Sustratos SiC: La base de la tecnología avanzada

En el panorama en rápida evolución de la tecnología avanzada, la demanda de materiales que puedan soportar condiciones extremas y ofrecer un rendimiento superior es primordial. Los sustratos de carburo de silicio (SiC) han surgido como un material habilitador fundamental, particularmente en las industrias que superan los límites de la innovación. Desde la electrónica de alta potencia hasta las aplicaciones aeroespaciales de vanguardia, los sustratos de SiC proporcionan la base sólida necesaria para los dispositivos de próxima generación. Esta publicación de blog profundiza en el mundo de los sustratos de SiC, explorando sus aplicaciones, ventajas, consideraciones de diseño y cómo obtener soluciones personalizadas de alta calidad para sus necesidades específicas.

1. Introducción: Sustratos de SiC: la base de la tecnología de próxima generación

El carburo de silicio (SiC) es un material semiconductor compuesto reconocido por sus excepcionales propiedades físicas y electrónicas. Un sustrato de SiC es esencialmente una oblea o disco hecho de SiC monocristalino, sobre el cual se cultivan capas semiconductoras activas (capas epitaxiales) para fabricar dispositivos electrónicos u optoelectrónicos. Estos sustratos no son meros portadores pasivos; su calidad influye directamente en el rendimiento, la fiabilidad y la eficiencia del dispositivo final. La combinación única de banda prohibida ancha, alta conductividad térmica, alta resistencia del campo eléctrico de ruptura y estabilidad mecánica superior hace que los sustratos de SiC sean indispensables para aplicaciones que exigen alta potencia, alta frecuencia y funcionamiento a alta temperatura. A medida que maduran tecnologías como 5G, vehículos eléctricos y sistemas de energía renovable, el papel de los sustratos de SiC de alta calidad se vuelve cada vez más crucial, actuando como la base misma sobre la cual se construyen las innovaciones futuras. La capacidad de obtener sustratos de SiC personalizados adaptados a los requisitos específicos de los dispositivos amplifica aún más su valor, lo que permite a los ingenieros optimizar el rendimiento incluso para las aplicaciones industriales más exigentes.

2. Industrias clave que impulsan la demanda de sustratos de SiC

Las excepcionales propiedades de los sustratos de SiC han llevado a su adopción en una amplia gama de industrias de alta tecnología. Cada sector aprovecha las ventajas únicas del SiC para superar las limitaciones de materiales anteriores y desbloquear nuevos niveles de rendimiento y eficiencia.

