S rychlým rozvojem výkonové elektroniky, karbid křemíku (SiC) se stal slibným materiálem pro zařízení příští generace díky svému širokému pásmovému úseku, vysoké tepelné vodivosti a vynikajícím elektrickým vlastnostem. Ve srovnání s tradičním křemíkem umožňuje SiC zařízení s vyšší napěťovou tolerancí, nižšími spínacími ztrátami a lepší stabilitou při vysokých teplotách.
Příprava povrchu SiC destičky zůstává zásadní výzvou. Široce používaný proces čištění RCA, původně vyvinutý pro křemíkové destičky, nemusí být přímo použitelný pro SiC kvůli zásadním rozdílům v chemii povrchu a struktuře vazeb.
Tato studie zkoumá omezení čištění SiC pomocí RCA a představuje novou metodu čištění bez použití HF založenou na peroxidu vodíku aktivovaném komplexem přechodných kovů.
Omezení čištění RCA pro SiC
Proces čištění RCA obvykle zahrnuje kyselinu fluorovodíkovou (HF), která odstraňuje původní oxidy a nečistoty z křemíkových povrchů. Při použití na SiC:
- Analýza rentgenovou fotoelektronovou spektroskopií (XPS) ukazuje, že fluor reaguje s atomy uhlíku v SiC a vytváří nežádoucí chemické vazby.
- Výpočetní simulace dále naznačují, že tyto interakce mohou zúžit pásovou mezeru SiC a potenciálně zhoršit jeho elektronické vlastnosti.
Tato zjištění naznačují, že ošetření na bázi HF může poškodit vnitřní vlastnosti SiC, takže běžné čištění RCA je pro vysoce výkonné aplikace nevhodné.
Vývoj nové metody čištění
Pro řešení těchto omezení byl vyvinut nový přístup k čištění s následujícími charakteristikami:
- Bezhalogenový proces, který eliminuje poškození způsobené fluorem.
- Použití komplexů přechodných kovů (např. komplexů mědi)
- Aktivace peroxidu vodíku (H₂O₂) za vzniku reaktivních radikálů
- Redukce kroků čištění na tři zjednodušené fáze
Na rozdíl od běžných přístupů, které se kovům vyhýbají, tato metoda záměrně zavádí řízené komplexy kovů, které katalyzují tvorbu radikálů a zvyšují účinnost odstraňování kontaminantů.
Metody experimentálního hodnocení
K vyhodnocení čisticího výkonu bylo použito více charakterizačních technik:
- Mikroskopie atomárních sil (AFM): Morfologie povrchu a detekce částic
- Měření kontaktního úhlu vody: Hodnocení smáčivosti povrchu a organických zbytků
- Systém kontroly povrchu Candela: Kontrola vad na 3palcových destičkách
- Celková rentgenová fluorescence (TXRF): Analýza kontaminace stopovými kovy
Výsledky a diskuse
Morfologie a čistota povrchu
Snímky AFM ukazují, že:
- Před čištěním obsahuje povrch SiC četné částice a organické zbytky (kontaktní úhel ~ 70°, což svědčí o hydrofobním znečištění).
- Po čištění RCA zůstávají na povrchu zbytkové částice.
- Po nové metodě čištění nejsou zjištěny žádné viditelné částice a kontaktní úhel se sníží na ~ 42°, což svědčí o lepší hydrofilitě povrchu.
Tyto výsledky potvrzují účinné odstraňování částic i organických nečistot (např. zbytků vosku).
Redukce defektů na destičce
Candela kontrola 3palcových SiC destiček ukazuje výrazné snížení počtu částic po použití nové metody. Toto pozorování je v souladu s výsledky AFM a potvrzuje platnost procesu v měřítku destiček.
Mechanismus je přisuzován:
- Katalytické působení komplexů mědi
- Řízená tvorba reaktivních kyslíkových radikálů z peroxidu vodíku
- Zvýšené odstraňování povrchových částic oxidačními reakcemi
Analýza kontaminace kovy
Navzdory použití měďnatých komplexů:
- Analýza TXRF nezjistila na povrchu destičky žádné zbytky mědi.
- Po vyčištění nejsou pozorovány žádné další kovové nečistoty.
To naznačuje, že proces dosahuje vysoké účinnosti čištění bez sekundární kontaminace, což je klíčový problém při zpracování polovodičů.
Výhody nové metody čištění
- Eliminuje poškození SiC způsobené vysokofrekvenčním zářením
- Dosahuje nízké hustoty defektů a vysoké čistoty povrchu.
- Odstraňuje částice i organické zbytky
- Snížení složitosti procesu (méně kroků)
- Zabraňuje kontaminaci zbytkovými kovy
- Kompatibilní s průmyslovým zpracováním waferů
Závěr
Tato studie ukazuje, že konvenční čištění RCA není pro SiC destičky zcela vhodné kvůli škodlivým účinkům VF na povrch materiálu a jeho elektronické vlastnosti.
Navrhovaná metoda čištění bez použití HF, založená na peroxidu vodíku aktivovaném komplexy přechodných kovů, představuje účinnou alternativu. Umožňuje:
- Účinné odstraňování částic a kontaminantů
- Zachování vlastností materiálu SiC
- Lepší smáčivost a čistota povrchu
- Škálovatelná aplikace pro výrobu polovodičů
Tento přístup nabízí slibnou cestu pro pokročilé zpracování SiC destiček a podporuje další vývoj vysoce výkonných výkonových a RF zařízení.