Podłoża SiC: Podstawa zaawansowanej technologii

W szybko ewoluującym krajobrazie zaawansowanej technologii zapotrzebowanie na materiały, które wytrzymują ekstremalne warunki i zapewniają doskonałą wydajność, jest nadrzędne. Podłoża z węglika krzemu (SiC) stały się krytycznym materiałem umożliwiającym, szczególnie w branżach przesuwających granice innowacji. Od elektroniki dużej mocy po najnowocześniejsze zastosowania w lotnictwie, podłoża SiC stanowią solidny fundament niezbędny dla urządzeń nowej generacji. Ten wpis na blogu zagłębia się w świat podłoży SiC, badając ich zastosowania, zalety, kwestie projektowe i sposób pozyskiwania wysokiej jakości niestandardowych rozwiązań dla konkretnych potrzeb.

1. Wprowadzenie: Podłoża SiC – Podstawa technologii nowej generacji

Węglik krzemu (SiC) to związkowy materiał półprzewodnikowy znany ze swoich wyjątkowych właściwości fizycznych i elektronicznych. Podłoże SiC to zasadniczo płytka lub dysk wykonany z monokrystalicznego SiC, na którym hodowane są aktywne warstwy półprzewodnikowe (warstwy epitaksjalne) w celu wytworzenia urządzeń elektronicznych lub optoelektronicznych. Te podłoża to nie tylko pasywne nośniki; ich jakość bezpośrednio wpływa na wydajność, niezawodność i efektywność końcowego urządzenia. Unikalne połączenie szerokiej przerwy energetycznej, wysokiej przewodności cieplnej, wysokiej wytrzymałości pola elektrycznego przebicia i doskonałej stabilności mechanicznej sprawia, że podłoża SiC są niezbędne w zastosowaniach wymagających dużej mocy, wysokiej częstotliwości i pracy w wysokich temperaturach. Wraz z dojrzewaniem technologii takich jak 5G, pojazdy elektryczne i systemy energii odnawialnej, rola wysokiej jakości podłoży SiC staje się coraz bardziej kluczowa, działając jako podstawa, na której budowane są przyszłe innowacje. Możliwość pozyskania niestandardowych podłoży SiC dostosowanych do specyficznych wymagań urządzenia dodatkowo zwiększa ich wartość, umożliwiając inżynierom optymalizację wydajności nawet w najbardziej wymagających zastosowaniach przemysłowych.

2. Kluczowe branże napędzające popyt na podłoża SiC

Wyjątkowe właściwości podłoży SiC doprowadziły do ich zastosowania w wielu różnych branżach zaawansowanych technologii. Każdy sektor wykorzystuje unikalne zalety SiC, aby pokonać wcześniejsze ograniczenia materiałowe i odblokować nowe poziomy wydajności i efektywności.