• Semiconductores y electrónica de potencia: Este es el mercado más grande para los sustratos de SiC. Son fundamentales para la fabricación de dispositivos de potencia como MOSFET, diodos Schottky y módulos de potencia utilizados en fuentes de alimentación, inversores y variadores de frecuencia variable. Los dispositivos basados en SiC ofrecen menores pérdidas de energía, mayores frecuencias de conmutación y mayores temperaturas de funcionamiento en comparación con los dispositivos de silicio tradicionales. Esto se traduce en sistemas de conversión de energía más compactos, eficientes y fiables.
• Automoción: La industria automotriz, particularmente en el sector de los vehículos eléctricos (VE), es un importante impulsor de la demanda de sustratos de SiC. Los módulos de potencia de SiC en los inversores de los VE, los cargadores integrados y los convertidores CC-CC conducen a una mayor autonomía de conducción, tiempos de carga más rápidos y una reducción del peso y el volumen del vehículo. La capacidad de funcionar a temperaturas más altas también simplifica los requisitos del sistema de refrigeración.
• Aeroespacial & Defensa: Los sistemas aeroespaciales y de defensa requieren componentes ligeros, robustos y capaces de funcionar de forma fiable en entornos hostiles. Los sustratos de SiC se utilizan en sistemas de radar, sistemas de energía satelital y fuentes de alimentación aviónicas debido a su resistencia a la radiación, tolerancia a altas temperaturas y alta densidad de potencia.
• Energía renovable: Los inversores solares y los convertidores de turbinas eólicas se benefician significativamente de la tecnología SiC. La mayor eficiencia de la conversión de energía basada en SiC conduce a una mayor captación de energía y a la reducción de los costes del sistema. Su durabilidad también es una ventaja en entornos de instalación remotos o difíciles.
• Fabricación de LED: Si bien el nitruro de galio (GaN) a menudo se cultiva sobre zafiro o silicio, los sustratos de SiC ofrecen una mejor adaptación de la red y una mejor conductividad térmica para los LED y diodos láser basados en GaN de alta potencia. Esto se traduce en soluciones de iluminación más brillantes, eficientes y duraderas, especialmente en aplicaciones como iluminación industrial, faros de automóviles y pantallas a gran escala.
• Maquinaria industrial y fabricación: Los variadores de motor de alta potencia, los sistemas de calefacción industrial y los equipos de soldadura utilizan dispositivos de potencia de SiC para mejorar la eficiencia, la precisión y el control. La robustez del SiC garantiza la longevidad en entornos industriales exigentes.
• Telecomunicaciones: Los sustratos de SiC están encontrando aplicaciones en amplificadores de potencia de alta frecuencia para estaciones base 5G y otra infraestructura de telecomunicaciones. Su capacidad para manejar alta potencia a altas frecuencias es fundamental para una transmisión de señal eficiente.
• Petróleo y gas: Los equipos de perforación y detección en el fondo del pozo en la industria del petróleo y el gas operan a temperaturas y presiones extremas. Los sensores y la electrónica basados en SiC ofrecen una fiabilidad y un rendimiento superiores en estas condiciones desafiantes.
• Transporte ferroviario: Los trenes y tranvías modernos utilizan cada vez más unidades de potencia auxiliar e inversores de tracción basados en SiC para mejorar la eficiencia energética, reducir el tamaño y el peso de los sistemas de potencia y reducir los costes operativos.
• Energía nuclear: La resistencia a la radiación y la estabilidad a altas temperaturas del SiC lo convierten en un material candidato para sensores y componentes electrónicos dentro de las centrales nucleares, lo que contribuye a un funcionamiento más seguro y fiable.

3. Las ventajas inigualables de los sustratos de SiC personalizados

Si bien los sustratos de SiC estándar ofrecen importantes beneficios, la capacidad de personalizar estos componentes fundamentales desbloquea un nuevo reino de posibilidades para la optimización de dispositivos y el rendimiento específico de la aplicación. La personalización permite a los ingenieros y diseñadores ajustar con precisión las características del sustrato para que coincidan con precisión con las demandas de sus tecnologías avanzadas.

Las principales ventajas de optar por sustratos de SiC personalizados incluyen:

