SiC-substraten: de basis voor geavanceerde technologie

In het snel evoluerende landschap van geavanceerde technologie is de vraag naar materialen die bestand zijn tegen extreme omstandigheden en superieure prestaties leveren, van cruciaal belang. Siliciumcarbide (SiC)-substraten zijn uitgegroeid tot een cruciaal mogelijk makend materiaal, met name in industrieën die de grenzen van innovatie verleggen. Van hoogvermogenelektronica tot geavanceerde lucht- en ruimtevaarttoepassingen, SiC-substraten vormen de robuuste basis die nodig is voor apparaten van de volgende generatie. Deze blogpost duikt in de wereld van SiC-substraten en onderzoekt hun toepassingen, voordelen, ontwerpoverwegingen en hoe u hoogwaardige, op maat gemaakte oplossingen kunt vinden voor uw specifieke behoeften.

1. Inleiding: SiC-substraten – de basis van de technologie van de volgende generatie

Siliciumcarbide (SiC) is een halfgeleidermateriaal dat bekend staat om zijn uitzonderlijke fysische en elektronische eigenschappen. Een SiC-substraat is in wezen een wafer of schijf gemaakt van enkelkristallijn SiC, waarop actieve halfgeleiderlagen (epitaxiale lagen) worden gekweekt om elektronische of opto-elektronische apparaten te fabriceren. Deze substraten zijn niet slechts passieve dragers; hun kwaliteit heeft direct invloed op de prestaties, betrouwbaarheid en efficiëntie van het eindproduct. De unieke combinatie van brede bandgap, hoge thermische geleidbaarheid, hoge elektrische veldsterkte en superieure mechanische stabiliteit maakt SiC-substraten onmisbaar voor toepassingen die hoge vermogens, hoge frequenties en werking bij hoge temperaturen vereisen. Naarmate technologieën zoals 5G, elektrische voertuigen en systemen voor hernieuwbare energie volwassen worden, wordt de rol van hoogwaardige SiC-substraten steeds crucialer en fungeren ze als de basis waarop toekomstige innovaties worden gebouwd. De mogelijkheid om op maat gemaakte SiC-substraten te verkrijgen die zijn afgestemd op specifieke apparaateisen, vergroot hun waarde verder, waardoor ingenieurs de prestaties kunnen optimaliseren voor zelfs de meest veeleisende industriële toepassingen.

2. Belangrijkste industrieën die de vraag naar SiC-substraten stimuleren

De uitzonderlijke eigenschappen van SiC-substraten hebben geleid tot hun toepassing in een breed scala aan hightech-industrieën. Elke sector benut de unieke voordelen van SiC om eerdere materiaalbeperkingen te overwinnen en nieuwe niveaus van prestaties en efficiëntie te ontsluiten.

