

Zu den häufigsten Oberflächenfehlern gehören:

• Kratzer
• Gruben
• Dellen
• Flecken
• Dunst
• Partikel
• Randchips
• Polierspuren
• Orangenschalentextur
• Unterirdischer Schaden

Die Inspektion kann mithilfe von Hellfeldmikroskopie, Dunkelfeldmikroskopie, Laserstreusystemen und automatisierten Oberflächenscannern durchgeführt werden.

Die Akzeptanzkriterien sollten die minimal erkennbare Fehlergröße, die zulässige Fehleranzahl und den Kantenausschlussbereich definieren. Beschreibungen wie „spiegelpoliert“ oder „kratzfrei“ reichen nicht aus, wenn sie nicht durch messbare Standards ergänzt werden.

9. Bestätigen Sie Si-Face, C-Face und Oberflächenbeschaffenheit

SiC-Wafer haben zwei polare Oberflächen: die Silizium-terminierte Seite und die Kohlenstoff-terminierte Seite. Diese Oberflächen verhalten sich beim Oxidation, Ätzen, Polieren oder Epitaxie nicht gleich.

Der Lieferant sollte Folgendes angeben:

• Welche Seite ist das Si-Gesicht?
• Welche Seite ist die C-Fläche?
• Welche Seite ist epi-ready?
• Ob der Wafer einseitig oder beidseitig poliert ist
• Rauheit oder Oberflächenbeschaffenheit der Rückseite
• Identifizierungsmethode auf der Vorderseite

Eine falsche Gesichtserkennung kann zu Prozessfehlern führen, insbesondere beim epitaktischen Wachstum oder bei der Oberflächenforschung.

Bei einseitig polierten Wafern sollte der Käufer außerdem bestätigen, ob die Rückseite feingeschliffen, geätzt, geläppt oder poliert ist.

10. Bewerten Sie den spezifischen Widerstand und die Gleichmäßigkeit der Dotierung

Die elektrische Leistung ist ein weiterer wesentlicher Bestandteil der Qualität von SiC-Wafern.

Leitfähige SiC-Wafer vom N-Typ sind üblicherweise mit Stickstoff dotiert. Für spezielle Anwendungen sind auch andere Dotierungsarten und halbisolierende Qualitäten erhältlich.

Wichtige elektrische Parameter können sein:

• Leitfähigkeitstyp
• Dotierstoff
• Widerstandsbereich
• Gleichmäßigkeit des spezifischen Widerstands
• Trägerkonzentration
• Trägermobilität
• Radiale und axiale Gleichmäßigkeit

Je nach Wafertyp und Widerstandsbereich können Vierpunkt-Sondentests, berührungslose Widerstandsmessungen, Wirbelstromkartierungen und Hall-Effekt-Messungen eingesetzt werden.

Ein durchschnittlicher Widerstandswert allein reicht möglicherweise nicht aus. Für die Geräteherstellung können die Abweichungen von der Wafermitte bis zum Rand und von Wafer zu Wafer innerhalb derselben Charge gleichermaßen wichtig sein.

Bei halbisolierenden SiC-Wafern muss die Messmethode für hochohmiges Material geeignet sein. Der Lieferant sollte die Prüftemperatur, den Messbereich und die Abnahmekriterien angeben.

11. Überprüfen Sie die Oberflächenverunreinigung und den Partikelgehalt

Metallische Verunreinigungen, organische Rückstände und Partikel können die Epitaxie- und Geräteausbeute verringern, selbst wenn der Wafer seine geometrischen Spezifikationen erfüllt.

Zu den möglichen Inspektionstechniken gehören:

• Automatisiertes Partikelscannen
• Totalreflexions-Röntgenfluoreszenz
• Röntgenphotoelektronenspektroskopie
• Sekundärionen-Massenspektrometrie
• Oberflächenionen- oder chemische Analyse

Nicht jede Bestellung erfordert eine erweiterte Kontaminationsprüfung. Käufer sollten jedoch zumindest den Wafer-Reinigungsprozess, die endgültige Verpackungsumgebung und den maximal zulässigen Partikelgehalt überprüfen, wenn das Material für die Herstellung empfindlicher Halbleiter vorgesehen ist.

12. Überprüfen Sie die Waferkante, die Ebene oder die Kerbe

Die Waferkante beeinflusst die mechanische Festigkeit und die automatisierte Handhabung.