• Gestión térmica optimizada: El SiC cuenta con una conductividad térmica aproximadamente tres veces superior a la del silicio. La personalización puede mejorar aún más esto especificando politipos o modificaciones de superficie particulares que optimicen las rutas de disipación de calor, lo cual es crucial para los dispositivos de alta densidad de potencia. Esto conduce a temperaturas de funcionamiento más bajas, una mayor fiabilidad y una menor necesidad de sistemas de refrigeración voluminosos.
• Rendimiento eléctrico mejorado:
  • Alto voltaje de ruptura: El campo eléctrico de ruptura del SiC es aproximadamente diez veces el del silicio. Los sustratos personalizados se pueden diseñar con niveles de dopaje específicos (por ejemplo, de tipo N o semiaislantes) y densidades de defectos para maximizar esta propiedad, lo que permite que los dispositivos manejen voltajes mucho más altos sin fallar.
  • Baja resistencia de encendido: Para aplicaciones de conmutación de potencia, minimizar la resistencia de encendido es clave para reducir las pérdidas de conducción. El grosor del sustrato personalizado y los perfiles de dopaje se pueden adaptar para lograr la menor resistencia de encendido posible para un diseño de dispositivo determinado.
  • Funcionamiento a alta frecuencia: La alta velocidad de saturación de los electrones del SiC permite frecuencias de conmutación más altas. Las propiedades del sustrato se pueden optimizar para admitir estas velocidades de conmutación rápidas, lo que conduce a componentes pasivos más pequeños y sistemas más compactos.
• Robustez mecánica superior: El SiC es un material extremadamente duro y mecánicamente estable. La personalización puede implicar tolerancias dimensionales específicas, perfilado de bordes y procesamiento de la parte posterior para mejorar la capacidad del sustrato para soportar los rigores del procesamiento posterior (como la epitaxia y la fabricación de dispositivos) y garantizar la fiabilidad a largo plazo en entornos mecánicamente exigentes.
• Inercia química y pureza adaptadas: El SiC es altamente resistente al ataque químico, incluso a temperaturas elevadas. Los procesos de fabricación de sustratos personalizados pueden garantizar niveles de pureza ultraaltos y químicas superficiales específicas, que son fundamentales para la fabricación de dispositivos semiconductores sensibles donde la contaminación puede degradar el rendimiento o el rendimiento.
• Geometrías y orientaciones específicas de la aplicación:
  • Diámetro y Grosor: Los sustratos se pueden producir en varios diámetros (por ejemplo, 100 mm, 150 mm, 200 mm) y espesores precisos adaptados a las capacidades del equipo y los requisitos del dispositivo.
  • Orientación del cristal (desviación): El ángulo y la dirección del corte de un plano cristalino específico (por ejemplo, 4° fuera del eje del plano (0001) para 4H-SiC) son críticos para el crecimiento epitaxial de alta calidad. La personalización permite un control preciso sobre estos parámetros.
  • Planos y muescas: Se pueden incorporar planos o muescas específicas para la orientación y manipulación de la oblea de acuerdo con las especificaciones del cliente.
• Mejora del rendimiento y la fiabilidad del dispositivo: Al comenzar con un sustrato que coincida perfectamente con la aplicación prevista y los pasos de procesamiento posteriores, los fabricantes a menudo pueden mejorar el rendimiento del dispositivo y mejorar la fiabilidad y la vida útil generales de sus productos finales. Las especificaciones personalizadas para la densidad de defectos (por ejemplo, densidad de micropipas, dislocaciones del plano basal) son cruciales aquí.

La colaboración con un proveedor capaz de ofrecer alta calidad, sustratos de SiC personalizados es, por lo tanto, una ventaja estratégica para las empresas que operan a la vanguardia de la tecnología.

4. Navegación por los politipos y grados de SiC para aplicaciones de sustratos

El carburo de silicio es único en su capacidad para existir en muchas estructuras cristalinas diferentes, conocidas como politipos. Si bien se han identificado más de 250 politipos de SiC, solo unos pocos son comercialmente significativos para aplicaciones de sustratos debido a sus propiedades electrónicas y físicas específicas. Comprender estos politipos y los grados disponibles es crucial para seleccionar el sustrato adecuado para un dispositivo determinado.

Los politipos de SiC más comunes utilizados para sustratos son:

• 4H-SiC (SiC hexagonal): Este es actualmente el politipo más utilizado para dispositivos electrónicos de potencia.
  • Propiedades: Ofrece una banda prohibida más amplia (~3,26 eV), una mayor movilidad de los electrones (especialmente a lo largo del eje c) y propiedades más isotrópicas en comparación con 6H-SiC. Esto se traduce en una menor resistencia de encendido y mayores frecuencias de conmutación en los dispositivos.
  • Aplicaciones: Se utiliza predominantemente para MOSFET de potencia de alto voltaje, diodos Schottky y dispositivos de alta frecuencia.
• 6H-SiC (SiC hexagonal): Históricamente, 6H-SiC era más común debido a un crecimiento de cristal más fácil, pero 4H-SiC lo ha reemplazado en gran medida para la mayoría de las aplicaciones de potencia.
  • Propiedades: Tiene una banda prohibida ligeramente más pequeña (~3,03 eV) y una menor movilidad de los electrones en comparación con 4H-SiC. Sin embargo, puede exhibir una calidad de cristal muy alta.
  • Aplicaciones: Todavía se utiliza para algunos dispositivos de RF de alta frecuencia, ciertos tipos de LED y como sustrato para la epitaxia de GaN en algunos casos debido a la buena adaptación de la red con GaN. También encuentra uso en algunos sensores de alta temperatura.
• 3C-SiC (SiC cúbico): También conocido como β-SiC, este politipo tiene una banda prohibida más pequeña (~2,36 eV) pero potencialmente una mayor movilidad de electrones que 4H o 6H.
  • Propiedades: Propiedades isotrópicas. El principal desafío ha sido el crecimiento directo de cristales 3C-SiC de alta calidad y gran diámetro. A menudo se cultivan heteroepitácticamente sobre sustratos de silicio, lo que introduce tensiones y defectos.
  • Aplicaciones: Interés de investigación para aplicaciones específicas como MEMS, sensores y potencialmente algunos MOSFET si se pueden superar los problemas de calidad de los cristales. No es tan frecuente para dispositivos de potencia convencionales.

Más allá de los politipos, los sustratos de SiC están disponibles en diferentes grados según su conductividad eléctrica y calidad:

Tabla 1: Grados comunes de sustratos de SiC y sus características

Grado	Dopante típico	Rango de resistividad (Ω·cm)	Características principales	Aplicaciones principales
Tipo N (Conductivo)	Nitrógeno (N)	0,015 – 0,028 (para 4H-SiC)	Baja resistividad, sirve como una ruta conductora para el flujo de corriente vertical en los dispositivos. Permite la formación de contacto óhmico.	MOSFET de potencia, diodos de barrera Schottky (SBD), IGBT (menos comunes en SiC), LED.
Semi-aislante (SI)	Doping con vanadio (V) o intrínseco (semi-aislante de alta pureza – HPSI)	> 105 (a menudo > 109 para HPSI)	Alta resistividad, minimiza las pérdidas de RF y la capacitancia parasitaria del sustrato. Proporciona aislamiento eléctrico.	Amplificadores de potencia de RF (por ejemplo, para estaciones base 5G), MESFET, dispositivos de alta frecuencia, algunas aplicaciones de sensores. Los grados HPSI son preferidos para reducir los efectos de atrapamiento relacionados con el vanadio.
Tipo P (Conductivo)	Aluminio (Al) o Boro (B)	Varía, típicamente más alta que la de tipo N para niveles de dopaje similares debido a una menor movilidad de huecos.	Menos común para sustratos en dispositivos de portadores mayoritarios, pero puede usarse para estructuras de dispositivos específicos o como material de partida para ciertos procesos epitaxiales.	Algunos dispositivos bipolares (BJT), diseños de sensores específicos, propósitos de investigación.

La elección del politipo y el grado es una decisión fundamental en el diseño del dispositivo. Por ejemplo, las aplicaciones de conmutación de alta potencia utilizarán casi exclusivamente sustratos de tipo N 4H-SiC, mientras que las aplicaciones de RF de alta frecuencia se inclinarán hacia sustratos semi-aislantes (a menudo HPSI 4H-SiC o 6H-SiC de alta calidad). La densidad de defectos (micropipas, dislocaciones, fallas de apilamiento) es otro parámetro crítico de clasificación, con grados de primera calidad que tienen los recuentos de defectos más bajos, esenciales para la fabricación de dispositivos de alto rendimiento y alto rendimiento.

