mit einer Breite von nicht mehr als 20 mmsind zu einem der wichtigsten Halbleitersubstrate für Leistungselektronik der nächsten Generation, Elektrofahrzeuge, Systeme erneuerbarer Energien und Hochfrequenzkommunikationsgeräte geworden.Verglichen mit herkömmlichen Silizium (Si) -Wafern, SiC bietet überlegene elektrische, thermische und mechanische Eigenschaften, einschließlich einer breiten Bandlücke, hoher Abbruchspannung, hoher Wärmeleitfähigkeit und ausgezeichneter chemischer Stabilität.

Diese Eigenschaften, die SiC zum idealen Halbleitermaterial machen, stellen jedoch auch bei der Waferherstellung erhebliche Herausforderungen dar.Herstellung von Verfahren wie dem Schleifen, Polieren und Oberflächenvorbereitung im Vergleich zur herkömmlichen Siliziumwaferverarbeitung wesentlich schwieriger.

Um eine hochwertige SiC-Wafer zu erhalten, ist eine präzise Kontrolle der Materialentfernung, Oberflächenrauheit, Kristallschäden, Defekte und Kontamination erforderlich.Diese Faktoren beeinflussen direkt die Leistung und Zuverlässigkeit von SiC-Geräten.

Dieser Artikel bietet einen technischen Überblick über die Herausforderungen bei der Verarbeitung von SiC-Wafer, wobei der Schwerpunkt auf Schleif-, Poliertechnologien und häufigen Oberflächenfehlern liegt.

1. Warum SiC-Wafer-Verarbeitung eine Herausforderung darstellt

Siliziumcarbid ist ein zusammengesetzter Halbleiter, der aus Silizium- und Kohlenstoffatomen besteht, die in einer starken kovalenten Kristallstruktur angeordnet sind.

Mehrere physikalische Eigenschaften erschweren die Verarbeitung von SiC:

1.1 Sehr hohe Härte

SiC hat eine Mohs-Härte von etwa 9,0 ̊9.5Das ist so nahe am Diamanten.

Dies führt zu:

• Hoher Werkzeugverschleiß beim Schleifen
• Niedrige Effizienz der Materialentfernung
• Erhöhte Verarbeitungskosten
• Schwierigkeiten bei der Erzielung von ultraglatten Oberflächen

Im Vergleich zu Silizium erfordert SiC deutlich aggressivere mechanische Verarbeitungstechniken.

1.2 Hohe Bruchbarkeit

Obwohl SiC mechanisch stark ist, ist es auch zerbrechlich.

Bei Bearbeitungsprozessen kann eine übermäßige mechanische Belastung folgende Ursachen haben:

• Oberflächenrisse
• Schäden unterhalb der Oberfläche
• Kantensplitterung
• Waferbruch

Daher ist die Steuerung der mechanischen Belastung eine der wichtigsten Herausforderungen bei der Herstellung von SiC-Wafer.

1.3 starke chemische Stabilität

SiC hat eine ausgezeichnete chemische Beständigkeit, was für Anwendungen bei hohen Temperaturen von Vorteil ist.

Es bedeutet jedoch auch:

• Herkömmliche chemische Poliermethoden sind weniger wirksam
• Weiterentwickelte Poliertechniken sind erforderlich
• Verarbeitungszeit erhöht

2. SiC-Wafer-Fertigungsprozessübersicht

Ein typischer SiC-Wafer-Produktionsprozess umfasst mehrere wichtige Schritte:

1. SiC-Kristallwachstum

SiC-Kristalle von hoher Qualität werden mit folgenden Methoden hergestellt:

• Physischer Dampftransport (PVT)
• Hochtemperaturchemische Dampfdeposition (HTCVD)

Der daraus entstehende Kristall wird SiC-Bulle genannt.

2Wafer schneiden

Die SiC-Bolle wird in dünne Wafer geschnitten, wobei:

• Sägen mit Diamantdraht
• Laserschneiden
• Fortgeschrittene Schneidtechnologien

Zu den Herausforderungen gehören:

• Materialverlust
• Schäden zu schneiden
• Oberflächenunregelmäßigkeiten

3. Schleifen

Das Schleifen entfernt Sägeverletzungen und passt die Waferdicke an.