• Halfgeleiders & Vermogenselektronica: Dit is de grootste markt voor SiC-substraten. Ze zijn essentieel voor de productie van vermogensapparaten zoals MOSFET's, Schottky-dioden en vermogensmodules die worden gebruikt in voedingen, omvormers en variabele frequentie-aandrijvingen. SiC-gebaseerde apparaten bieden lagere energieverliezen, hogere schakelfrequenties en hogere bedrijfstemperaturen in vergelijking met traditionele siliciumapparaten. Dit vertaalt zich in compactere, efficiëntere en betrouwbaardere vermogensconversiesystemen.
• Automotive: De auto-industrie, met name in de sector van elektrische voertuigen (EV's), is een belangrijke aanjager van de vraag naar SiC-substraten. SiC-vermogensmodules in EV-omvormers, boordladers en DC-DC-omvormers leiden tot een grotere actieradius, snellere oplaadtijden en een lager gewicht en volume van het voertuig. De mogelijkheid om bij hogere temperaturen te werken, vereenvoudigt ook de vereisten voor het koelsysteem.
• Lucht- en ruimtevaart & Defensie: Lucht- en ruimtevaart- en defensiesystemen vereisen componenten die lichtgewicht, robuust en in staat zijn om betrouwbaar te werken in zware omgevingen. SiC-substraten worden gebruikt in radarsystemen, satellietvoedingssystemen en avionische voedingen vanwege hun stralingsbestendigheid, tolerantie voor hoge temperaturen en hoge vermogensdichtheid.
• op maat gemaakte siliciumcarbide wafers Zonne-omvormers en windturbine-omvormers profiteren aanzienlijk van SiC-technologie. De hogere efficiëntie van SiC-gebaseerde vermogensconversie leidt tot een grotere energie-oogst en lagere systeemkosten. Hun duurzaamheid is ook een troef in afgelegen of uitdagende installatieomgevingen.
• LED-productie: Hoewel galliumnitride (GaN) vaak wordt gekweekt op saffier of silicium, bieden SiC-substraten een betere roosterovereenkomst en een betere thermische geleidbaarheid voor GaN-gebaseerde LED's en laserdioden met hoog vermogen. Dit resulteert in helderdere, efficiëntere en duurzamere verlichtingsoplossingen, vooral in toepassingen zoals industriële verlichting, autokoplampen en grootschalige displays.
• Industriële machines en productie: Hoogvermogen motoraandrijvingen, industriële verwarmingssystemen en lasapparatuur gebruiken SiC-vermogensapparaten voor verbeterde efficiëntie, precisie en controle. De robuustheid van SiC garandeert een lange levensduur in veeleisende industriële omgevingen.
• Telecommunicatie: SiC-substraten vinden toepassingen in hoogfrequente vermogensversterkers voor 5G-basisstations en andere telecommunicatie-infrastructuur. Hun vermogen om hoge vermogens bij hoge frequenties te verwerken, is cruciaal voor een efficiënte signaaloverdracht.
• Olie en Gas: Downhole-boor- en sensoren in de olie- en gasindustrie werken onder extreme temperaturen en drukken. SiC-gebaseerde sensoren en elektronica bieden superieure betrouwbaarheid en prestaties in deze uitdagende omstandigheden.
• Spoorvervoer: Moderne treinen en trams gebruiken steeds vaker SiC-gebaseerde hulpvoedingen en tractie-omvormers voor verbeterde energie-efficiëntie, verminderde afmetingen en gewicht van energiesystemen en lagere operationele kosten.
• Kernenergie: De stralingsbestendigheid en stabiliteit bij hoge temperaturen van SiC maken het een kandidaat-materiaal voor sensoren en elektronische componenten in kerncentrales, wat bijdraagt aan een veiligere en betrouwbaardere werking.

3. De ongeëvenaarde voordelen van op maat gemaakte SiC-substraten

Hoewel standaard SiC-substraten aanzienlijke voordelen bieden, ontsluit de mogelijkheid om deze fundamentele componenten aan te passen een nieuw rijk aan mogelijkheden voor apparaatoptimalisatie en toepassingsspecifieke prestaties. Maatwerk stelt ingenieurs en ontwerpers in staat om de substraateigenschappen af te stemmen op de eisen van hun geavanceerde technologieën.

De belangrijkste voordelen van het kiezen voor op maat gemaakte SiC-substraten zijn onder meer:

• Geoptimaliseerd thermisch beheer: SiC beschikt over een thermische geleidbaarheid die ongeveer drie keer hoger is dan die van silicium. Maatwerk kan dit verder verbeteren door specifieke polytypen of oppervlakteaanpassingen te specificeren die de warmteafvoerpaden optimaliseren, cruciaal voor apparaten met een hoge vermogensdichtheid. Dit leidt tot lagere bedrijfstemperaturen, verbeterde betrouwbaarheid en minder behoefte aan omvangrijke koelsystemen.
• Verbeterde elektrische prestaties:
  • Hoge doorslagspanning: De elektrische veldsterkte van SiC is ongeveer tien keer zo hoog als die van silicium. Op maat gemaakte substraten kunnen worden ontworpen met specifieke dopingniveaus (bijvoorbeeld N-type of semi-isolerend) en defectdichtheden om deze eigenschap te maximaliseren, waardoor apparaten veel hogere spanningen kunnen verwerken zonder uit te vallen.
  • Lage aan-weerstand: Voor vermogensschakeltoepassingen is het minimaliseren van de aan-weerstand essentieel om de geleidingsverliezen te verminderen. De dikte en de dopingprofielen van op maat gemaakte substraten kunnen worden afgestemd om de laagst mogelijke aan-weerstand te bereiken voor een bepaald apparaatontwerp.
  • Hoogfrequente werking: De hoge elektronenverzadigingssnelheid van SiC maakt hogere schakelfrequenties mogelijk. Substraateigenschappen kunnen worden geoptimaliseerd om deze snelle schakelsnelheden te ondersteunen, wat leidt tot kleinere passieve componenten en compactere systemen.
• Superieure mechanische robuustheid: SiC is een extreem hard en mechanisch stabiel materiaal. Maatwerk kan specifieke maattoleranties, randprofilering en achterkantbewerking omvatten om het vermogen van het substraat te verbeteren om de ontberingen van downstream-verwerking (zoals epitaxie en apparaatfabricage) te weerstaan en de langetermijnbetrouwbaarheid in mechanisch veeleisende omgevingen te garanderen.
• Op maat gemaakte chemische inertheid en zuiverheid: SiC is zeer bestand tegen chemische aantasting, zelfs bij verhoogde temperaturen. Op maat gemaakte substraatproductieprocessen kunnen ultra-hoge zuiverheidsniveaus en specifieke oppervlaktechemie garanderen, wat cruciaal is voor de fabricage van gevoelige halfgeleiderapparaten waarbij verontreiniging de prestaties of de opbrengst kan verminderen.
• Toepassingsspecifieke geometrieën en oriëntaties:
  • Diameter en dikte: Substraten kunnen worden geproduceerd in verschillende diameters (bijvoorbeeld 100 mm, 150 mm, 200 mm) en precieze diktes die zijn afgestemd op de capaciteiten van de apparatuur en de apparaateisen.
  • Kristaloriëntatie (off-cut): De hoek en richting van de off-cut van een specifiek kristalvlak (bijvoorbeeld 4° off-axis van het (0001)-vlak voor 4H-SiC) zijn cruciaal voor epitaxiale groei van hoge kwaliteit. Maatwerk maakt een precieze controle over deze parameters mogelijk.
  • Flats en inkepingen: Specifieke flats of inkepingen voor waferoriëntatie en -verwerking kunnen worden opgenomen volgens de specificaties van de klant.
• Verbeterde apparaatopbrengst en betrouwbaarheid: Door te beginnen met een substraat dat perfect is afgestemd op de beoogde toepassing en de daaropvolgende verwerkingsstappen, kunnen fabrikanten vaak de apparaatopbrengsten verbeteren en de algehele betrouwbaarheid en levensduur van hun eindproducten verbeteren. Maatwerkspecificaties voor defectdichtheid (bijvoorbeeld micropipedichtheid, basale vlakdislocaties) zijn hier cruciaal.

Samenwerken met een leverancier die hoogwaardige, op maat gemaakte SiC-substraten kan daarom een strategisch voordeel zijn voor bedrijven die voorop lopen in de technologie.

4. Navigeren door SiC-polytypen en -kwaliteiten voor substraattoepassingen

Siliciumcarbide is uniek in zijn vermogen om in veel verschillende kristalstructuren te bestaan, bekend als polytypen. Hoewel er meer dan 250 SiC-polytypen zijn geïdentificeerd, zijn er slechts een paar commercieel significant voor substraattoepassingen vanwege hun specifieke elektronische en fysische eigenschappen. Het begrijpen van deze polytypen en beschikbare kwaliteiten is cruciaal voor het selecteren van het juiste substraat voor een bepaald apparaat.