5. Consideraciones de diseño críticas para un rendimiento óptimo del sustrato de SiC

El diseño o la selección del sustrato de SiC correcto implica una cuidadosa consideración de varios parámetros que impactan directamente el crecimiento epitaxial posterior y el rendimiento final del dispositivo. Estas consideraciones van más allá de la simple elección de un politipo y un grado, profundizando en los detalles físicos y cristalográficos de la oblea.

• son cruciales para mejorar los rendimientos de fabricación y la longevidad del dispositivo.
  • Los sustratos de SiC se suministran típicamente con su superficie cortada a unos pocos grados fuera del eje desde un plano cristalográfico primario (por ejemplo, el plano basal (0001)). Para 4H-SiC, los ángulos de corte comunes son 4° u 8° hacia la dirección <11-20>.
  • Importancia: Esta desorientación intencional es crucial para el crecimiento epitaxial de alta calidad, particularmente para el modo de crecimiento de flujo de escalones, que ayuda a reducir la formación de ciertos tipos de defectos cristalinos (como las inclusiones 3C) en la capa epitaxiales. La elección del ángulo de corte y la dirección puede influir en la incorporación de dopaje, la morfología de la superficie y la propagación de defectos.
• Diámetro y Grosor:
  • Los diseños de dispositivos o los pasos de procesamiento específicos pueden requerir espesores de oblea no estándar o una variación de espesor más estricta (TTV). Los diámetros comunes incluyen 100 mm (4 pulgadas), 150 mm (6 pulgadas), con una transición hacia 200 mm (8 pulgadas) en curso para reducir el coste por troquel. La elección a menudo depende de las capacidades de procesamiento y el volumen de producción de la fundición.
  • Espesor: El grosor del sustrato debe ser suficiente para proporcionar soporte mecánico durante el procesamiento y la manipulación, pero no tan grueso como para aumentar innecesariamente el coste del material o, para sustratos conductores, la resistencia en serie. Los grosores típicos oscilan entre 350 µm y 500 µm para obleas de 100 mm y 150 mm. A menudo se requieren grosores personalizados.
• Calidad y preparación de la superficie:
  • Preparación para epitaxia: La superficie del sustrato debe ser excepcionalmente lisa y estar libre de daños subsuperficiales, contaminantes y partículas para una epitaxia exitosa. Esto se suele lograr mediante pulido químico-mecánico (CMP). Una superficie "preparada para epitaxia" es fundamental.
  • Rugosidad superficial (Ra): Normalmente se especifica en el rango de angstroms (por ejemplo, Ra < 0,5 nm o incluso < 0,2 nm).
  • Arañazos, manchas y partículas: Se imponen límites estrictos a la presencia de cualquier defecto visible en la superficie.
• La personalización permite un control más estricto sobre la selección de materias primas y los procesos de crecimiento de cristales para lograr niveles de pureza ultra altos, minimizando los dopantes o contaminantes no deseados que pueden actuar como centros de recombinación o crear trampas de nivel profundo, mejorando así la vida útil de los portadores y reduciendo las corrientes de fuga. Este es uno de los parámetros más críticos.
  • Densidad de microporos (MPD): Los microporos son dislocaciones de tornillo de núcleo hueco que se propagan desde el sustrato hacia la capa epitaxial, actuando como defectos fatales para la mayoría de los dispositivos. La densidad de microporos (MPD) suele especificarse como < 1 cm^-2 para grados de primera calidad, con avances que se dirigen hacia obleas de micropipas cero.
  • Densidad de dislocación del plano basal (BPD): Los BPD en el sustrato pueden provocar fallas de apilamiento en la capa epitaxial, lo que degrada el rendimiento del dispositivo, particularmente para dispositivos bipolares y causando V_f deriva en diodos PiN.
  • Dislocaciones de tornillo de roscado (TSD) y dislocaciones de borde de roscado (TED): Estos también impactan el rendimiento y la fiabilidad del dispositivo.
  • La baja densidad de defectos es crucial para lograr altos rendimientos de dispositivos, especialmente para dispositivos de gran área.
• Uniformidad de la resistividad: Para sustratos conductores, la resistividad uniforme en toda la oblea es importante para características consistentes del dispositivo. Para sustratos semiaislantes, mantener una alta resistividad de manera uniforme es clave.
• Alabeo y deformación: Estos parámetros describen la desviación de la superficie de la oblea de un plano ideal. El arqueamiento o la deformación excesivos pueden causar problemas en la fotolitografía, la epitaxia y otros pasos de procesamiento. Las especificaciones normalmente limitan el arqueamiento a < 30-50 µm y la deformación a < 50-70 µm, dependiendo del diámetro.
• Variación total del grosor (TTV): La diferencia entre el grosor máximo y mínimo en toda la oblea. El control estricto de TTV es esencial para un procesamiento uniforme.
• Exclusión de bordes: Un área especificada alrededor del perímetro de la oblea (por ejemplo, 3-5 mm) que puede no cumplir con todas las especificaciones de calidad superior. Minimizar esta área maximiza los troqueles utilizables por oblea.
• Marcas de identificación: Las marcas de identificación grabadas con láser (estándar SEMI) se utilizan para la trazabilidad de la oblea. La calidad y la colocación de estas marcas son importantes.