Untersuchen Sie die Kante auf Folgendes:

• Chips
• Risse
• Abschrägungsfehler
• Unebene Kantenprofile
• Falsche Kerb- oder Flachmaße
• Falsche Ausrichtungsmarkierungsposition

Bei der Hochtemperaturverarbeitung, beim Schleifen oder beim Wafertransport können kleine Kantenfehler entstehen. Aus diesem Grund sollte die Kanteninspektion insbesondere bei dünnen Wafern oder Wafern mit großem Durchmesser in die Eingangsqualitätskontrolle einbezogen werden.

Die Position und Abmessungen der primären Abflachung oder Kerbe sollten auch mit den Anforderungen der Verarbeitungsausrüstung und der kristallografischen Ausrichtung übereinstimmen.

13. Überprüfen Sie die Waferkarte, das COA und die Chargenrückverfolgbarkeit

Ein vollständiges Analysezertifikat sollte die Inspektionsergebnisse eindeutig mit dem gelieferten Wafer oder der Produktionscharge verknüpfen.

Zu den nützlichen Unterlagen können je nach Auftrag gehören:

• Eindeutige Wafer-Identifikationsnummer
• Los- und Kristallkugelnummer
• Polytypie und Orientierung
• Durchmesser und Dicke
• TTV, Bogen und Kette
• Oberflächenrauheit
• Leitfähigkeitstyp und spezifischer Widerstand
• Mikrorohr- oder Versetzungsdaten
• Ergebnisse von Oberflächendefekten
• Datum und Methode der Inspektion
• Defekt- oder Widerstandskarten auf Waferebene
• Verpackungs- und Reinigungsinformationen

Ein Durchschnittswert auf Chargenebene kann nicht immer lokale Defekte oder Wafer-zu-Wafer-Variationen aufdecken. Fordern Sie für kritische Anwendungen einzelne Waferdaten oder Waferkarten an, anstatt sich nur auf ein allgemeines Chargenzertifikat zu verlassen.

Die Rückverfolgbarkeit ist auch wichtig, wenn Epitaxieergebnisse verglichen, Prozessprobleme identifiziert oder die langfristige Lieferantenkonsistenz bewertet werden sollen.

Die Substratinspektion unterscheidet sich von der epitaxialen Waferinspektion

Ein nacktes SiC-Substrat und ein epitaktischer SiC-Wafer erfordern unterschiedliche Inspektionspläne.

Zusätzlich zu den Substratparametern kann für einen epitaktischen Wafer eine Bewertung folgender Aspekte erforderlich sein:

• Dicke der Epitaxieschicht
• Gleichmäßige Dicke
• Dopingkonzentration
• Einheitlichkeit beim Doping
• Oberflächenmorphologie
• Dichte epitaktischer Defekte
• Lebensdauer des Trägers
• Stufenbündelung
• Dreieckige Mängel
• Untergangspartikel
• Konvertierung der Basalebenenversetzung

Käufer sollten klar angeben, ob sie ein poliertes Substrat, ein Epi-Ready-Substrat oder einen Wafer mit Epitaxieschicht benötigen.

So führen Sie eine Eingangskontrolle durch

Ein praktischer Eingangskontrollprozess kann in vier Schritte unterteilt werden.

Schritt 1: Dokumentation überprüfen

Bestätigen Sie, dass sich die Wafer-Identifikation, die Bestellung, das Verpackungsetikett und das Echtheitszertifikat auf denselben Wafer oder dasselbe Los beziehen.

Schritt 2: Führen Sie eine Sicht- und Maßprüfung durch

Überprüfen Sie Durchmesser, Dicke, Kantenzustand, Oberflächenidentifizierung und sichtbare Kratzer, Partikel oder Absplitterungen.

Schritt 3: Kritische Parameter messen

Messen Sie die Eigenschaften, die für den Prozess am relevantesten sind, wie z. B. TTV, Krümmung, Krümmung, Rauheit oder spezifischer Widerstand.

Schritt 4: Vergleichen Sie die Ergebnisse mit Waferkarten und der Prozessleistung

Korrelieren Sie für den Produktionseinsatz eingehende Inspektionsdaten mit epitaktischen Defekten, der Fertigungsausbeute und der endgültigen Geräteleistung. Dadurch lässt sich ermitteln, welche Substratparameter den größten Einfluss auf den tatsächlichen Prozess haben.

