Beim Kauf eines Siliziumkarbid-Wafers für epitaktisches Wachstum reicht es nicht aus, nur den Waferdurchmesser, den Polytyp und den Dotierungstyp anzugeben. Der Off-Axis-Winkel des Wafers, auch Miscut-Winkel genannt, kann das Step-Flow-Wachstum, die Polytypstabilität, die Oberflächenmorphologie, die Ausbreitung von Defekten und die endgültige Ausbeute der Bauteile erheblich beeinflussen.

Für 4H-SiC-Wafer werden drei gängige Orientierungen diskutiert:

• 0° oder nominal On-Axis
• 4° Off-Axis
• 8° Off-Axis

Diese Winkel sind nicht austauschbar. Ein 0°-Wafer ist nicht automatisch genauer, während ein 8°-Wafer nicht automatisch besser für die Epitaxie ist. Jeder Winkel erzeugt eine andere Oberflächenstufenstruktur und muss auf den Epitaxieprozess und die Bauteilanwendung abgestimmt werden.

Diese Anleitung erklärt, wie sich 0°-, 4°- und 8°-SiC-Wafer-Miscut-Winkel auf die Epitaxie auswirken und bietet eine RFQ-Checkliste für die Auswahl des richtigen Substrats.

Was ist der Off-Axis-Winkel eines SiC-Wafers?

Ein SiC-Kristall hat definierte kristallographische Ebenen und Richtungen. Bei einem Standard-C-Ebene-4H-SiC-Wafer ist die nominale Oberfläche senkrecht zur c-Achse des Kristalls, dargestellt durch die (0001)-Ebene.

Ein On-Axis-Wafer wird ungefähr parallel zu dieser Basalebene geschnitten.

Ein Off-Axis-Wafer wird absichtlich in einem kleinen Winkel von der exakten Basalebene geschnitten, normalerweise in Richtung einer bestimmten kristallographischen Richtung, wie z.B.:

4° in Richtung ⟨11-20⟩

Die absichtliche Neigung erzeugt eine Oberfläche mit atomaren Terrassen, die durch Stufen getrennt sind. Diese Stufen bieten bevorzugte Stellen für Atome, die während des epitaktischen Wachstums ankommen.

Die Off-Axis-Spezifikation umfasst daher zwei separate Punkte:

1. Off-Axis-Winkel
2. Off-Axis-Richtung

Eine Spezifikation, die nur “4° Off-Axis” angibt, ist unvollständig, wenn die kristallographische Richtung und die Winkelzulässigkeit nicht enthalten sind.

Warum SiC-Epitaxie eine absichtliche Fehlstellung verwendet

Siliziumkarbid existiert in vielen Kristallstrukturen, die als Polytypen bezeichnet werden. Gängige Beispiele sind 3C-SiC, 4H-SiC und 6H-SiC.

Während des Homoepitaxie-Wachstums ist das Ziel normalerweise, den Polytyp des Substrats zu reproduzieren. Zum Beispiel sollte ein 4H-SiC-Substrat eine 4H-SiC-Epitaxierschicht erzeugen.

Die atomaren Stufen auf einer Off-Axis-Oberfläche helfen den ankommenden Silizium- und Kohlenstoffspezies, der Stapelreihenfolge des darunter liegenden Kristalls zu folgen. Dieser Mechanismus wird als Step-Controlled Epitaxy oder Step-Flow Growth bezeichnet.

Veröffentlichte Forschung bestätigt, dass 4H-SiC-Epitaxie häufig 4° Off-Angle-Substrate verwendet, um das Step-Flow-Wachstum zu verbessern und die Polytypstabilität aufrechtzuerhalten. Materialforschung zur Bildung von 3C-Einschlüssen

Die allgemeine Beziehung ist:

• Kleinerer Miscut-Winkel: breitere Terrassen und geringere Stufendichte
• Größerer Miscut-Winkel: schmalere Terrassen und höhere Stufendichte

Die Erhöhung der Stufendichte verändert jedoch auch die Stufenballung, die Oberflächenrauheit, das Defektverhalten und die Materialausnutzung.