De meest voorkomende SiC-polytypen die voor substraten worden gebruikt, zijn:

• 4H-SiC (Hexagonaal SiC): Dit is momenteel het meest gebruikte polytype voor vermogenselektronische apparaten.
  • Eigenschappen: Het biedt een bredere bandgap (~3,26 eV), een hogere elektronenmobiliteit (vooral langs de c-as) en meer
  • Toepassingen: Voornamelijk gebruikt voor hoogspannings-MOSFET's, Schottky-diodes en hoogfrequente apparaten.
• 6H-SiC (Hexagonaal SiC): Historisch gezien was 6H-SiC gebruikelijker vanwege de eenvoudigere kristalgroei, maar 4H-SiC heeft het grotendeels vervangen voor de meeste stroomtoepassingen.
  • Eigenschappen: Het heeft een iets kleinere bandgap (~3,03 eV) en een lagere elektronenmobiliteit in vergelijking met 4H-SiC. Het kan echter een zeer hoge kristalkwaliteit vertonen.
  • Toepassingen: Wordt nog steeds gebruikt voor sommige hoogfrequente RF-apparaten, bepaalde soorten LED's en als substraat voor GaN-epitaxie in sommige gevallen vanwege de goede roosterovereenstemming met GaN. Vindt ook toepassing in sommige sensoren voor hoge temperaturen.
• 3C-Si Ook bekend als β-SiC, deze polytype heeft een kleinere bandgap (~2,36 eV) maar mogelijk een hogere elektronenmobiliteit dan 4H of 6H.
  • Eigenschappen: Isotropische eigenschappen. De grootste uitdaging is het direct kweken van hoogwaardige 3C-SiC-kristallen met een grote diameter. Vaak hetero-epitaxiaal gekweekt op siliciumsubstraten, wat spanning en defecten introduceert.
  • Toepassingen: Onderzoekinteresse voor specifieke toepassingen zoals MEMS, sensoren en mogelijk enkele MOSFET's als de kristalkwaliteitsproblemen kunnen worden overwonnen. Niet zo prevalent voor reguliere stroomapparaten.

Naast polytypen zijn SiC-substraten verkrijgbaar in verschillende kwaliteiten op basis van hun elektrische geleidbaarheid en kwaliteit:

Tabel 1: Veelvoorkomende SiC-substraatkwaliteiten en hun kenmerken

Kwaliteit	Typische doteringsstof	Weerstandsbereik (Ω·cm)	Belangrijkste kenmerken	Belangrijkste toepassingen
N-type (geleidend)	Stikstof (N)	0,015 – 0,028 (voor 4H-SiC)	Lage weerstand, dient als een geleidend pad voor verticale stroom in apparaten. Maakt de vorming van Ohmse contacten mogelijk.	Power MOSFET's, Schottky-barrièrediodes (SBD's), IGBT's (minder gebruikelijk in SiC), LED's.
Semi-isolerend (SI)	Vanadium (V)-dotering of intrinsiek (High Purity Semi-Insulating – HPSI)	> 105 (vaak > 109 voor HPSI)	Hoge weerstand, minimaliseert RF-verliezen en parasitaire capaciteit van het substraat. Zorgt voor elektrische isolatie.	RF-vermogensversterkers (bijv. voor 5G-basisstations), MESFET's, hoogfrequente apparaten, sommige sensortoepassingen. HPSI-kwaliteiten hebben de voorkeur voor minder vanadiumgerelateerde trapping-effecten.
P-type (geleidend)	Aluminium (Al) of Borium (B)	Varieert, doorgaans hoger dan N-type voor vergelijkbare dopingniveaus vanwege een lagere mobiliteit van gaten.	Minder gebruikelijk voor substraten in meerderheidsdragerapparaten, maar kan worden gebruikt voor specifieke apparaatstructuren of als uitgangsmateriaal voor bepaalde epitaxiale processen.	Sommige bipolaire apparaten (BJTs), specifieke sensorontwerpen, onderzoeksdoeleinden.

De keuze van polytype en kwaliteit is een fundamentele beslissing bij het ontwerpen van apparaten. Zo zullen hoogvermogen schakeltoepassingen vrijwel uitsluitend N-type 4H-SiC-substraten gebruiken, terwijl hoogfrequente RF-toepassingen de voorkeur geven aan semi-isolerende (vaak HPSI 4H-SiC of hoogwaardige 6H-SiC) substraten. De defectdichtheid (micropipes, dislocaties, stapelfouten) is een andere kritische graderingsparameter, waarbij prime-kwaliteiten de laagste defectaantallen hebben die essentieel zijn voor de productie van hoogrendement- en hoogwaardige apparaten.