• Półprzewodniki i elektronika mocy: To największy rynek dla podłoży SiC. Są one podstawą produkcji urządzeń mocy, takich jak tranzystory MOSFET, diody Schottky'ego i moduły mocy stosowane w zasilaczach, falownikach i napędach o zmiennej częstotliwości. Urządzenia oparte na SiC oferują niższe straty energii, wyższe częstotliwości przełączania i wyższe temperatury pracy w porównaniu z tradycyjnymi urządzeniami krzemowymi. Przekłada się to na bardziej kompaktowe, wydajne i niezawodne systemy konwersji mocy.
• Motoryzacja: Przemysł motoryzacyjny, szczególnie w sektorze pojazdów elektrycznych (EV), jest głównym motorem popytu na podłoża SiC. Moduły mocy SiC w falownikach EV, ładowarkach pokładowych i przetwornicach DC-DC prowadzą do zwiększonego zasięgu jazdy, krótszego czasu ładowania oraz zmniejszonej masy i objętości pojazdu. Możliwość pracy w wyższych temperaturach upraszcza również wymagania dotyczące systemu chłodzenia.
• Lotnictwo i obrona: Systemy lotnicze i obronne wymagają komponentów, które są lekkie, wytrzymałe i zdolne do niezawodnej pracy w trudnych warunkach. Podłoża SiC są używane w systemach radarowych, systemach zasilania satelitów i zasilaczach awionicznych ze względu na ich odporność na promieniowanie, odporność na wysokie temperatury i dużą gęstość mocy.
• Tak, nowe materiały CAS (SicSino) mogą produkować szeroką gamę geometrii dysków SiC, w tym te, które są bardzo cienkie lub mają duże średnice. Istnieją jednak praktyczne ograniczenia produkcyjne: Falowniki słoneczne i przetwornice turbin wiatrowych znacznie korzystają z technologii SiC. Wyższa wydajność konwersji mocy opartej na SiC prowadzi do większego pozyskiwania energii i obniżonych kosztów systemu. Ich trwałość jest również atutem w odległych lub trudnych środowiskach instalacyjnych.
• Produkcja LED: Chociaż azotek galu (GaN) jest często hodowany na szafirze lub krzemie, podłoża SiC oferują bliższe dopasowanie sieci i lepszą przewodność cieplną dla diod LED i diod laserowych opartych na GaN o dużej mocy. Powoduje to jaśniejsze, bardziej wydajne i trwalsze rozwiązania oświetleniowe, szczególnie w zastosowaniach takich jak oświetlenie przemysłowe, reflektory samochodowe i duże wyświetlacze.
• Maszyny przemysłowe i produkcja: Napędy silników dużej mocy, przemysłowe systemy grzewcze i sprzęt spawalniczy wykorzystują urządzenia mocy SiC dla poprawy wydajności, precyzji i kontroli. Wytrzymałość SiC zapewnia długowieczność w wymagających warunkach przemysłowych.
• Telekomunikacja: Podłoża SiC znajdują zastosowanie w wzmacniaczach mocy o wysokiej częstotliwości dla stacji bazowych 5G i innej infrastruktury telekomunikacyjnej. Ich zdolność do obsługi dużej mocy przy wysokich częstotliwościach ma kluczowe znaczenie dla wydajnej transmisji sygnału.
• Przemysł naftowy i gazowy: Sprzęt do wierceń i czujników w przemyśle naftowym i gazowym działa w ekstremalnych temperaturach i ciśnieniach. Czujniki i elektronika oparte na SiC oferują najwyższą niezawodność i wydajność w tych trudnych warunkach.
• Transport kolejowy: Nowoczesne pociągi i tramwaje coraz częściej wykorzystują pomocnicze jednostki zasilania i falowniki trakcyjne oparte na SiC w celu poprawy efektywności energetycznej, zmniejszenia rozmiaru i masy systemów zasilania oraz obniżenia kosztów eksploatacji.
• Energia jądrowa: Odporność SiC na promieniowanie i stabilność w wysokich temperaturach sprawiają, że jest on materiałem kandydującym na czujniki i elementy elektroniczne w elektrowniach jądrowych, przyczyniając się do bezpieczniejszej i bardziej niezawodnej eksploatacji.

3. Niezrównane zalety niestandardowych podłoży SiC

Chociaż standardowe podłoża SiC oferują znaczne korzyści, możliwość dostosowania tych podstawowych komponentów otwiera nową sferę możliwości optymalizacji urządzeń i wydajności specyficznej dla zastosowań. Dostosowywanie pozwala inżynierom i projektantom na precyzyjne dostrojenie charakterystyki podłoża, aby dokładnie odpowiadały wymaganiom ich zaawansowanych technologii.

Kluczowe zalety wyboru niestandardowych podłoży SiC obejmują:

• Zoptymalizowane zarządzanie ciepłem: SiC charakteryzuje się przewodnością cieplną około trzy razy wyższą niż krzem. Dostosowywanie może dodatkowo wzmocnić tę cechę poprzez określenie konkretnych polimorfów lub modyfikacji powierzchni, które optymalizują ścieżki rozpraszania ciepła, co ma kluczowe znaczenie dla urządzeń o dużej gęstości mocy. Prowadzi to do niższych temperatur pracy, poprawy niezawodności i zmniejszenia zapotrzebowania na nieporęczne systemy chłodzenia.
• Ulepszona wydajność elektryczna:
  • Wysokie napięcie przebicia: Pole elektryczne przebicia SiC jest około dziesięć razy większe niż krzemu. Niestandardowe podłoża mogą być zaprojektowane z określonymi poziomami domieszkowania (np. typu N lub półizolacyjnego) i gęstościami defektów, aby zmaksymalizować tę właściwość, umożliwiając urządzeniom obsługę znacznie wyższych napięć bez awarii.
  • Niski opór włączenia: W przypadku zastosowań przełączania mocy minimalizacja rezystancji włączenia jest kluczem do zmniejszenia strat przewodzenia. Niestandardową grubość podłoża i profile domieszkowania można dostosować w celu uzyskania najniższej możliwej rezystancji włączenia dla danego projektu urządzenia.
  • Praca z wysoką częstotliwością: Wysoka prędkość nasycenia elektronów SiC pozwala na wyższe częstotliwości przełączania. Właściwości podłoża można zoptymalizować, aby obsługiwać te szybkie prędkości przełączania, co prowadzi do mniejszych elementów pasywnych i bardziej kompaktowych systemów.
• Najwyższa wytrzymałość mechaniczna: SiC jest niezwykle twardym i stabilnym mechanicznie materiałem. Dostosowywanie może obejmować określone tolerancje wymiarowe, profilowanie krawędzi i obróbkę tylnej strony, aby zwiększyć zdolność podłoża do wytrzymywania rygorów obróbki końcowej (takich jak epitaksja i wytwarzanie urządzeń) oraz zapewnić długoterminową niezawodność w środowiskach wymagających mechanicznie.
• Dostosowana obojętność chemiczna i czystość: SiC jest wysoce odporny na atak chemiczny, nawet w podwyższonych temperaturach. Niestandardowe procesy produkcji podłoży mogą zapewnić ultra-wysokie poziomy czystości i specyficzne chemie powierzchni, które mają krytyczne znaczenie dla produkcji wrażliwych urządzeń półprzewodnikowych, gdzie zanieczyszczenie może pogorszyć wydajność lub wydajność.
• Geometrie i orientacje specyficzne dla zastosowań:
  • Średnica i grubość: Podłoża mogą być produkowane w różnych średnicach (np. 100 mm, 150 mm, 200 mm) i precyzyjnych grubościach dostosowanych do możliwości sprzętu i wymagań urządzenia.
  • Orientacja kryształów (odcięcie): Kąt i kierunek odcięcia od określonej płaszczyzny kryształu (np. 4° poza osią z płaszczyzny (0001) dla 4H-SiC) mają krytyczne znaczenie dla wysokiej jakości wzrostu epitaksjalnego. Dostosowywanie pozwala na precyzyjną kontrolę tych parametrów.
  • Płaskie i nacięcia: Specyficzne płaskie lub nacięcia do orientacji i obsługi płytek mogą być włącz
• Ulepszona wydajność i niezawodność urządzeń: Rozpoczynając od podłoża idealnie dopasowanego do zamierzonego zastosowania i kolejnych etapów przetwarzania, producenci mogą często poprawić wydajność urządzeń oraz zwiększyć ogólną niezawodność i żywotność swoich produktów końcowych. Niezbędne są tu niestandardowe specyfikacje gęstości defektów (np. gęstość mikrorur, dyslokacje płaszczyzny podstawowej).

Współpraca z dostawcą zdolnym do dostarczania wysokiej jakości, niestandardowe podłoża SiC jest zatem strategiczną przewagą dla firm działających na czele technologii.

4. Nawigacja po polimorfach i klasach SiC dla zastosowań w podłożach

Węglik krzemu jest unikalny ze względu na zdolność do występowania w wielu różnych strukturach krystalicznych, znanych jako polimorfy. Chociaż zidentyfikowano ponad 250 polimorfów SiC, tylko kilka z nich ma znaczenie komercyjne dla zastosowań podłoży ze względu na ich specyficzne właściwości elektroniczne i fizyczne. Zrozumienie tych polimorfów i dostępnych klas jest kluczowe dla wyboru odpowiedniego podłoża dla danego urządzenia.