0° On-Axis SiC-Wafer

Oberflächenmerkmale

Ein nominal On-Axis SiC-Wafer hat eine Oberfläche nahe der exakten (0001)-Basalebene. Seine Terrassen sind breiter und seine natürliche Stufendichte ist geringer als die von 4°- oder 8°-Wafern.

“On-Axis” bedeutet nicht immer exakt 0,000°. Reale Wafer können immer noch eine kleine Restfehlausrichtung aufweisen, die durch Kristallkrümmung, Schnittgenauigkeit, Waferverzug und Polieren verursacht wird.

Daher sollte eine RFQ eine Winkelzulässigkeit angeben, wie z.B.:

On-Axis (0001) ±0,5°

Für anspruchsvolle Forschung kann eine engere Toleranz oder eine Vollwafer-Orientierungskarte erforderlich sein.

Vorteile von 0°-Wafern

Mögliche Vorteile sind:

• Bessere Ausnutzung des Boule-Materials
• Weniger Kristallmaterialverlust durch winkligen Schnitt
• Eignung für semi-isolierende RF-Substrate
• Eignung für ausgewählte GaN-on-SiC-Prozesse
• Reduzierte Replikation bestimmter Basalebenen-Versetzungen unter spezifischen Wachstumsbedingungen
• Verfügbarkeit für die Forschung zu Homoepitaxie mit geringer Off-Axis- oder On-Axis-Ausrichtung

Herausforderungen der 0°-Homoepitaxie

Bei weniger Oberflächenstufen haben Atome weniger bevorzugte Einbauorte an den Stufenkanten. Zweidimensionale Keimbildung kann wahrscheinlicher werden, wenn der Prozess nicht sorgfältig kontrolliert wird.

Für 4H-SiC-Homoepitaxie kann dies zu Folgendem führen:

• 3C-SiC-Einschlüsse
• Polytypinstabilität
• Dreieckige Defekte
• Oberflächeninseln
• Nicht-uniforme Stufenbildung
• Reduzierte nutzbare Bauteilfläche

Forschung an nominal On-Axis Si-Face 4H-SiC zeigte, dass hochwertige Homoepitaxie möglich ist, aber die Kontrolle von 3C-SiC-Einschlüssen eine wichtige Prozessherausforderung bleibt. Studie zur On-Axis 4H-SiC-Epitaxie

Modernes Reaktordesign, In-situ-Ätzen, Temperaturkontrolle, Vorläuferrampen und Optimierung des C/Si-Verhältnisses können das On-Axis-Wachstum verbessern. Dennoch kann ein für 4°-Wafer entwickelter Epitaxierezept nicht einfach ohne Prozessentwicklung auf 0°-Wafer übertragen werden.

Typische Anwendungen

On-Axis 4H-SiC-Wafer können ausgewählt werden für:

• Hochreine semi-isolierende SiC-Substrate
• GaN-on-SiC RF-Epitaxie
• Substrate für Mikrowellen- und Radargeräte
• Optische und Forschungsanwendungen
• Alternative Homoepitaxie-Wachstumsprozesse
• Forschung zu Basalebenen-Versetzungen
• Kundenspezifische nicht-standardmäßige Epitaxiestrukturen

Der richtige Winkel für GaN-on-SiC sollte mit dem GaN-Epitaxieanbieter bestätigt werden, da AlN-Keimbildung, Polarität und Reaktionsbedingungen die bevorzugte Fehlstellung ändern können.

4° Off-Axis SiC-Wafer

Warum 4° eine gängige Wahl geworden ist

Ein 4° Off-Axis 4H-SiC-Wafer bietet ein praktisches Gleichgewicht zwischen Stufendichte, Stabilität des Epitaxieprozesses und Kosten der Substratherstellung.

Die Oberfläche enthält genügend Stufen, um das Step-Flow-Wachstum zu unterstützen, während einige der Nachteile bei der Materialausnutzung vermieden werden, die mit einem größeren 8°-Schnitt verbunden sind.