La especificación cuidadosa de estos parámetros de diseño, en consulta con un proveedor de sustratos de SiC con conocimientos, es esencial para garantizar que el sustrato esté optimizado para la estructura del dispositivo y el proceso de fabricación previstos, lo que en última instancia conduce a productos finales de mayor rendimiento y más fiables.

6. Lograr precisión: Tolerancia, acabado superficial y precisión dimensional en sustratos de SiC

El viaje desde un lingote de SiC en bruto hasta un sustrato de alto rendimiento implica una serie de intrincados procesos de conformado, mecanizado y acabado. Lograr tolerancias estrictas, un acabado superficial impecable y una precisión dimensional precisa es primordial para la fabricación exitosa de dispositivos semiconductores avanzados. Estos factores influyen directamente en la calidad de la capa epitaxial, la resolución fotolitográfica y el rendimiento general del dispositivo.

Parámetros clave y especificaciones alcanzables:

• Tolerancia del diámetro:
  • Asegura que las obleas encajen correctamente en el equipo de procesamiento.
  • Tolerancia típica: ±0,1 mm a ±0,2 mm del diámetro nominal (por ejemplo, 100 mm, 150 mm).
• Tolerancia de grosor:
  • Crucial para propiedades térmicas y eléctricas consistentes, y para la manipulación mecánica.
  • Tolerancia típica: ±10µm a ±25µm del grosor nominal (por ejemplo, 350µm, 500µm).
• Variación total del grosor (TTV):
  • Mide la uniformidad del grosor en toda la oblea. Crítico para el crecimiento epitaxial uniforme y los procesos de planarización.
  • Valores alcanzables: < 10µm, con grados premium que apuntan a < 5µm.
• Combado:
  • La concavidad o convexidad de la superficie mediana de una oblea libre y sin sujetar. Afecta el enfoque de la litografía.
  • Valores alcanzables: Típicamente < 30µm, con especificaciones más estrictas para diámetros más grandes o aplicaciones exigentes.
• Alabeo:
  • La diferencia entre las distancias máxima y mínima de la superficie mediana desde un plano de referencia. Indica la planitud general de la oblea. Afecta la sujeción y manipulación.
  • Valores alcanzables: Típicamente < 40µm.
• Rugosidad superficial (por ejemplo, Ra, Rms, Rq):
  • Cara Si (lado pulido): Esta es la superficie crítica para el crecimiento epitaxial. Debe ser atómicamente lisa.
    • Ra alcanzable: < 0,5 nm, a menudo < 0,2 nm después del pulido químico-mecánico (CMP). Algunas especificaciones exigen < 0,1 nm.
  • Cara C (lado posterior): Típicamente rectificado o lapeado, también puede pulirse dependiendo de la aplicación (por ejemplo, para obleas pulidas por ambas caras o requisitos específicos de contacto térmico). La rugosidad es generalmente mayor que la de la cara Si.
• Perfil de borde y astillado:
  • Las obleas suelen tener un borde redondeado o biselado para evitar el astillado durante la manipulación y el procesamiento. El perfil debe ser consistente.
  • Límites estrictos en el tamaño y el número de astillas en los bordes.
• Precisión de la muesca o plano de orientación:
  • Los planos (para diámetros más pequeños) o las muescas (para diámetros más grandes, por ejemplo, estándar SEMI) se utilizan para orientar la oblea en el equipo de procesamiento e indicar la orientación cristalográfica.
  • La longitud y la tolerancia angular de estas características son críticas. Por ejemplo, la tolerancia de la longitud del plano podría ser de ±1 mm, y la tolerancia de la orientación angular de ±0,5°.
• Planitud del sitio (por ejemplo, STIR – Lectura total indicada del sitio):
  • Mide la planitud sobre áreas localizadas (sitios) donde se fabricarán troqueles individuales. Extremadamente importante para la litografía de líneas finas.
  • Los valores alcanzables dependen del tamaño del sitio, pero pueden ser submicrónicos.
• Defectos de la superficie:
  • Las especificaciones limitarán el número y el tamaño de los arañazos, picaduras, manchas, partículas y otros defectos visuales en la superficie pulida. Se utilizan sistemas de inspección automatizados para la cuantificación.
  • El daño subsuperficial del rectificado y el lapeado debe eliminarse por completo mediante el proceso CMP.