Najczęściej stosowane polimorfy SiC do podłoży to:

• 4H-SiC (heksagonalny SiC): Jest to obecnie najczęściej stosowany polimorf do urządzeń energoelektronicznych.
  • Właściwości: Oferuje on szerszą przerwę energetyczną (~3,26 eV), wyższą ruchliwość elektronów (szczególnie wzdłuż osi c) i bardziej izotropowe właściwości w porównaniu z 6H-SiC. Przekłada się to na niższy opór w stanie przewodzenia i wyższe częstotliwości przełączania w urządzeniach.
  • Zastosowania: Stosowany głównie do wysokowoltowych tranzystorów MOSFET, diod Schottky'ego i urządzeń wysokiej częstotliwości.
• 6H-SiC (heksagonalny SiC): Historycznie 6H-SiC był bardziej powszechny ze względu na łatwiejszy wzrost kryształów, ale 4H-SiC w dużej mierze go zastąpił w większości zastosowań energetycznych.
  • Właściwości: Ma on nieco mniejszą przerwę energetyczną (~3,03 eV) i niższą ruchliwość elektronów w porównaniu z 4H-SiC. Może jednak wykazywać bardzo wysoką jakość kryształów.
  • Zastosowania: Nadal stosowany do niektórych urządzeń wysokiej częstotliwości RF, niektórych typów diod LED oraz jako podłoże do epitaksji GaN w niektórych przypadkach ze względu na dobre dopasowanie sieciowe z GaN. Znajduje również zastosowanie w niektórych czujnikach wysokotemperaturowych.
• 3C-SiC (kubiczny SiC): Znany również jako β-SiC, ten polimorf ma mniejszą przerwę energetyczną (~2,36 eV), ale potencjalnie wyższą ruchliwość elektronów niż 4H lub 6H.
  • Właściwości: Właściwości izotropowe. Głównym wyzwaniem było bezpośrednie hodowanie wysokiej jakości kryształów 3C-SiC o dużej średnicy. Często hodowane heteroepitaksjalnie na podłożach krzemowych, co wprowadza naprężenia i defekty.
  • Zastosowania: Zainteresowanie badawcze dla konkretnych zastosowań, takich jak MEMS, czujniki i potencjalnie niektóre tranzystory MOSFET, jeśli można pokonać problemy z jakością kryształów. Niezbyt powszechne w przypadku głównych urządzeń zasilających.

Oprócz polimorfów, podłoża SiC są dostępne w różnych klasach w oparciu o ich przewodnictwo elektryczne i jakość:

Tabela 1: Typowe klasy podłoży SiC i ich charakterystyka

Klasa	Typowy domieszka	Zakres rezystywności (Ω·cm)	Kluczowe cechy	Główne zastosowania
Typ N (przewodzący)	Azot (N)	0,015 – 0,028 (dla 4H-SiC)	Niska rezystywność, służy jako ścieżka przewodząca dla pionowego przepływu prądu w urządzeniach. Umożliwia tworzenie kontaktu omowego.	Tranzystory MOSFET mocy, diody Schottky'ego (SBD), IGBT (mniej powszechne w SiC), diody LED.
Półizolacyjny (SI)	Domieszkowanie wanadem (V) lub wewnętrzne (wysokiej czystości półizolacyjne – HPSI)	> 105 (często > 109 dla HPSI)	Wysoka rezystywność, minimalizuje straty RF i pasożytniczą pojemność podłoża. Zapewnia izolację elektryczną.	Wzmacniacze mocy RF (np. dla stacji bazowych 5G), MESFET, urządzenia wysokiej częstotliwości, niektóre zastosowania czujników. Klasy HPSI są preferowane ze względu na zmniejszone efekty pułapkowania związane z wanadem.
Typ P (przewodzący)	Glin (Al) lub Bor (B)	Zmienna, zwykle wyższa niż typ N dla podobnych poziomów domieszkowania ze względu na niższą ruchliwość dziur.	Mniej powszechne dla podłoży w urządzeniach z większością nośników, ale mogą być stosowane do specyficznych struktur urządzeń lub jako materiał wyjściowy dla niektórych procesów epitaksjalnych.	Niektóre urządzenia bipolarne (BJT), specyficzne konstrukcje czujników, cele badawcze.

Wybór polimorfu i klasy jest podstawową decyzją w projektowaniu urządzeń. Na przykład, zastosowania przełączania dużej mocy będą prawie wyłącznie wykorzystywać podłoża 4H-SiC typu N, podczas gdy zastosowania wysokiej częstotliwości RF będą skłaniać się ku podłożom półizolacyjnym (często HPSI 4H-SiC lub wysokiej jakości 6H-SiC). Gęstość defektów (mikrorury, dyslokacje, wady ułożenia) to kolejny krytyczny parametr klasyfikacji, przy czym klasy najwyższej jakości mają najniższą liczbę defektów, co jest niezbędne do produkcji urządzeń o wysokiej wydajności i wysokiej wydajności.