5. Kritische ontwerpoverwegingen voor optimale SiC-substraatprestaties

Het ontwerpen of selecteren van het juiste SiC-substraat omvat een zorgvuldige afweging van verschillende parameters die direct van invloed zijn op de daaropvolgende epitaxiale groei en de uiteindelijke prestaties van het apparaat. Deze overwegingen gaan verder dan alleen het kiezen van een polytype en kwaliteit en duiken in de fysieke en kristallografische details van de wafer.

• Kristaloriëntatie en Off-Cut Hoek:
  • SiC-substraten worden doorgaans geleverd met hun oppervlak een paar graden off-axis gesneden ten opzichte van een primair kristallografisch vlak (bijv. het (0001) basaalvlak). Voor 4H-SiC zijn gebruikelijke off-cut hoeken 4° of 8° in de richting van <11-20>.
  • Belangrijk: Deze opzettelijke misoriëntatie is cruciaal voor epitaxiale groei van hoge kwaliteit, met name voor de stap-stroom groeimodus, die helpt de vorming van bepaalde soorten kristaldefecten (zoals 3C-insluitsels) in de epitaxiale laag te verminderen. De keuze van de off-cut hoek en richting kan de incorporatie van doping, de oppervlaktemorfologie en de defectvoortplanting beïnvloeden.
• Diameter en dikte:
  • Diameter: Veelvoorkomende diameters zijn 100 mm (4 inch), 150 mm (6 inch), met een overgang naar 200 mm (8 inch) die gaande is om de kosten per matrijs te verlagen. De keuze hangt vaak af van de verwerkingsmogelijkheden en het productievolume van de gieterij.
  • Dikte: De substraatdikte moet voldoende zijn om mechanische ondersteuning te bieden tijdens de verwerking en hantering, maar niet zo dik dat de materiaalkosten onnodig toenemen of, voor geleidende substraten, de serieweerstand. Typische diktes variëren van 350 µm tot 500 µm voor 100 mm en 150 mm wafers. Aangepaste diktes zijn vaak vereist.
• Oppervlaktekwaliteit en -voorbereiding:
  • Epi-gereedheid: Het substraatoppervlak moet uitzonderlijk glad zijn en vrij van schade onder het oppervlak, verontreinigingen en deeltjes voor een succesvolle epitaxie. Dit wordt doorgaans bereikt door chemisch-mechanisch polijsten (CMP). Een "epi-klaar" oppervlak is cruciaal.
  • Oppervlakte ruwheid (Ra): Doorgaans gespecificeerd in het angströmbereik (bijv. Ra < 0,5 nm of zelfs < 0,2 nm).
  • Krassen, vlekken en deeltjes: Er worden strenge limieten gesteld aan de aanwezigheid van zichtbare oppervlaktedislocaties.
• Defectdichtheid: Dit is een van de meest kritische parameters.
  • Micropipe Density (MPD): Micropipes zijn holle schroefdislocaties die zich van het substraat naar de epitaxiale laag voortplanten en die als fatale defecten voor de meeste apparaten fungeren. MPD wordt doorgaans gespecificeerd als < 1 cm^-2 voor prime-kwaliteiten, waarbij de ontwikkelingen in de richting van nul micropipe wafers gaan.
  • Basale vlakdislocatie (BPD) dichtheid: BPD's in het substraat kunnen leiden tot stapelfouten in de epitaxiale laag, die de prestaties van het apparaat verminderen, met name voor bipolaire apparaten en waardoor V_f drift in PiN-diodes.
  • Draadschroefdislocaties (TSD) en draadranddislocaties (TED): Deze hebben ook invloed op de prestaties en betrouwbaarheid van het apparaat.
  • Een lage defectdichtheid is cruciaal voor het bereiken van hoge apparaatrendementen, vooral voor apparaten met een groot oppervlak.
• Uniformiteit van de weerstand: Voor geleidende substraten is een uniforme weerstand over de wafer belangrijk voor consistente apparaatkenmerken. Voor semi-isolerende substraten is het handhaven van een hoge weerstand uniform van cruciaal belang.
• Bow en Warp: Deze parameters beschrijven de afwijking van het waferoppervlak van een ideaal vlak. Overmatige doorbuiging of kromtrekken kan problemen veroorzaken bij fotolithografie, epitaxie en andere verwerkingsstappen. Specificaties beperken de doorbuiging doorgaans tot < 30-50 µm en kromtrekken tot < 50-70 µm, afhankelijk van de diameter.
• Totale Diktevariatie (TTV): Het verschil tussen de maximale en minimale dikte over de wafer. Strakke TTV-controle is essentieel voor een uniforme verwerking.
• Randuitsluiting: Een gespecificeerd gebied rond de omtrek van de wafer (bijv. 3-5 mm) dat mogelijk niet aan alle prime-kwaliteitsspecificaties voldoet. Het minimaliseren van dit gebied maximaliseert de bruikbare matrijs per wafer.
• Identificatiemerken: Lasergegraveerde identificatiemerken (SEMI-standaard) worden gebruikt voor de traceerbaarheid van wafers. De kwaliteit en plaatsing van deze markeringen zijn belangrijk.