Tabla 2: Especificaciones típicas de acabado dimensional y superficial para sustratos de SiC de primera calidad

Parámetro	Especificación típica (ejemplo de SiC 4H-SiC de tipo N de 150 mm)
Afecta la resistencia en estado activo, el voltaje de ruptura, las pérdidas de RF	150 mm ± 0,2 mm
Compatibilidad con líneas de fabricación, costo por troquel	350 µm ± 15 µm o 500 µm ± 20 µm
Orientación del plano/muesca principal	Perpendicular a <11-20> ± 0,5° (u otra dirección especificada)
Ángulo de corte	4,0° ± 0,25° (hacia la dirección especificada)
TTV	< 10 µm (a menudo < 5 µm para premium)
Arco	< 30 µm
Deformación	< 40 µm
Rugosidad superficial de la cara Si (Ra)	< 0,2 nm
Densidad de microporos (MPD)	< 0,5 cm-2 (o especificado por grado)
Exclusión de bordes	3 mm

Lograr estas estrictas especificaciones requiere equipos de metrología sofisticados y un control de procesos robusto en toda la cadena de fabricación de sustratos. Para los gerentes de adquisiciones y los compradores técnicos, es esencial definir claramente estos requisitos con su proveedor para garantizar que los sustratos cumplan con las demandas de sus líneas de fabricación y diseños de dispositivos específicos.

7. Necesidades esenciales de posprocesamiento para sustratos de SiC de alta calidad

Después del corte inicial de los lingotes de SiC y el conformado primario (rectificado y lapeado) de las obleas, son necesarios varios pasos críticos de posprocesamiento para transformarlos en sustratos de alta calidad, "listos para epitaxia". Estos pasos están diseñados para lograr el acabado superficial, la limpieza y las tolerancias dimensionales estrictas requeridas para el crecimiento epitaxial exitoso y la fabricación de dispositivos.