5. Krytyczne kwestie projektowe dla optymalnej wydajności podłoży SiC

Projektowanie lub wybór odpowiedniego podłoża SiC wiąże się z dokładnym rozważeniem kilku parametrów, które bezpośrednio wpływają na późniejszy wzrost epitaksjalny i ostateczną wydajność urządzenia. Rozważania te wykraczają poza samo wybranie polimorfu i klasy, zagłębiając się w fizyczne i krystalograficzne szczegóły płytki.

• Zrozumienie płytek SiC: Kluczowe typy, politipy i gatunki materiałów
  • Podłoża SiC są zwykle dostarczane z powierzchnią ściętą kilka stopni poza osią z podstawowej płaszczyzny krystalograficznej (np. płaszczyzny podstawowej (0001)). Dla 4H-SiC typowe kąty odcięcia wynoszą 4° lub 8° w kierunku <11-20>.
  • Znaczenie: To celowe odchylenie jest kluczowe dla wysokiej jakości wzrostu epitaksjalnego, szczególnie w przypadku trybu wzrostu przepływu schodkowego, który pomaga zmniejszyć tworzenie się niektórych typów defektów kryształów (takich jak wtrącenia 3C) w warstwie epitaksjalnej. Wybór kąta odcięcia i kierunku może wpływać na wbudowywanie domieszek, morfologię powierzchni i propagację defektów.
• Średnica i grubość:
  • Średnica: Typowe średnice to 100 mm (4 cale), 150 mm (6 cali), z przejściem na 200 mm (8 cali) w toku, aby obniżyć koszty na układ. Wybór często zależy od możliwości produkcyjnych odlewni i wielkości produkcji.
  • Grubość: Grubość podłoża musi być wystarczająca, aby zapewnić wsparcie mechaniczne podczas przetwarzania i obsługi, ale nie tak duża, aby niepotrzebnie zwiększać koszty materiału lub, w przypadku podłoży przewodzących, rezystancję szeregową. Typowe grubości wahają się od 350 µm do 500 µm dla płytek 100 mm i 150 mm. Często wymagane są niestandardowe grubości.
• Jakość powierzchni i przygotowanie:
  • Gotowość do epitaksji: Powierzchnia podłoża musi być wyjątkowo gładka i wolna od uszkodzeń podpowierzchniowych, zanieczyszczeń i cząstek, aby epitaksja przebiegała pomyślnie. Zazwyczaj osiąga się to poprzez polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP). Krytyczna jest powierzchnia „gotowa do epitaksji”.
  • Chropowatość powierzchni (Ra): Zazwyczaj określana w zakresie angstremów (np. Ra < 0,5 nm lub nawet < 0,2 nm).
  • Zadrapania, plamy i cząstki: Nakładane są ścisłe ograniczenia dotyczące obecności wszelkich widocznych defektów powierzchniowych.
• Płytki z węglika krzemu Jest to jeden z najbardziej krytycznych parametrów.
  • Gęstość mikrorur (MPD): Mikrorury to dyslokacje śrubowe o pustym rdzeniu, które rozchodzą się z podłoża do warstwy epitaksjalnej, działając jako śmiertelne defekty dla większości urządzeń. MPD jest zwykle określana jako < 1 cm^-2 dla klas najwyższej jakości, a postępy zmierzają w kierunku płytek o zerowej mikrorurze.
  • Gęstość dyslok BPD w podłożu może prowadzić do wad ułożenia w warstwie epitaksjalnej, co pogarsza wydajność urządzenia, szczególnie w przypadku urządzeń bipolarnych i powoduje V_f dryf w diodach PiN.
  • Dyslokacje śrubowe (TSD) i dyslokacje krawędziowe (TED): Wpływają one również na wydajność i niezawodność urządzenia.
  • Niska gęstość defektów jest kluczowa dla uzyskania wysokiej wydajności urządzeń, szczególnie w przypadku urządzeń o dużej powierzchni.
• Jednorodność rezystywności: W przypadku podłoży przewodzących, jednolita rezystywność na całej płytce jest ważna dla spójnych charakterystyk urządzenia. W przypadku podłoży półizolacyjnych kluczowe jest utrzymanie wysokiej rezystywności w sposób jednolity.
• Ugięcie i wypaczenie: Parametry te opisują odchylenie powierzchni płytki od idealnej płaszczyzny. Nadmierne wygięcie lub wypaczenie może powodować problemy w fotolitografii, epitaksji i innych etapach przetwarzania. Specyfikacje zwykle ograniczają wygięcie do < 30-50 µm, a wypaczenie do < 50-70 µm, w zależności od średnicy.
• Całkowita zmienność grubości (TTV): Różnica między maksymalną i minimalną grubością na całej płytce. Ścisła kontrola TTV jest niezbędna do jednolitego przetwarzania.
• Wykluczenie krawędzi: Określony obszar wokół obwodu płytki (np. 3-5 mm), który może nie spełniać wszystkich specyfikacji jakości podstawowej. Zminimalizowanie tego obszaru maksymalizuje liczbę użytecznych układów na płytkę.
• Znaki identyfikacyjne: Znaki identyfikacyjne grawerowane laserowo (standard SEMI) są używane do identyfikowalności płytek. Ważna jest jakość i umiejscowienie tych znaków.