Eine gängige Spezifikation für leitfähige 4H-SiC-Leistungshalbleiter-Substrate ist:

4° in Richtung ⟨11-20⟩ ±0,5°

Die genaue Richtung und Toleranz sollte für jeden Prozess noch bestätigt werden.

Vorteile von 4°-Wafern

Ein richtig vorbereitetes 4°-Substrat kann Folgendes bieten:

• Stabile Replikation des 4H-Polytyps
• Zuverlässige Step-Flow-Epitaxie
• Kompatibilität mit etablierten Leistungshalbleiter-Prozessen
• Gute Kontrolle von Epitaxiedicke und Dotierung
• Geringerer Materialverlust als bei einem 8°-Offcut
• Breite Verfügbarkeit für N-Typ 4H-SiC
• Kompatibilität mit der Produktion von SiC-MOSFETs und Schottky-Dioden

Forschung hat Schichten mit hoher Wachstumsrate und dicken 4H-SiC-Epitaxierschichten mit kontrollierter Morphologie auf 4° Off-Axis-Substraten gezeigt, wenn Temperatur, Oberflächenchemie, C/Si-Verhältnis und Vorätzungen optimiert wurden. 

Mögliche Defekte auf 4°-Wafern

Ein 4°-Off-Axis-Winkel eliminiert keine Epitaxiedefekte. Mögliche Probleme sind:

• Stufenballung
• Dreieckige Defekte
• Karotten-Defekte
• Basalebenen-Versetzungen
• Durchdringende Kanten- oder Schraubenversetzungen
• Oberflächenkratzer, die in die Epitaxierschicht übertragen werden
• Lokale Polytypeinschlüsse
• Randbedingte Dicken-Nicht-Uniformität

Die endgültige Defektdichte hängt sowohl vom Substrat als auch vom Wachstumsprozess ab. Oberflächenvorbereitung, Wasserstoffätzen, Wachstumsrate, Druck, Temperatur und Vorläuferverhältnis beeinflussen alle das Ergebnis.

Typische Anwendungen

Ein 4° Off-Axis 4H-N SiC-Wafer wird üblicherweise in Betracht gezogen für:

• SiC-MOSFETs
• Schottky-Barriere-Dioden
• Junction-Barrier-Schottky-Dioden
• PiN-Dioden
• Hochspannungs-Leistungshalbleiter
• Elektrofahrzeug-Wechselrichter
• On-Board-Ladegeräte
• Industrielle Stromversorgungen
• Umwandler für erneuerbare Energien
• Dicke SiC-Epitaxierschichten

Für die meisten Standard-Leistungshalbleiterprojekte mit leitfähigem 4H-SiC ist 4° die erste Orientierung, die Käufer bewerten sollten.

8° Off-Axis SiC-Wafer

Oberflächenmerkmale

Ein 8° Off-Axis-Wafer hat ungefähr die doppelte nominale Neigung eines 4°-Wafers. Er weist daher eine höhere Dichte von Oberflächenstufen und schmalere Terrassen auf.

Historisch gesehen wurden 8° Off-Axis-Substrate weit verbreitet eingesetzt, um starke Step-Flow-Bedingungen und eine zuverlässige Polytyp-Replikation zu gewährleisten.

Vorteile von 8°-Wafern

Mögliche Vorteile sind:

• Hohe Oberflächenstufendichte
• Starkes Step-Flow-Wachstum
• Reduziertes Risiko unerwünschter zweidimensionaler Keimbildung
• Gute Polytyp-Replikation unter kompatiblen Wachstumsbedingungen
• Kompatibilität mit älteren Epitaxieprozessen, die um 8°-Substrate herum entwickelt wurden
• Eignung für spezialisierte Forschung oder kundenspezifische Bauteilstrukturen

Einschränkungen von 8°-Wafern

Ein größerer Off-Axis-Winkel kann kommerzielle und prozesstechnische Nachteile mit sich bringen:

• Größerer Verlust an Boule-Material beim winkligen Schnitt
• Höhere Kosten für die Substratherstellung
• Anspruchsvollere Winkel- und Richtungssteuerung
• Erhöhte Empfindlichkeit gegenüber Stufenballung
• Mögliche Unterschiede in der Oberflächenmorphologie
• Geringere Austauschbarkeit mit modernen 4°-Epitaxierezepten
• Geringere Standardverfügbarkeit bei einigen Lieferanten

Der größere Schnittwinkel bedeutet, dass weniger Wafer aus einer gegebenen Kristallboule gewonnen werden können. Dieser Nachteil wird bei zunehmendem Waferdurchmesser wichtiger.