Een zorgvuldige specificatie van deze ontwerpparameters, in overleg met een deskundige SiC-substraatleverancier, is essentieel om ervoor te zorgen dat het substraat is geoptimaliseerd voor de beoogde apparaatstructuur en het fabricageproces, wat uiteindelijk leidt tot beter presterende en betrouwbaardere eindproducten.

6. Precisie bereiken: tolerantie, oppervlakteafwerking en maatnauwkeurigheid in SiC-substraten

De reis van een ruwe SiC-boule naar een hoogwaardig substraat omvat een reeks ingewikkelde vorm-, bewerkings- en afwerkingsprocessen. Het bereiken van strenge toleranties, een onberispelijke oppervlakteafwerking en nauwkeurige maatnauwkeurigheid zijn van het grootste belang voor de succesvolle fabricage van geavanceerde halfgeleiderapparaten. Deze factoren hebben rechtstreeks invloed op de kwaliteit van de epitaxiale laag, de fotolithografische resolutie en het algehele apparaatrendement.

Belangrijkste parameters en haalbare specificaties:

• Diametertolerantie:
  • Zorgt ervoor dat wafers correct in de verwerkingsapparatuur passen.
  • Typische tolerantie: ±0,1 mm tot ±0,2 mm van de nominale diameter (bijv. 100 mm, 150 mm).
• Diktetolerantie:
  • Cruciaal voor consistente thermische en elektrische eigenschappen en voor mechanische hantering.
  • Typische tolerantie: ±10 µm tot ±25 µm van de nominale dikte (bijv. 350 µm, 500 µm).
• Totale Diktevariatie (TTV):
  • Meet de uniformiteit van de dikte over de wafer. Cruciaal voor uniforme epitaxiale groei en planariseringsprocessen.
  • Haalbare waarden: < 10 µm, met premium kwaliteiten die streven naar < 5 µm.
• Bolling:
  • De holte of bolling van het mediane oppervlak van een vrije, niet-geklemd wafer. Beïnvloedt de focus van de lithografie.
  • Haalbare waarden: doorgaans < 30 µm, met strakkere specificaties voor grotere diameters of veeleisende toepassingen.
• Kromtrekken:
  • Het verschil tussen de maximale en minimale afstanden van het mediane oppervlak van een referentievlak. Geeft de algehele vlakheid van de wafer aan. Beïnvloedt de opspanning en hantering.
  • Haalbare waarden: doorgaans < 40 µm.
• Oppervlakte ruwheid (bijv. Ra, Rms, Rq):
  • Si-vlak (polijstzijde): Dit is het kritieke oppervlak voor epitaxiale groei. Het moet atomair glad zijn.
    • Haalbare Ra: < 0,5 nm, vaak < 0,2 nm na chemisch-mechanisch polijsten (CMP). Sommige specificaties streven naar < 0,1 nm.
  • C-vlak (achterkant): Doorgaans geslepen of geslepen, kan ook worden gepolijst, afhankelijk van de toepassing (bijv. voor dubbelzijdig gepolijste wafers of specifieke thermische contactvereisten). De ruwheid is over het algemeen hoger dan het Si-vlak.
• Randprofiel en afsplintering:
  • Wafers hebben doorgaans een afgeronde of afgeschuinde rand om afsplintering tijdens hantering en verwerking te voorkomen. Het profiel moet consistent zijn.
  • Strikte limieten voor de grootte en het aantal randchips.
• Oriëntatie vlak of inkeping precisie:
  • Vlakken (voor kleinere diameters) of inkepingen (voor grotere diameters, bijv. SEMI-standaard) worden gebruikt om de wafer in de verwerkingsapparatuur te oriënteren en de kristallografische oriëntatie aan te geven.
  • De lengte- en hoektolerantie van deze kenmerken zijn cruciaal. De tolerantie voor de vlakke lengte kan bijvoorbeeld ±1 mm zijn en de hoekoriëntatietolerantie ±0,5°.
• Vlakheid van de site (bijv. STIR - Site Total Indicated Reading):
  • Meet de vlakheid over gelokaliseerde gebieden (sites) waar afzonderlijke matrijzen worden vervaardigd. Extreem belangrijk voor fijnlijnlithografie.
  • Haalbare waarden zijn afhankelijk van de sitegrootte, maar kunnen submicron zijn.
• Oppervlaktefouten:
  • Specificaties beperken het aantal en de grootte van krassen, putten, vlekken, deeltjes en andere visuele defecten op het gepolijste oppervlak. Geautomatiseerde inspectiesystemen worden gebruikt voor kwantificering.
  • Schade onder het oppervlak door slijpen en lappen moet volledig worden verwijderd door het CMP-proces.