Dokładne określenie tych parametrów projektowych, w konsultacji z kompetentnym dostawcą podłoży SiC, jest niezbędne, aby zapewnić optymalizację podłoża dla zamierzonej struktury urządzenia i procesu produkcji, co ostatecznie prowadzi do bardziej wydajnych i niezawodnych produktów końcowych.

6. Osiąganie precyzji: Tolerancja, wykończenie powierzchni i dokładność wymiarowa w podłożach SiC

Droga od surowego bule SiC do wysokowydajnego podłoża obejmuje serię skomplikowanych procesów kształtowania, obróbki i wykańczania. Osiągnięcie rygorystycznych tolerancji, nienagannego wykończenia powierzchni i precyzyjnej dokładności wymiarowej ma zasadnicze znaczenie dla pomyślnej produkcji zaawansowanych urządzeń półprzewodnikowych. Czynniki te bezpośrednio wpływają na jakość warstwy epitaksjalnej, rozdzielczość fotolitograficzną i ogólną wydajność urządzenia.

Kluczowe parametry i osiągalne specyfikacje:

• Tolerancja średnicy:
  • Zapewnia prawidłowe dopasowanie płytek do sprzętu do przetwarzania.
  • Typowa tolerancja: ±0,1 mm do ±0,2 mm średnicy nominalnej (np. 100 mm, 150 mm).
• Tolerancja grubości:
  • Kluczowa dla spójnych właściwości termicznych i elektrycznych oraz dla obsługi mechanicznej.
  • Typowa tolerancja: ±10 µm do ±25 µm od grubości nominalnej (np. 350 µm, 500 µm).
• Całkowita zmienność grubości (TTV):
  • Mierzy jednolitość grubości na całej płytce. Krytyczna dla jednolitego wzrostu epitaksjalnego i procesów planaryzacji.
  • Osiągalne wartości: < 10 µm, przy czym klasy premium dążą do < 5 µm.
• Bow:
  • Wklęsłość lub wypukłość powierzchni środkowej wolnej, niezamocowanej płytki. Wpływa na ogniskowanie litograficzne.
  • Osiągalne wartości: Zazwyczaj < 30 µm, ze ściślejszymi specyfikacjami dla większych średnic lub wymagających zastosowań.
• Warp:
  • Różnica między maksymalną i minimalną odległością powierzchni środkowej od płaszczyzny odniesienia. Wskazuje ogólną płaskość płytki. Wpływa na mocowanie i obsługę.
  • Osiągalne wartości: Zazwyczaj < 40 µm.
• Chropowatość powierzchni (np. Ra, Rms, Rq):
  • Strona Si (strona polerowania): Jest to krytyczna powierzchnia dla wzrostu epitaksjalnego. Musi być gładka atomowo.
    • Osiągalne Ra: < 0,5 nm, często < 0,2 nm po chemiczno-mechanicznym polerowaniu (CMP). Niektóre specyfikacje dążą do < 0,1 nm.
  • Strona C (tylna strona): Zazwyczaj szlifowana lub docierana, może być również polerowana w zależności od zastosowania (np. dla płytek polerowanych dwustronnie lub specyficznych wymagań dotyczących kontaktu termicznego). Chropowatość jest generalnie wyższa niż na stronie Si.
• Profil krawędzi i odpryski:
  • Płytki mają zwykle zaokrągloną lub fazowaną krawędź, aby zapobiec odpryskiwaniu podczas obsługi i przetwarzania. Profil musi być spójny.
  • Ścisłe ograniczenia dotyczące wielkości i liczby odprysków krawędzi.
• Precyzja płaskości lub nacięcia orientacji
  • Płaskie powierzchnie (dla mniejszych średnic) lub nacięcia (dla większych średnic, np. standard SEMI) służą do orientacji wafla w urządzeniach procesowych i wskazują orientację krystalograficzną.
  • Długość i tolerancja kątowa tych cech są krytyczne. Na przykład, tolerancja długości płaskiej powierzchni może wynosić ±1 mm, a tolerancja orientacji kątowej ±0,5°.
• Płaskość powierzchni (np. STIR – Site Total Indicated Reading):
  • Mierzy płaskość na zlokalizowanych obszarach (miejscach), gdzie będą wytwarzane poszczególne matryce. Niezwykle ważne dla litografii o cienkich liniach.
  • Osiągalne wartości zależą od wielkości miejsca, ale mogą być submikronowe.
• Defekty powierzchniowe:
  • Specyfikacje będą ograniczać liczbę i wielkość zadrapań, wżerów, plam, cząstek i innych defektów wizualnych na polerowanej powierzchni. Do kwantyfikacji stosuje się zautomatyzowane systemy inspekcji.
  • Uszkodzenia podpowierzchniowe powstałe podczas szlifowania i docierania muszą zostać całkowicie usunięte w procesie CMP.

