Kiselkarbid Epi Wafer

Epi-wafers av kiselkarbid är viktiga för krafthalvledarenheter, som kräver exakt kontroll av tjocklek och dopning. Stora ytdefekter kan minska utbytet avsevärt; av denna anledning måste noggrann inspektion och defektkartläggning ske före produktion.

Defekterna avleder ström, minskar effektiviteten och kan till och med orsaka tidiga fel på enheten. Dessutom ökar defekterna driftstemperaturen och medför ökade kostnader för slutanvändarna.

1. Tjocklek

Sic-epi-skivor är små skivor av kiselkarbid med en diameter på 100-150 mm som används i krafthalvledarkomponenter. För att tillverka dessa kraftanordningar måste ett epi-skikt med hög sic-kvalitet odlas på ett elektriskt ledande substrat; dess kvalitet har en omedelbar inverkan på deras prestanda.

SiC epi-skivans tjocklek och dopantnivåer beror på driftspänningen och den enhet som tillverkas; tjockare skivor måste tillverkas för enheter som arbetar med högre spänningar och enhetlig tjocklek/dopantnivåer överallt.

SiC epi-wafers måste uppfylla kraven på både tjocklek och dopningsmedelsnivåer; dessutom måste de vara fria från ytdefekter som kristallina staplingsfel, mikropipor, gropar, repor och fläckar som kan leda till fel på den slutliga enheten. Dessa defekter får inte heller störa prestandatestningen.

Tillverkarna måste använda en rigorös inspektions- och klassificeringsprocess för att säkerställa att deras epi-skivor är fria från defekter, t.ex. genom att testa dem för föroreningspartiklar genom sandblästring och applicering av en oxidmask och genom att inspektera dem med ett svepelektronmikroskop för att upptäcka defekter; när de konstaterats vara fria från defekter betraktas de som produkter av hög kvalitet.

2. Koncentration av bärare

Sic epi-wafers är viktiga material i krafthalvledarapplikationer eftersom de minskar energiförlusterna genom att låta mer ström passera genom dem och avge mindre värme, vilket bidrar till att minska energiförlusterna.

På grund av sina unika egenskaper kan epitaxiella kiselkarbidskivor vara svårare att producera med hög kvalitet än motsvarande kiselskivor, eftersom de kräver högre temperaturer och sämre tillväxtförhållanden.

Att kontrollera bärarkoncentrationen på en sic epi-skiva är avgörande för optimal enhetsprestanda. Bärarkoncentrationen kan påverkas av flera faktorer, bland annat epilagrets tillväxthastighet och ytkondition samt defekter på ytan.

Optiska övervakningstekniker används för att mäta tjockleken och bärarkoncentrationen på sic epi-wafers. FTIR-reflektometri (Fourier-transform infrared) är en utmärkt icke-destruktiv metod för att ge exakta resultat på lager som är några hundra nanometer tjocka; dessutom kan den upptäcka staplingsfel som kännetecknas av triangelformade fläckar eller mörka utrymmen med vertikala sidor i någon av dess fyra dimensioner [11-20].

Den kan också detektera bunching av korta steg, vilket inträffar när steg med olika tillväxthastigheter kommer i kontakt med varandra och smälter samman, vilket potentiellt kan minska strömförande kapacitet och leda till minskad effektivitet.

3. Stora punktdefekter

Stora punktdefekter, eller gitterdefekter, är defekter som orsakar strömläckage vid en eller flera gitterpunkter, vanligtvis som ett resultat av främmande material (nedfall) på antingen ett enkristallsubstrat eller epitaxialskikt under waferproduktionen. Vanligtvis deponeras dessa material på ytan, men i fall som SiC kan de också uppstå inom det epitaxiella skiktet.

Dessa defekter kan utgöra ett allvarligt problem för de färdiga halvledarkomponenterna. De kan orsaka spänningsfall eller till och med fel på enheten; därför är det viktigt att deras densitet förblir så låg som möjligt.

Inspektion är avgörande för att säkerställa att wafers är fria från defekter, och det finns två huvudmetoder - ytinspektion och inspektion under ytan. Ytinspektion kräver att man använder KOH för att etsa synliga defekter till en storlek som är lätt att se - en ineffektiv destruktiv teknik som inte lämpar sig för massproduktionsmiljöer. Inspektion under ytan ger en mer effektiv men dyrare täckning av defekter.

Vid inspektion under ytan används konfokalmikroskop för att upptäcka defekter under det epitaxiala skiktet, så kallade morotsdefekter, som kan störa tillväxten eller orsaka dislokationer inom det. Fotoluminiscensavbildning är ett annat icke-destruktivt sätt att upptäcka defekter under ytan och kan upptäcka mikropipor, staplingsfel, dislokationer i trådkanten och korngränser.

4. Ytjämnhet

Krafthalvledare kräver utmärkt ytkvalitet för att leda elektrisk ström med hög densitet, vilket är avgörande för att nå höga utbyten. Därför genomgår epitaxiala wafers stränga inspektionsförfaranden med fokus på geometriska egenskaper, resistivitet, defektbedömning och bedömning av ytjämnhet.

Forskare som studerar kvaliteten på 4H-SiC-ytor har upptäckt att deras grovhet varierar med C/Si-förhållandet som används för tillväxt, med C/Si på 0,85 som ger stegfördelning med höjder mellan 35 nm och 59 nm; forskarna tror att detta makrosteg orsakas av nukleering eller glidning av dislokationer i basalplanet, medan stegaggregat också kan bero på skillnader mellan diffusionslängden för Si på axeln och Si utanför axeln.

4H-SiC-wafers grovhet beror på dess tjocklek. Detta visades genom analys av RMS-råhet (root mean square) för 4H-SiC-wafers med och utan axel med 20 nm krökningsradie; RMS-råheten ökade med ökande tjocklek, medan wafers utan axel visade lägre skalningsexponent än sina motsvarigheter med axel.

Denna trend verifierades ytterligare genom en AFM-mätning (Atomic Force Microscope) av grovheten mellan 3C-SiC-prover i och utanför axeln med hjälp av en standard AFM-spets, vilket visade att 3C-SiC i axeln uppvisar betydligt större grovhet jämfört med prover utanför axeln.