4. Schleifen und Polieren

Diese Verfahren verbessern:

• Flachheit
• Oberflächenrauheit
• Kristallqualität

5. Inspektion und Reinigung

Bei der Abschlussinspektion werden Folgendes ausgewertet:

• Defektdichte
• Oberflächenrauheit
• Einheitlichkeit der Dicke
• Kristallfehler

3. SiC-Wafer-Schleifverfahren

3.1 Zweck des Schleifens

Nach dem Schneiden haben SiC-Wafer in der Regel:

• Große Oberflächenrauheit
• Sägezeichen
• Unterflächenrisse
• Abweichung der Dicke

Das Schleifen entfernt die beschädigten Schichten und bereitet die Wafer zum Polieren vor.

3.2 Schleifverfahren

Mechanische Schleifmaschinen

Bei dem mechanischen Schleifen werden Diamantschleifräder verwendet, um SiC-Material zu entfernen.

Zu den typischen Parametern gehören:

• Schleifdruck
• Drehzahl der Räder
• Futterrate
• Diamantpartikelgröße

Vorteile:

• Hohe Materialentfernung
• mit einer Dicke von nicht mehr als 50 mm
• Reifes Industrieverfahren

Herausforderungen:

• Erzeugt mechanische Belastungen
• Schäden unter der Oberfläche.
• Erfordert zusätzliche Polierschritte

3.3 Auswahl von Diamantschleifstoffen

Da SiC extrem hart ist, werden häufig Diamantschleifstoffe verwendet.

Die Größe des Abrasives beeinflusst:

Grobe Diamantpartikel

Vorteile:

• Höhere Entfernungsrate

Nachteile:

• Weitere Oberflächenschäden

Feine Diamantpartikel

Vorteile:

• Verbesserung der Oberflächenqualität

Nachteile:

• Niedrigere Effizienz

Die Hersteller müssen Produktivität und Oberflächenintegrität in Einklang bringen.

4. SiC Wafer Polishing Technologie

Nach dem Schleifen müssen SiC-Wafer poliert werden, um eine Halbleiterqualität zu erzielen.

Zu den Zielvoraussetzungen gehören häufig:

• Oberflächenrauheit auf Nanometerebene
• Niedrige Defektdichte
• Ausgezeichnete Flachheit
• Minimale Untergrundschäden

4.1 Mechanische Polierung

Bei der mechanischen Polierung werden Schleifstoffe verwendet, um das Oberflächenmaterial allmählich zu entfernen.

Zu den gängigen Schleifstoffen gehören:

• Diamantschlamm
• Kolloidales Kieselsäure
• Aluminiumoxidpartikel

Vorteile:

• Einfacher Prozess
• Gute Oberflächenveredelungsfähigkeit

Einschränkungen:

• Kann Kratzer verursachen
• Langsame Materialentfernung

4.2 Chemische mechanische Polierung (CMP)

CMP kombiniert mechanischen Abrieb und chemische Reaktionen.

Der Prozess verwendet:

• Chemische Schlamm
• Polstern
• Kontrollierter Druck

Chemische Reaktionen erweichen die SiC-Oberfläche und ermöglichen eine mechanische Entfernung.

Vorteile:

• Ausgezeichnete Oberflächenqualität
• Niedrige Rauheit
• mit einer Breite von mehr als 20 mm,

Herausforderungen:

• Langsame Entfernung
• Schwierige chemische Optimierung
• Hohe Prozesskosten

4.3 Plasma und fortschrittliche Poliertechnologien

Neue Ansätze werden entwickelt, um die Einschränkungen der SiC-Verarbeitung zu überwinden.

Beispiele sind:

Plasmaunterstützte Polierung

Verwendet Plasmaktivierung, um die SiC-Oberfläche vor der Entfernung zu modifizieren.

Vorteile:

• Reduzierte mechanische Schäden
• Verbesserung der Oberflächenqualität

Magnetorheologische Veredelung

Verwendet magnetisch gesteuerte Polierflüssigkeiten.

Vorteile:

• Ultrapräzise Veredelung
• geeignet für fortgeschrittene Anwendungen

5Häufige Oberflächenfehler bei SiC-Wafer

Die Oberflächenqualität beeinflusst direkt die Leistung der Halbleitervorrichtungen.

Bei der SiC-Waferverarbeitung treten häufig verschiedene Defekte auf.