Tabel 2: Typische specificaties voor maatvoering en oppervlakteafwerking voor prime SiC-substraten

Parameter	Typische specificatie (150 mm N-type 4H-SiC-voorbeeld)
Diameter	150 mm ± 0,2 mm
Dikte	350 µm ± 15 µm of 500 µm ± 20 µm
Primaire vlak/inkeping oriëntatie	Loodrecht op <11-20> ± 0,5° (of andere gespecificeerde richting)
Off-cut hoek	4,0° ± 0,25° (in de gespecificeerde richting)
TTV	< 10 µm (vaak < 5 µm voor premium)
Bow	< 30 µm
Kromtrekken	< 40 µm
Si-vlak oppervlakte ruwheid (Ra)	< 0,2 nm
Micropipe Dichtheid (MPD)	< 0,5 cm-2 (of gespecificeerd door kwaliteit)
Randuitsluiting	3 mm

Om deze strenge specificaties te bereiken, zijn geavanceerde meetapparatuur en robuuste procesbeheersing gedurende de gehele productieketen van substraten vereist. Voor inkoopmanagers en technische kopers is het essentieel om deze eisen duidelijk te definiëren met hun leverancier om ervoor te zorgen dat de substraten voldoen aan de eisen van hun specifieke fabricagelijnen en apparaatontwerpen.

7. Essentiële nabewerkingseisen voor hoogwaardige SiC-substraten

Na het initiële zagen van SiC-boules en de primaire vormgeving (slijpen en lappen) van de wafers, zijn verschillende kritieke nabewerking stappen nodig om ze om te zetten in hoogwaardige, "epi-ready" substraten. Deze stappen zijn ontworpen om de strenge oppervlakteafwerking, reinheid en dimensionale toleranties te bereiken die vereist zijn voor succesvolle epitaxiale groei en apparaatfabricage.

Belangrijke nabewerkingsfasen zijn onder meer:

• Chemisch-mechanisch polijsten (CMP):
  • Dit is wellicht de meest cruciale nabewerkingsstap voor het bereiken van een atomair glad en schadevrij oppervlak op de Si-zijde (en soms de C-zijde) van het SiC-substraat.
  • CMP omvat het polijsten van de wafer met behulp van een chemische slurry (die schurende deeltjes en reactieve chemicaliën bevat) en een polijstpad. Het proces combineert mechanische slijtage met chemisch etsen om materiaal te verwijderen.
  • Doel: Ondergrondse schade veroorzaakt door eerder slijpen en lappen elimineren, de oppervlakteruwheid terugbrengen tot angströmniveaus (bijv. Ra < 0,2 nm) en een uitstekende oppervlakteplanariteit bereiken.
  • Meerdere CMP-stappen met verschillende slurries en pads kunnen worden gebruikt om de uiteindelijke gewenste afwerking te bereiken.
• Geavanceerde reinigingsprocessen:
  • Na CMP en andere handelingen moeten substraten grondig worden gereinigd om eventuele resterende slurrydeeltjes, metaalverontreinigingen, organische resten en andere onzuiverheden te verwijderen.
  • Reinigingsreeksen omvatten vaak meerdere stappen, waaronder:
    • Reiniging met oplosmiddelen (bijv. met aceton, IPA).
    • Zure oplossingen (bijv. Piranha-ets (H₂SO₄ + H₂O₂), SC-2 (HCl + H₂O₂ + H₂O)) om organische en metalen verontreinigingen te verwijderen.
    • Alkalische oplossingen (bijv. SC-1 (NH₄OH + H₂O₂ + H₂O)) om deeltjes te verwijderen.
    • Spoelen en drogen met DI-water (bijv. sproeireiniging, Marangoni-drogen).
  • Het doel is om een deeltjesvrij, atomair schoon oppervlak te bereiken, vaak geverifieerd met technieken zoals Light Scattering Surface Inspection.
• Oppervlakte-inspectie en metrologie:
  • Tijdens en na de nabewerking worden uitgebreide inspectie en metrologie uitgevoerd.
  • Geautomatiseerde oppervlaktescanners: Tools zoals KLA-Tencor Candela of Surfscan worden gebruikt om deeltjes, krassen, putjes en andere oppervlaktedefecten met hoge gevoeligheid te detecteren en in kaart te brengen.
  • Atomic Force Microscopy (AFM): Gebruikt om de oppervlakteruwheid op nanoschaal te kwantificeren en de oppervlaktemorfologie in beeld te brengen.
  • Röntgendiffractie (XRD) / Röntgentopografie (XRT): Om de kristaloriëntatie, de afsnijhoek te verifiëren en de kristallijne kwaliteit te beoordelen (bijv. defectdichtheid, spanning).
  • Optische microscopie: Voor visuele inspectie van defecten, randkwaliteit en lasermerken.
  • Dikte-, TTV-, Bow-, Warp-meetsystemen: Om ervoor te zorgen dat de dimensionale parameters binnen de specificatie vallen.
• Achterkantbewerking (optioneel maar gebruikelijk):
  • Hoewel de voorkant (Si-vlak) de meeste aandacht krijgt, kan de achterkant (C-vlak) ook een specifieke bewerking ondergaan.
  • Achterkant slijpen/lappen: Om de doeldikte te bereiken en de paralleliteit van de achterkant te verbeteren.
  • Achterkant polijsten: Voor toepassingen die dubbelzijdig gepolijste (DSP) wafers vereisen, of een verbeterd thermisch contact.
  • Metallisatie van de achterkant: In sommige gevallen kan een metallaag (bijv. Ti/Ni/Ag) worden afgezet op de achterkant van geleidende substraten om de vorming van Ohmic-contact te vergemakkelijken of de bevestiging van de chip tijdens het verpakken van het apparaat te verbeteren. Dit wordt meestal gedaan door de fabrikant van het apparaat, maar kan soms worden aangeboden als een service op substraatniveau.
• Lasermarkering:
  • SEMI-standaard of aangepaste lasermerken worden op de wafer aangebracht (meestal op de achterkant of de randzone aan de voorkant) voor identificatie en traceerbaarheid tijdens het fabricageproces. Het markeringsproces moet schoon zijn en geen spanning of deeltjes veroorzaken.
• Randprofilering/Afschuining:
  • Zorgt voor gladde, afgeronde randen om afsplintering tijdens hantering en verwerking te minimaliseren, wat een bron van deeltjesgeneratie kan zijn.
• Eindreinigen en verpakken:
  • Er wordt een laatste reinigingsstap uitgevoerd voordat de substraten in sp worden verpakt.