Checkliste für SiC-Wafer-RFQs

Bevor Sie ein Angebot anfordern, geben Sie bitte die folgenden Informationen an:

• Anwendung oder vorgesehener Prozess
• SiC-Polytyp: 4H-SiC, 6H-SiC oder ein anderer Typ
• Waferdurchmesser
• Kristallorientierung
• Außeraxialer Winkel und Richtung
• Si-Face- oder C-Face-Anforderung
• Leitfähige oder halbisolierende Qualität
• Leitfähigkeitstyp und Dotierstoff
• Widerstandsbereich und Gleichmäßigkeit
• Nenndicke und Toleranz
• Maximaler TTV, Bogen und Kette
• Einseitiges oder beidseitiges Polieren
• Anforderung an die Oberflächenrauheit
• Zulässige Kristall- und Oberflächenfehlergrade
• Kanten-, Flach- oder Kerbanforderungen
• Reinigungs- und Verpackungsanforderungen
• COA-, Wafer-Karte- und Rückverfolgbarkeitsanforderungen
• Benötigte Menge

Die Bereitstellung einer vollständigen Spezifikation verkürzt die technische Klärungszeit und hilft dem Lieferanten bei der Auswahl der richtigen Wafersorte.

Häufig gestellte Fragen

Was ist der wichtigste Qualitätsparameter für SiC-Wafer?

Es gibt keinen einzigen, für jede Anwendung wichtigsten Parameter. Kristallfehler, Oberflächenzustand, Geometrie und Widerstand müssen gemeinsam berücksichtigt werden. Bei der Epitaxie sind der Achsversatzwinkel, die Oberflächenrauheit, Schäden unter der Oberfläche und Kristalldefekte oft besonders wichtig.

Ist ein niedrigerer TTV immer besser?

Ein niedrigerer TTV verbessert im Allgemeinen die Prozesseinheitlichkeit, strengere Spezifikationen können jedoch die Herstellungskosten erhöhen. Der richtige Grenzwert sollte auf der Ausrüstung, dem Lithographieprozess, der Bindungsmethode und den endgültigen Geräteanforderungen basieren.

Kann die visuelle Inspektion alle SiC-Wafer-Defekte erkennen?

Nein. Eine visuelle Inspektion kann zwar Kratzer, Absplitterungen, Flecken und große Oberflächendefekte erkennen, sie kann jedoch nicht alle unterirdischen oder kristallografischen Defekte aufdecken. Möglicherweise sind PL-Mapping, Röntgentopographie, AFM und andere Analysemethoden erforderlich.

Warum ist die AFM-Scangröße wichtig?

Die Oberflächenrauheit kann unterschiedlich aussehen, wenn sie in verschiedenen Scanbereichen gemessen wird. Ein AFM-Ergebnis sollte immer die Scangröße, den Messort und die Anzahl der abgetasteten Punkte enthalten.

Was ist der Unterschied zwischen SiC-Wafern in Forschungs- und Gerätequalität?

Wafer in Forschungsqualität können größere Toleranzen oder höhere zulässige Fehlergrade aufweisen. Gerätetaugliche oder Epi-Ready-Wafer erfordern im Allgemeinen eine strengere Kontrolle von Kristalldefekten, Oberflächenzustand, Geometrie, spezifischem Widerstand und Rückverfolgbarkeit.

Sollten Käufer eine Inspektionskarte auf Waferebene anfordern?

Eine Karte auf Waferebene wird für Anwendungen empfohlen, bei denen die Defektposition, die Gleichmäßigkeit des spezifischen Widerstands oder lokale Oberflächenbedingungen die Geräteausbeute beeinträchtigen können. Es liefert nützlichere Informationen als ein einzelner Losdurchschnittswert.

Abschluss

Die Beurteilung der Qualität von SiC-Wafern erfordert mehr als die Prüfung von Durchmesser, Dicke und optischem Erscheinungsbild. Kristallstruktur, Versetzungsdichte, TTV, Krümmung, Verformung, Oberflächenrauheit, spezifischer Widerstand, Kontamination und Rückverfolgbarkeit können alle das epitaktische Wachstum und die Geräteausbeute beeinflussen.

Der erste Schritt besteht darin, die beabsichtigte Anwendung des Wafers zu definieren. Käufer können dann messbare Akzeptanzkriterien festlegen und Prüfergebnisse auf der Grundlage der Parameter anfordern, die sich direkt auf ihren Prozess auswirken.

Geben Sie bei der Angebotsanfrage Polytyp, Durchmesser, Ausrichtung, Leitfähigkeit, Dicke, geometrische Toleranzen, Oberflächenanforderungen und Dokumentationsanforderungen an. Eine detaillierte Angebotsanfrage erleichtert den genauen Vergleich von Wafern und vermeidet den Erhalt von Material, das einer allgemeinen Beschreibung entspricht, aber nicht zur tatsächlichen Anwendung passt.