5.1 Kratzer

Kratzer sind häufige Defekte, die durch:

• Abrasivpartikel
• Unzulängliche Polierungsbedingungen
• Verunreinigung

Wirkungen:

• Erhöhtes Leckstrom
• Verringerte Zuverlässigkeit des Geräts

5.2 Mikropiobe

Mikropipes sind hohle Kernfehler, die sich durch SiC-Kristalle erstrecken.

Sie entstehen während des Kristallwachstums.

Wirkung:

• Elektroausfall
• Ausfall des Geräts

Die moderne SiC-Fertigung hat die Dichte der Mikrrohre erheblich reduziert, aber ihre Kontrolle ist nach wie vor wichtig.

5.3 Ausrutsche der Basalebene (BPD)

BPDs sind Kristalldefekte, die sich auf der Basalebene befinden.

Sie können Folgendes verursachen:

• Bipolare Degradation
• Verkürzte Lebensdauer des Geräts

Die BPD-Kontrolle ist für leistungsstarke SiC-Stromgeräte von entscheidender Bedeutung.

5.4 Ausrutschungen der Gewinde

Diese Defekte erstrecken sich senkrecht durch den Kristall.

Zu den Typen gehören:

• Schraubverdrängungen (TSD)
• Ausrutsche der Gewinde (TED)

Sie können Folgendes betreffen:

• Mobilität der Träger
• Zuverlässigkeit des Geräts

5.5 Kantensplitterung

Die Splitterung der Kanten tritt hauptsächlich während

• Schneiden
• Schleifen
• Handhabung

Probleme, die verursacht werden:

• Verringerte Waferfestigkeit
• Erhöhtes Bruchrisiko
• Verpackungsprobleme

6Schlüsselparameter für die Qualität von SiC-Wafer

Oberflächenrauheit (Ra)

Oberflächenrauheit zeigt mikroskopische Oberflächenvariationen an.

Niedrigere Ra-Werte sind für

• Epitaxialer Anstieg
• Hochleistungsgeräte

Gesamtdickenvariation (TTV)

TTV steht für Dickenunterschiede auf der Wafer.

Niedriges TTV verbessert sich:

• Einheitlichkeit der Prozesse
• Leistung des Geräts

Bogen und Warp

Bogen und Warp beschreiben die Waferkrümmung.

Hohe Werte können folgende Ursachen haben:

• Probleme mit der Ausrichtung der Lithographie
• Bearbeitung von Problemen

Defektdichte

Zu den wichtigen Mängeln gehören:

• Mikropiobe
• Ausrutschungen
• Partikel
• Oberflächenfehler

Eine geringere Defektdichte führt zu einer höheren Zuverlässigkeit des Geräts.

7. Zukunftsentwicklungstrends in der SiC-Waferverarbeitung

7.1 SiC-Wafer mit größerem Durchmesser

Die Branche bewegt sich von:

• 100 mm SiC-Wafer
• 150 mm SiC-Wafer

in Richtung:

• 200 mm SiC-Wafer

Größere Wafer können die Herstellungskosten senken, aber zusätzliche Herausforderungen bei der Verarbeitung schaffen.

7.2 KI-basierte Prozessoptimierung

Künstliche Intelligenz wird zunehmend für:

• Fehlererkennung
• Prozessüberwachung
• Ertragsprognose

7.3 Verbesserte Oberflächentechnik

Zukunftstechnologien konzentrieren sich auf:

• Schnellere Polierung
• Verringerung der Schadensbehandlung
• Verbesserung der Fehlerkontrolle

Schlussfolgerung

SiC-Wafer bieten für Halbleitergeräte der nächsten Generation, insbesondere bei Hochleistungs- und Hochtemperaturanwendungen, erhebliche Vorteile.Die chemische Stabilität von SiC macht die Waferverarbeitung wesentlich schwieriger als die herkömmliche Siliziumherstellung..

Schleif- und Poliertechnologien spielen eine entscheidende Rolle bei der Herstellung von SiC-Wafern in Halbleiterqualität.und Oberflächenrauheit ist für die Verbesserung der Leistung des Geräts und der Produktionsleistung unerlässlich.

Da die Nachfrage nach Elektrofahrzeugen, erneuerbaren Energiesystemen und fortschrittlicher Leistungselektronik wächst,Innovationen in der SiC-Waferverarbeitung werden weiterhin ein Schlüsselfaktor für die Entwicklung zukünftiger Halbleitertechnologien sein.