Forschung, die Off-Axis-Ansätze vergleicht, hat 4°-Substrate als kostensparende Alternative zu 8°-Substraten identifiziert, während ein effektives Step-Flow-Wachstum beibehalten wird.

Typische Anwendungen

Ein 8° Off-Axis SiC-Wafer kann geeignet sein für:

• Bestehende Epitaxiereaktoren, die für 8°-Material qualifiziert sind
• Produktion älterer Bauteile
• Spezialisierte dicke Epitaxiestrukturen
• Forschung zu Step-Flow und Polytypen
• Kundenspezifische 4H-SiC- oder 6H-SiC-Epitaxie
• Prozesse, bei denen eine höhere Stufendichte spezifisch erforderlich ist

Ein Käufer sollte nicht nur zur Kostenreduzierung von 8° auf 4° wechseln, ohne zuerst den Epitaxieprozess zu qualifizieren.

Vergleich von 0° vs. 4° vs. 8° SiC-Wafern

Die Tabelle bietet allgemeine Auswahlhinweise. Die tatsächliche Leistung hängt vom Polytyp, der Flächenpolarität, der Wachstumsmethode, der Wafergröße und dem Epitaxierezept ab.

Wie der Miscut-Winkel die Bauteilausbeute beeinflusst

1. Polytypeinschlüsse

Unerwünschte 3C-SiC-Einschlüsse können elektrisch defekte Bereiche erzeugen und die nutzbare Die-Fläche reduzieren.

Das On-Axis-Wachstum ist besonders empfindlich gegenüber der Polytyp-Keimbildung, während 4°- und 8°-Oberflächen mehr Stufen für die Aufrechterhaltung der 4H-Stapelreihenfolge bieten.

2. Oberflächenmorphologie

Eine glatte Epitaxieroberfläche ist unerlässlich für die Photolithographie, die Gate-Oxidbildung und die Bauteiluniformität.

Falsch abgestimmte Offcut- und Wachstumsbedingungen können Folgendes erzeugen:

• Stufenballungen
• Dreieckige Defekte
• Oberflächengruben
• Hügel
• Raue Terrassen
• Lokale Dickenvariation

3. Basalebenen-Versetzungen

Basalebenen-Versetzungen sind wichtig für bipolare SiC-Bauteile, da sie zur Stapelfehlererweiterung und zur Verschlechterung der Vorwärtsspannung beitragen können.

Das Off-Axis-Wachstum kann BPDs vom Substrat in die Epitaxierschicht replizieren. Moderne Prozesse versuchen, BPDs in weniger schädliche durchdringende Kantenversetzungen umzuwandeln oder ihre Ausbreitung zu verhindern.

4. Epitaxiedotierungs-Uniformität

Die Stufendichte beeinflusst, wie Stickstoff und andere Dotierstoffe während des Wachstums eingebaut werden. Eine Änderung des Off-Axis-Winkels kann daher Anpassungen des Gasflusses, der Temperatur und des C/Si-Verhältnisses erfordern, um die Zieldotierung aufrechtzuerhalten.

5. Wafer-Level-Uniformität

Der tatsächliche Off-Angle kann aufgrund der Kristallflächenkrümmung und der Wafergeometrie vom Zentrum zum Rand variieren. Dies kann lokale Änderungen der Stufenstruktur über den Wafer hinweg verursachen.

Für größere Wafer oder anspruchsvolle Produktion können Käufer anfordern:

• Vollwafer-Off-Angle-Mapping
• Messungen von Zentrum und Rand
• Mapping der Offcut-Richtung
• Röntgen-Orientierungsberichte
• Daten zu Wafer-Bow und -Warp

6. Substrat-Kosten und Die-Ökonomie

Ein größerer Off-Axis-Winkel kann bestimmte Epitaxiebedingungen verbessern, aber die Anzahl der Substrate reduzieren, die aus einer Boule geschnitten werden können.

