I dispositivi di potenza a semiconduttore occupano una posizione centrale nei sistemi elettronici di potenza, soprattutto nel contesto del rapido sviluppo di tecnologie come l'intelligenza artificiale, le comunicazioni 5G e i nuovi veicoli energetici, i loro requisiti prestazionali sono stati migliorati.
Carburo di silicio(4H-SiC) è diventato un materiale ideale per la produzione di dispositivi di potenza a semiconduttore ad alte prestazioni grazie ai suoi vantaggi quali ampio gap di banda, elevata conduttività termica, elevata intensità del campo di rottura, elevato tasso di deriva della saturazione, stabilità chimica e resistenza alle radiazioni. Tuttavia, il 4H-SiC ha elevata durezza, elevata fragilità, forte inerzia chimica ed elevata difficoltà di lavorazione. La qualità della superficie del wafer di substrato è fondamentale per le applicazioni di dispositivi su larga scala.
Pertanto, migliorare la qualità della superficie dei wafer di substrato 4H-SiC, in particolare rimuovendo lo strato danneggiato sulla superficie di lavorazione dei wafer, è la chiave per ottenere un'elaborazione dei wafer di substrato 4H-SiC efficiente, con poche perdite e di alta qualità.
Sperimentare
L'esperimento utilizza un lingotto 4H-SiC di tipo N da 4 pollici cresciuto con il metodo del trasporto fisico del vapore, che viene lavorato tramite taglio a filo, molatura, molatura grossolana, molatura fine e lucidatura e registra lo spessore di rimozione della superficie C e della superficie Si e lo spessore finale del wafer in ciascun processo.
Figura 1 Diagramma schematico della struttura cristallina 4H-SiC
Figura 2 Spessore rimosso dal lato C e dal lato Si di 4H-Wafer SiCdopo diverse fasi di lavorazione e spessore del wafer dopo la lavorazione
Lo spessore, la morfologia superficiale, la rugosità e le proprietà meccaniche del wafer sono stati completamente caratterizzati mediante tester dei parametri della geometria del wafer, microscopio a interferenza differenziale, microscopio a forza atomica, strumento di misurazione della rugosità superficiale e nanoindentatore. Inoltre, è stato utilizzato un diffrattometro a raggi X ad alta risoluzione per valutare la qualità dei cristalli del wafer.
Queste fasi sperimentali e metodi di prova forniscono un supporto tecnico dettagliato per lo studio della velocità di rimozione del materiale e della qualità della superficie durante la lavorazione di 4H-Wafer SiC.
Attraverso esperimenti, i ricercatori hanno analizzato i cambiamenti nel tasso di rimozione del materiale (MRR), nella morfologia e nella rugosità superficiale, nonché nelle proprietà meccaniche e nella qualità dei cristalli di 4H-Wafer SiCin diverse fasi di lavorazione (taglio a filo, molatura, sgrossatura, molatura fine, lucidatura).
Figura 3 Tasso di rimozione del materiale della faccia C e della faccia Si di 4H-Wafer SiCin diverse fasi di lavorazione
Lo studio ha rilevato che, a causa dell'anisotropia delle proprietà meccaniche delle diverse facce cristalline del 4H-SiC, esiste una differenza nell'MRR tra la faccia C e la faccia Si nell'ambito dello stesso processo e l'MRR della faccia C è significativamente più alto di quello di Si-face. Con l'avanzamento delle fasi di lavorazione, la morfologia superficiale e la rugosità dei wafer 4H-SiC vengono gradualmente ottimizzate. Dopo la lucidatura, il Ra della faccia C è di 0,24 nm e il Ra della faccia Si raggiunge 0,14 nm, il che può soddisfare le esigenze di crescita epitassiale.
Figura 4 Immagini al microscopio ottico della superficie C (a~e) e della superficie Si (f~j) del wafer 4H-SiC dopo diverse fasi di lavorazione
Figura 5 Immagini al microscopio a forza atomica della superficie C (a~c) e della superficie Si (d~f) del wafer 4H-SiC dopo le fasi di elaborazione CLP, FLP e CMP
Figura 6 (a) modulo elastico e (b) durezza della superficie C e della superficie Si del wafer 4H-SiC dopo diverse fasi di lavorazione
Il test delle proprietà meccaniche mostra che la superficie C del wafer ha una tenacità inferiore rispetto al materiale superficiale Si, un grado maggiore di frattura fragile durante la lavorazione, una rimozione del materiale più rapida e una morfologia e ruvidità superficiale relativamente scarsa. La rimozione dello strato danneggiato sulla superficie lavorata è la chiave per migliorare la qualità della superficie del wafer. La larghezza di mezza altezza della curva di oscillazione 4H-SiC (0004) può essere utilizzata per caratterizzare e analizzare in modo intuitivo e accurato lo strato danneggiato superficiale del wafer.
Figura 7 (0004) curva di oscillazione a metà larghezza delle facce C e Si del wafer 4H-SiC dopo diverse fasi di lavorazione
I risultati della ricerca mostrano che lo strato danneggiato sulla superficie del wafer può essere gradualmente rimosso dopo la lavorazione del wafer 4H-SiC, il che migliora efficacemente la qualità della superficie del wafer e fornisce un riferimento tecnico per un'elaborazione ad alta efficienza, con poche perdite e di alta qualità di wafer di substrato 4H-SiC.
I ricercatori hanno lavorato i wafer 4H-SiC attraverso diverse fasi di lavorazione come taglio a filo, molatura, molatura grossolana, molatura fine e lucidatura, e hanno studiato gli effetti di questi processi sulla qualità della superficie del wafer.
I risultati mostrano che con l’avanzamento delle fasi di lavorazione, la morfologia superficiale e la rugosità del wafer vengono progressivamente ottimizzate. Dopo la lucidatura, la rugosità delle facce C e Si raggiunge rispettivamente 0,24 nm e 0,14 nm, soddisfacendo i requisiti di crescita epitassiale. La faccia C del wafer ha una tenacità inferiore rispetto al materiale della faccia Si ed è più soggetta a fratture fragili durante la lavorazione, con conseguente morfologia superficiale e ruvidità relativamente scadenti. La rimozione dello strato danneggiato dalla superficie lavorata è la chiave per migliorare la qualità della superficie del wafer. La metà della larghezza della curva d'oscillazione del 4H-SiC (0004) può caratterizzare in modo intuitivo e accurato lo strato danneggiato superficiale del wafer.
La ricerca mostra che lo strato danneggiato sulla superficie dei wafer 4H-SiC può essere gradualmente rimosso attraverso la lavorazione dei wafer 4H-SiC, migliorando efficacemente la qualità della superficie del wafer, fornendo un riferimento tecnico per alta efficienza, basse perdite e alta efficienza. elaborazione di qualità dei wafer di substrato 4H-SiC.
Orario di pubblicazione: 08 luglio 2024