تأثیر پردازش تک کریستال کاربید سیلیکون بر کیفیت سطح ویفر

دستگاه های قدرت نیمه هادی جایگاه اصلی را در سیستم های الکترونیک قدرت اشغال می کنند، به ویژه در زمینه توسعه سریع فناوری هایی مانند هوش مصنوعی، ارتباطات 5G و وسایل نقلیه انرژی جدید، الزامات عملکرد برای آنها بهبود یافته است.

کاربید سیلیکون(4H-SiC) به دلیل مزایایی مانند گپ باند گسترده، هدایت حرارتی بالا، قدرت میدان شکست بالا، نرخ رانش اشباع بالا، پایداری شیمیایی و مقاومت در برابر تشعشع، به یک ماده ایده‌آل برای ساخت دستگاه‌های قدرت نیمه‌رسانا با کارایی بالا تبدیل شده است. با این حال، 4H-SiC دارای سختی بالا، شکنندگی بالا، بی اثری شیمیایی قوی و دشواری پردازش بالا است. کیفیت سطح ویفر بستر آن برای کاربردهای دستگاه در مقیاس بزرگ بسیار مهم است.
بنابراین، بهبود کیفیت سطح ویفرهای بستر 4H-SiC، به ویژه حذف لایه آسیب دیده روی سطح پردازش ویفر، کلید دستیابی به پردازش ویفر بستر 4H-SiC کارآمد، کم تلفات و با کیفیت بالا است.

آزمایش کنید
این آزمایش از یک شمش 4 اینچی نوع N 4H-SiC که با روش انتقال فیزیکی بخار رشد می‌کند، استفاده می‌کند که از طریق برش سیم، آسیاب، آسیاب خشن، آسیاب ریز و صیقل پردازش می‌شود و ضخامت حذف سطح C و سطح Si را ثبت می‌کند. و ضخامت نهایی ویفر در هر فرآیند.

شکل 1 نمودار شماتیک ساختار کریستالی 4H-SiC

شکل 2 ضخامت حذف شده از سمت C و سمت Si از 4H-ویفر SiCپس از مراحل مختلف پردازش و ضخامت ویفر پس از پردازش

 

ضخامت، مورفولوژی سطح، زبری و خواص مکانیکی ویفر به طور کامل توسط تست‌کننده پارامتر هندسه ویفر، میکروسکوپ تداخل دیفرانسیل، میکروسکوپ نیروی اتمی، ابزار اندازه‌گیری زبری سطح و نانواینتر مشخص شد. علاوه بر این، از پراش سنج اشعه ایکس با وضوح بالا برای ارزیابی کیفیت کریستال ویفر استفاده شد.
این مراحل آزمایشی و روش‌های آزمایش، پشتیبانی فنی دقیقی را برای مطالعه میزان حذف مواد و کیفیت سطح در طول پردازش 4H- فراهم می‌کنند.ویفرهای SiC.
از طریق آزمایش‌ها، محققان تغییرات در نرخ حذف مواد (MRR)، مورفولوژی سطح و زبری، و همچنین خواص مکانیکی و کیفیت کریستال 4H- را تجزیه و تحلیل کردند.ویفرهای SiCدر مراحل مختلف پردازش (برش سیم، آسیاب، سنگ زنی خشن، آسیاب ریز، پرداخت).

شکل 3 میزان حذف مواد از C-face و Si-face 4H-ویفر SiCدر مراحل مختلف پردازش

این مطالعه نشان داد که به دلیل ناهمسانگردی خواص مکانیکی وجه‌های کریستالی مختلف 4H-SiC، تفاوت MRR بین C-face و Si-face تحت یک فرآیند مشابه وجود دارد و MRR سطح C به طور قابل توجهی بالاتر از که از سی فیس. با پیشرفت مراحل پردازش، مورفولوژی سطح و زبری ویفرهای 4H-SiC به تدریج بهینه می شود. پس از پرداخت، Ra از C-face 0.24nm است و Ra of Si-face به 0.14nm می رسد که می تواند نیازهای رشد اپیتاکسیال را برآورده کند.

شکل 4 تصاویر میکروسکوپ نوری از سطح C (a~e) و سطح Si (f~j) ویفر 4H-SiC پس از مراحل مختلف پردازش

شکل 5 تصاویر میکروسکوپ نیروی اتمی از سطح C (a~c) و سطح Si (d~f) ویفر 4H-SiC پس از مراحل پردازش CLP، FLP و CMP

شکل 6 (الف) مدول الاستیک و (ب) سختی سطح C و سطح سی ویفر 4H-SiC پس از مراحل مختلف پردازش

آزمایش خواص مکانیکی نشان می‌دهد که سطح C ویفر دارای چقرمگی ضعیف‌تری نسبت به مواد سطح Si، درجه بیشتری از شکستگی شکننده در طول پردازش، حذف سریع‌تر مواد، و مورفولوژی و زبری سطح نسبتاً ضعیف است. حذف لایه آسیب دیده روی سطح پردازش شده کلید بهبود کیفیت سطح ویفر است. عرض نیم ارتفاع منحنی تکان دهنده 4H-SiC (0004) را می توان برای توصیف و تجزیه و تحلیل دقیق و بصری لایه آسیب سطحی ویفر استفاده کرد.

شکل 7 (0004) منحنی تکان دهنده نصف عرض C-face و Si-face ویفر 4H-SiC پس از مراحل مختلف پردازش

نتایج تحقیقات نشان می دهد که لایه آسیب سطحی ویفر را می توان به تدریج پس از پردازش ویفر 4H-SiC حذف کرد که به طور موثر کیفیت سطح ویفر را بهبود می بخشد و مرجع فنی برای پردازش با راندمان بالا، کم تلفات و با کیفیت بالا فراهم می کند. ویفرهای بستر 4H-SiC.

محققان ویفرهای 4H-SiC را از طریق مراحل مختلف پردازش مانند برش سیم، آسیاب، آسیاب خشن، آسیاب ریز و صیقل پردازش کردند و اثرات این فرآیندها را بر کیفیت سطح ویفر مورد مطالعه قرار دادند.
نتایج نشان می دهد که با پیشرفت مراحل پردازش، مورفولوژی سطح و زبری ویفر به تدریج بهینه می شود. پس از پرداخت، زبری C-face و Si-face به ترتیب به 0.24nm و 0.14nm می رسد که الزامات رشد اپیتاکسیال را برآورده می کند. وجه C ویفر دارای چقرمگی ضعیف تری نسبت به مواد Si-face است و بیشتر در معرض شکستگی شکننده در حین پردازش است که در نتیجه مورفولوژی و زبری سطح نسبتاً ضعیفی دارد. حذف لایه آسیب سطحی سطح پردازش شده کلید بهبود کیفیت سطح ویفر است. نصف عرض منحنی تکان دهنده 4H-SiC (0004) می تواند به طور مستقیم و دقیق لایه آسیب سطحی ویفر را مشخص کند.
تحقیقات نشان می دهد که لایه آسیب دیده روی سطح ویفرهای 4H-SiC را می توان به تدریج از طریق پردازش ویفر 4H-SiC حذف کرد و به طور موثر کیفیت سطح ویفر را بهبود بخشید و یک مرجع فنی برای کارایی بالا، کم تلفات و بالا ارائه کرد. پردازش کیفی ویفرهای بستر 4H-SiC.