Das Epitaxieergebnis mit den geringsten Defekten führt nicht unbedingt zu den niedrigsten Gesamtkosten für das Bauteil. Käufer müssen berücksichtigen:

• Substratpreis
• Epitaxie-Ausbeute
• Nutzbare Fläche
• Bauteilausbeute
• Zuverlässigkeit
• Kosten für Prozessqualifizierung

Si-Face vs. C-Face: Eine weitere kritische Spezifikation

Der Off-Axis-Winkel darf nicht getrennt von der Waferpolarität bewertet werden.

Ein SiC-Wafer kann auf folgender Seite verarbeitet werden:

• Si-Face: (0001)
• C-Face: (000-1)

Die meisten kommerziellen 4H-SiC-Leistungshalbleiter-Epitaxien verwenden die Si-Face. C-Face-Material kann für spezialisierte Epitaxie, Forschung, Graphenbildung oder Prozesse, die eine andere Oberflächenchemie erfordern, verwendet werden.

Si-Face- und C-Face-Oberflächen können sich unterschiedlich verhalten während:

• Wasserstoffätzen
• Stufenbildung
• Dotierstoffeinbau
• Oxidation
• Polytyp-Keimbildung
• Oberflächenrekonstruktion

Eine RFQ sollte daher sowohl die Fläche als auch die Off-Axis-Spezifikation angeben.

Anwendungsbasierte Auswahlhilfe

4H-SiC MOSFET oder Schottky-Diode

Empfohlener Startpunkt:

• 4H-N leitfähiges SiC
• Si-Face
• 4° in Richtung ⟨11-20⟩
• Epi-ready CMP-Oberfläche

GaN-on-SiC RF-Bauteil

Empfohlener Startpunkt:

• Hochreines semi-isolierendes 4H-SiC
• On-Axis oder geringe Miscut-Orientierung
• Orientierung mit dem GaN-Epitaxieanbieter bestätigt
• Strikte Kontrolle von Widerstand und Oberflächenfehlern

Bestehende 8°-Epitaxieprozesse

Empfohlener Startpunkt:

• Beibehaltung des qualifizierten 8°-Winkels und der Richtung
• Vergleich von 4°-Material nur durch eine kontrollierte Qualifizierungscharge
• Anpassung des Epitaxierezepts vor der Produktionsumstellung

Forschung zur On-Axis 4H-SiC-Homoepitaxie

Empfohlener Startpunkt:

• Nominal 0° Si-Face oder C-Face
• Strikte Vollwafer-Orientierungskontrolle
• Dedizierte Oberflächenvorbereitung
• Optimierte Keimbildung und Vorläuferrampen
• Detaillierte 3C-Einschluss-Kartierung

Checkliste für SiC-Wafer Off-Axis RFQ

Beispiel RFQ für einen 4H-N Power-Device SiC-Wafer

Anwendung: SiC-MOSFET-Epitaxie
Material: 4H-SiC
Leitfähigkeit: N-Typ
Durchmesser: 150 mm
Orientierung: 4° Off-Axis in Richtung ⟨11-20⟩
Winkel-Toleranz: ±0,5°
Oberfläche: Si-Face CMP, Epi-ready
Rückseite: C-Face optisch poliert
Dicke: Gemäß den Anforderungen der Gerätefertigung
Widerstand: Definierter Produktionsbereich
TTV: Vom Käufer definierter Maximalwert
Bow/Warp: Vom Käufer definierter Maximalwert
Oberflächenrauheit: Ra unterhalb des vereinbarten CMP-Limits
Defekte: MPD, BPD, TSD und Kantenfehlergrenzen erforderlich
Inspektion: Röntgen-Orientierung, Oberflächenscan und Geometriebericht
Menge: 5 Wafer zur Qualifizierung, gefolgt von Produktionsauftrag

Häufig gestellte Fragen

Ist 4° immer der beste Off-Axis-Winkel für 4H-SiC?