Tabela 2: Typowe specyfikacje wymiarowe i wykończenia powierzchni dla podłoży SiC Prime

Parametr	Typowa specyfikacja (przykład 150 mm N-typ 4H-SiC)
Średnica	150 mm ± 0,2 mm
Grubość	350 µm ± 15 µm lub 500 µm ± 20 µm
Orientacja płaskiej powierzchni/nacięcia głównego	Prostopadła do <11-20> ± 0,5° (lub innego określonego kierunku)
Kąt odcięcia	4,0° ± 0,25° (w kierunku określonym)
TTV	< 10 µm (często < 5 µm dla klasy premium)
Ugięcie	< 30 µm
Wypaczenie	< 40 µm
Chropowatość powierzchni Si-Face (Ra)	< 0,2 nm
Gęstość mikrorur (MPD)	< 0,5 cm-2 (lub określona przez klasę)
Wykluczenie krawędzi	3 mm

Osiągnięcie tych rygorystycznych specyfikacji wymaga zaawansowanego sprzętu metrologicznego i solidnej kontroli procesów w całym łańcuchu produkcji podłoży. Dla kierowników ds. zaopatrzenia i nabywców technicznych istotne jest jasne zdefiniowanie tych wymagań u dostawcy, aby zapewnić, że podłoża spełniają wymagania ich specyficznych linii produkcyjnych i projektów urządzeń.

7. Niezbędne potrzeby w zakresie obróbki końcowej dla wysokiej jakości podłoży SiC

Po wstępnym cięciu buł SiC i wstępnym kształtowaniu (szlifowaniu i docieraniu) wafla, koniecznych jest kilka krytycznych etapów obróbki końcowej, aby przekształcić je w wysokiej jakości podłoża „gotowe do epitaksji”. Kroki te mają na celu uzyskanie rygorystycznego wykończenia powierzchni, czystości i tolerancji wymiarowych wymaganych do pomyślnego wzrostu epitaksjalnego i produkcji urządzeń.

Kluczowe etapy obróbki końcowej obejmują:

• Polerowanie chemiczno-mechaniczne (CMP):
  • Jest to prawdopodobnie najważniejszy etap obróbki końcowej dla uzyskania atomowo gładkiej i wolnej od uszkodzeń powierzchni na powierzchni Si (a czasem C) podłoża SiC.
  • CMP obejmuje polerowanie wafla za pomocą zawiesiny chemicznej (zawierającej cząstki ścierne i odczynniki chemiczne) i podkładki polerskiej. Proces łączy ścieranie mechaniczne z trawieniem chemicznym w celu usunięcia materiału.
  • Cel: Aby wyeliminować uszkodzenia podpowierzchniowe powstałe w wyniku wcześniejszego szlifowania i docierania, zmniejszyć chropowatość powierzchni do poziomu angstromów (np. Ra < 0,2 nm) i uzyskać doskonałą płaskość powierzchni.
  • Do uzyskania ostatecznego pożądanego wykończenia można użyć wielu etapów CMP z różnymi zawiesinami i podkładkami.
• Zaawansowane procesy czyszczenia:
  • Po CMP i innych etapach obsługi, podłoża muszą przejść rygorystyczne czyszczenie w celu usunięcia wszelkich pozostałych cząstek zawiesiny, zanieczyszczeń metalicznych, pozostałości organicznych i innych zanieczyszczeń.
  • Sekwencje czyszczenia często obejmują wiele etapów, w tym:
    • Czyszczenie rozpuszczalnikiem (np. acetonem, IPA).
    • Roztwory kwasowe (np. trawienie Piranha (H₂SO₄ + H₂O₂), SC-2 (HCl + H₂O₂ + H₂O)) w celu usunięcia zanieczyszczeń organicznych i metalicznych.
    • Roztwory alkaliczne (np. SC-1 (NH₄OH + H₂O₂ + H₂O)) w celu usunięcia cząstek.
    • Płukanie i suszenie wodą DI (np. suszenie wirowe, suszenie Marangoni).
  • Celem jest uzyskanie wolnej od cząstek, atomowo czystej powierzchni, często weryfikowanej za pomocą technik takich jak inspekcja powierzchni rozpraszania światła.
• Inspekcja powierzchni i metrologia:
  • W trakcie i po obróbce końcowej przeprowadzana jest obszerna inspekcja i metrologia.
  • Zautomatyzowane skanery powierzchni: Narzędzia takie jak KLA-Tencor Candela lub Surfscan służą do wykrywania i mapowania cząstek, zadrapań, wżerów i innych defektów powierzchni z dużą czułością.
  • Mikroskopia sił atomowych (AFM): Służy do kwantyfikacji chropowatości powierzchni w nanoskali i obrazowania morfologii powierzchni.
  • Dyfrakcja rentgenowska (XRD) / Topografia rentgenowska (XRT): Aby zweryfikować orientację kryształu, kąt odcięcia i ocenić jakość krystaliczną (np. gęstość defektów, naprężenie).
  • Mikroskopia optyczna: Do wizualnej inspekcji defektów, jakości krawędzi i znaków laserowych.
  • Systemy pomiaru grubości, TTV, Bow, Warp: Aby upewnić się, że parametry wymiarowe mieszczą się w specyfikacji.
• Obróbka tylnej strony (opcjonalna, ale powszechna):
  • Podczas gdy przód (strona Si) otrzymuje najwięcej uwagi, tył (strona C) może również przejść specyficzną obróbkę.
  • Szlifowanie/docieranie tylnej strony: Aby uzyskać docelową grubość i poprawić równoległość tylnej strony.
  • Polerowanie tylnej strony: Do zastosowań wymagających wafla polerowanego dwustronnie (DSP) lub poprawionego kontaktu termicznego.
  • Metalizacja tylnej strony: W niektórych przypadkach warstwa metalu (np. Ti/Ni/Ag) może być osadzana na tylnej stronie podłoży przewodzących w celu ułatwienia tworzenia kontaktu omowego lub poprawy mocowania matrycy podczas pakowania urządzenia. Zazwyczaj robi to producent urządzenia, ale czasami może być oferowane jako usługa na poziomie podłoża.
• Znakowanie laserowe:
  • Znaczniki laserowe w standardzie SEMI lub niestandardowe są nakładane na wafelek (zazwyczaj na tylnej stronie lub w strefie wykluczenia krawędzi przedniej strony) w celu identyfikacji i identyfikowalności w całym procesie produkcji. Proces znakowania musi być czysty i nie powodować naprężeń ani cząstek.
• Profilowanie krawędzi/fazowanie:
  • Zapewnia gładkie, zaokrąglone krawędzie, aby zminimalizować odpryski podczas obsługi i przetwarzania, co może być źródłem generowania cząstek.
• Ostateczne czyszczenie i pakowanie:
  • Ostatni etap czyszczenia jest wykonywany przed zapakowaniem podłoży w sp