Las etapas clave de posprocesamiento incluyen:

• Pulido Químico Mecánico (CMP):
  • Este es posiblemente el paso de posprocesamiento más crucial para lograr una superficie atómicamente lisa y sin daños en la cara Si (y, a veces, en la cara C) del sustrato de SiC.
  • CMP implica pulir la oblea utilizando una lechada química (que contiene partículas abrasivas y productos químicos reactivos) y una almohadilla de pulido. El proceso combina la abrasión mecánica con el grabado químico para eliminar material.
  • Objetivo: Eliminar el daño subsuperficial inducido por el rectificado y el lapeado previos, reducir la rugosidad superficial a niveles de angstrom (por ejemplo, Ra < 0,2 nm) y lograr una excelente planitud superficial.
  • Se pueden utilizar múltiples pasos de CMP con diferentes lechadas y almohadillas para lograr el acabado final deseado.
• Procesos de limpieza avanzados:
  • Después del CMP y otros pasos de manipulación, los sustratos deben someterse a una limpieza rigurosa para eliminar cualquier partícula de lechada residual, contaminantes metálicos, residuos orgánicos y otras impurezas.
  • Las secuencias de limpieza a menudo implican múltiples pasos, que incluyen:
    • Limpieza con disolventes (por ejemplo, con acetona, IPA).
    • Soluciones ácidas (por ejemplo, grabado Piranha (H₂SO₄ + H₂O₂), SC-2 (HCl + H₂O₂ + H₂O)) para eliminar contaminantes orgánicos y metálicos.
    • Soluciones alcalinas (por ejemplo, SC-1 (NH₄OH + H₂O₂ + H₂O)) para eliminar partículas.
    • Enjuague y secado con agua DI (por ejemplo, secado por enjuague por centrifugación, secado de Marangoni).
  • El objetivo es lograr una superficie sin partículas y atómicamente limpia, a menudo verificada por técnicas como la inspección de la superficie por dispersión de luz.
• Inspección y metrología de superficies:
  • Durante y después del posprocesamiento, se realizan extensas inspecciones y metrología.
  • Escáneres de superficie automatizados: Se utilizan herramientas como KLA-Tencor Candela o Surfscan para detectar y mapear partículas, arañazos, picaduras y otros defectos de la superficie con alta sensibilidad.
  • Microscopía de fuerza atómica (AFM): Microscopía de fuerza atómica (AFM):
  • Difracción de rayos X (XRD) / Topografía de rayos X (XRT): Para verificar la orientación del cristal, el ángulo de corte y evaluar la calidad cristalina (por ejemplo, densidad de defectos, tensión).
  • Microscopía óptica: Para la inspección visual de defectos, la calidad de los bordes y las marcas láser.
  • Sistemas de medición de grosor, TTV, arqueamiento, deformación: Para garantizar que los parámetros dimensionales estén dentro de las especificaciones.
• Procesamiento del reverso (opcional pero común):
  • Si bien la parte delantera (cara Si) recibe la mayor atención, la parte trasera (cara C) también puede someterse a un procesamiento específico.
  • Rectificado/lapeado del reverso: Para lograr el grosor deseado y mejorar el paralelismo del reverso.
  • Pulido del reverso: Para aplicaciones que requieren obleas pulidas por ambas caras (DSP), o contacto térmico mejorado.
  • Metalización posterior: En algunos casos, se puede depositar una capa de metal (por ejemplo, Ti/Ni/Ag) en la parte posterior de los sustratos conductores para facilitar la formación de contacto óhmico o mejorar la fijación del troquel durante el empaquetado del dispositivo. Esto suele ser realizado por el fabricante del dispositivo, pero a veces puede ofrecerse como un servicio a nivel de sustrato.
• Marcado con láser:
  • Se aplican marcas láser estándar SEMI o personalizadas a la oblea (normalmente en el reverso o en la zona de exclusión del borde frontal) para la identificación y trazabilidad durante todo el proceso de fabricación. El proceso de marcado debe ser limpio y no inducir estrés ni partículas.
• Perfilado de bordes/Chaflanado:
  • Asegura bordes lisos y redondeados para minimizar el astillado durante la manipulación y el procesamiento, lo que puede ser una fuente de generación de partículas.
• Limpieza y embalaje final:
  • Se realiza un paso de limpieza final antes de embalar los sustratos en sp