Nein. Ein 4° Off-Axis-Winkel wird häufig für leitfähige 4H-SiC-Leistungshalbleiter-Epitaxien verwendet, aber semi-isolierende RF-Substrate, ältere Prozesse und spezialisierte Forschung können 0°, 8° oder einen anderen Winkel erfordern.

Kann ein 0° SiC-Wafer für die Epitaxie verwendet werden?

Ja, aber die On-Axis-Homoepitaxie erfordert im Allgemeinen einen dedizierten Wachstumsprozess zur Kontrolle der Polytyp-Keimbildung, von 3C-SiC-Einschlüssen und der Oberflächenmorphologie.

Warum hat sich die Industrie bei vielen Leistungshalbleiteranwendungen von 8° auf 4° bewegt?

Ein 4°-Offcut bietet eine ausreichende Stufendichte für eine stabile Epitaxie und verbessert gleichzeitig die Ausnutzung der Boule und reduziert die Materialkosten im Vergleich zu einem größeren 8°-Schnitt.

Ist die Off-Axis-Richtung genauso wichtig wie der Winkel?

Ja. Zwei Wafer mit demselben 4°-Winkel, aber unterschiedlichen Offcut-Richtungen können unterschiedliche Stufenstrukturen und epitaktisches Verhalten zeigen. Geben Sie immer sowohl Winkel als auch Richtung an.

Welcher Winkel wird normalerweise für semi-isolierendes SiC verwendet?

Semi-isolierendes 4H-SiC wird häufig On-Axis für RF- und GaN-on-SiC-Anwendungen geliefert. Optionen für 4° und 8° können jedoch für kundenspezifische Epitaxieprozesse verfügbar sein.

Kann ein 4°-Wafer einen 8°-Wafer direkt ersetzen?

Nicht ohne Qualifizierung. Das Epitaxierezept erfordert möglicherweise Änderungen an Temperatur, Wachstumsrate, Druck, Vorätzen und Vorläuferverhältnissen.

Schlussfolgerung

Der Off-Axis-Winkel des SiC-Wafers ist ein funktioneller Epitaxieparameter und keine einfache Dimensions-Toleranz.

Ein 0°-Wafer bietet eine hohe Materialausnutzung und kann für semi-isolierende RF-Substrate oder spezialisierte Homoepitaxie geeignet sein, erfordert jedoch eine sorgfältige Kontrolle der Polytyp-Keimbildung.

Ein 4° Off-Axis-Wafer bietet ein starkes Gleichgewicht zwischen Step-Flow-Stabilität, Kosten und Produktionskompatibilität und ist daher eine gängige Wahl für leitfähige 4H-SiC-Leistungshalbleiter.

Ein 8° Off-Axis-Wafer bietet eine hohe Stufendichte und bleibt wertvoll für qualifizierte ältere Prozesse und spezialisiertes epitaktisches Wachstum, obwohl er die Materialkosten und die Empfindlichkeit gegenüber Stufenballung erhöhen kann.

Bevor Sie ein Angebot anfordern, sollten Käufer Folgendes bestätigen:

• Bauteilanwendung
• Polytyp und Leitfähigkeit
• Si-Face oder C-Face
• Off-Axis-Winkel und -Richtung
• Winkel-Toleranz
• Oberflächenfinish
• Geometrie- und Defektgrenzen
• Kompatibilität mit dem Epitaxieprozess

Der beste SiC-Wafer ist nicht der mit dem größten oder kleinsten Miscut-Winkel. Es ist der Wafer, dessen Orientierungs-, Oberflächen- und Defektspezifikationen mit dem beabsichtigten Epitaxieprozess übereinstimmen.

TAGS: SiC-Wafer-Off-Axis-Winkel, 4-Grad-SiC-Wafer, 8-Grad-SiC-Substrat, On-Axis-SiC-Wafer, SiC-Wafer-Miscut, 4H-SiC-Epitaxie, SiC-Substrat-Orientierung, SiC-Wafer-Lieferant