Siliciumcarbide (SiC) is uitgegroeid tot een van de belangrijkste halfgeleidermaterialen voor de volgende generatie vermogenselektronica. Dankzij de brede bandkloof, de hoge thermische geleidbaarheid en het superieure elektrische doorbraakveld bieden SiC-componenten aanzienlijke voordelen ten opzichte van traditionele, op silicium gebaseerde technologieën in elektrische voertuigen, systemen voor hernieuwbare energie, industriële aandrijvingen en hoogspanningsomvormers.

Ondanks deze voordelen blijft de productie van hoogwaardige SiC-wafers een van de technisch meest veeleisende processen in de halfgeleiderindustrie. In vergelijking met siliciumwafers zijn SiC-substraten moeilijker te kweken, te bewerken en te polijsten vanwege hun unieke materiaaleigenschappen.

Van kristalgroei tot het snijden van wafers en chemisch-mechanisch polijsten (CMP): elke fase brengt aanzienlijke technische uitdagingen met zich mee die rechtstreeks van invloed zijn op de kwaliteit, de opbrengst en de kosten van de wafers.

In dit artikel wordt ingegaan op de belangrijkste problemen die zich voordoen bij SiC wafer productie en legt uit waarom het vervaardigen van foutloze SiC-substraten een cruciale uitdaging voor de sector blijft.

Waarom is SiC moeilijker te vervaardigen dan silicium?

De belangrijkste reden ligt in de fysische eigenschappen van siliciumcarbide.

In vergelijking met silicium vertoont SiC de volgende eigenschappen:

Deze eigenschappen maken SiC tot een uitstekend halfgeleidermateriaal, maar zorgen er tegelijkertijd voor dat het buitengewoon moeilijk te bewerken is.

1. Uitdagingen bij de kristalgroei

Groei door middel van fysisch damptransport (PVT)

De meeste commerciële SiC-kristallen worden vervaardigd met behulp van de Physical Vapor Transport (PVT)-methode.

In dit proces:

• SiC-poeder met een hoge zuiverheidsgraad wordt verwarmd tot boven 2000 °C.
• Het materiaal sublimeert tot dampvormige deeltjes.
• Damp condenseert op een kiemkristal.
• Een enkelkristal groeit geleidelijk gedurende enkele dagen.

In tegenstelling tot silicium kan SiC niet worden geproduceerd met behulp van conventionele smeltgroeitechnieken, omdat het ontleedt voordat het smelt.

Regeling bij extreme temperaturen

Een van de grootste uitdagingen is het handhaven van nauwkeurige thermische omstandigheden.

De gebruikelijke groeitemperaturen liggen tussen:

• 2000 °C tot 2400 °C

Zelfs kleine temperatuurschommelingen kunnen leiden tot:

• Polytype-instabiliteit
• Kristalspanning
• Het ontstaan van defecten
• Verminderde kristalkwaliteit

Het is van cruciaal belang dat er in de hele groeikamer een stabiele temperatuurgradiënt wordt gehandhaafd.

Vorming van kristaldefecten

SiC-kristallen zijn gevoelig voor diverse defecten, waaronder:

Micropijpen

Schroefdislocaties in de holle kern die de opbrengst van het apparaat aanzienlijk kunnen verminderen.

Schroefdislocaties (TSD)

Defecten die de lekstroom vergroten en de doorslagspanning verlagen.

Dislocaties aan de draadrand (TED)

Veelvoorkomende gebreken die het transport door vervoerders beïnvloeden.

Dislocaties in het basale vlak (BPD)

Een belangrijk punt van zorg met betrekking tot de betrouwbaarheid van bipolaire vermogenscomponenten.

Het terugdringen van de defectdichtheid blijft een van de belangrijkste doelstellingen van de sector.

Opschaling van 6-inch naar 8-inch wafers

Naarmate de vraag naar SiC-vermogenscomponenten toeneemt, stappen fabrikanten over van:

• 150 mm (6 inch)
• tot 200 mm (8 inch)

Grotere kristaldiameters brengen echter extra uitdagingen met zich mee:

• Opeenstapeling van thermische spanning
• Kristalbreuk
• Verspreiding van defecten
• Controle op de gelijkmatigheid van de groei

Om de kristalkwaliteit op grotere wafers te waarborgen, zijn een geavanceerd ovenontwerp en procesoptimalisatie vereist.

2. Uitdagingen bij het snijden van SiC-wafers

Uitzonderlijke materiaalhardheid

SiC is een van de hardste halfgeleidermaterialen die er bestaan.

De hardheid ervan benadert die van saffier en is, onder de gangbare halfgeleidersubstraten, de op één na hoogste na die van diamant.

Bijgevolg:

• Traditioneel draadzagen gaat langzamer.
• Het gereedschap vertoont ernstige slijtage.
• De kosten voor het snijden stijgen aanzienlijk.

Zaagsnedeverlies en materiaalverspilling

Tijdens het zagen gaat een deel van het kristal verloren in de zaagsnede.

Aangezien de productie van SiC-kristallen duur is, is het vanuit economisch oogpunt belangrijk om materiaalverlies te beperken.

Fabrikanten streven er voortdurend naar om:

• De zaagsnede-breedte minimaliseren
• De efficiëntie van het snijden verbeteren
• De opbrengst van wafers per boule verhogen

Oppervlaktebeschadiging

Mechanisch snijden biedt de volgende voordelen:

• Microscheurtjes
• Restspanning
• Oppervlakteruwheid
• Schade onder het oppervlak

Deze onvolkomenheden moeten tijdens de daaropvolgende slijp- en polijststappen worden verwijderd.

Als beschadigde lagen niet worden verwijderd, kan dit de betrouwbaarheid van het apparaat negatief beïnvloeden.

Opkomende technologieën voor lasersnijden

Om het materiaalgebruik te verbeteren, winnen op laser gebaseerde slicing-technologieën aan populariteit.

Voordelen zijn onder meer:

• Minder zaagsnedeverlies
• Hogere doorvoercapaciteit
• Minder materiaalverspilling
• Mogelijke kostenbesparing

Veel deskundigen uit de sector beschouwen lasersnijden als een sleuteltechnologie voor de toekomstige productie van 8-inch SiC-wafers.

3. Uitdagingen bij het slijpen en uitdunnen

Na het snijden moeten de wafers worden geslepen om de gewenste dikte te verkrijgen.

Typische diktes van SiC-wafers:

Uitdagingen bij het slijpen zijn onder meer:

• De TTV-regeling handhaven
• Het voorkomen van breuk van wafers
• Restspanning minimaliseren
• Een gelijkmatige dikte bereiken

Naarmate wafers dunner worden, wordt de mechanische verwerking steeds moeilijker.

4. Uitdagingen bij het polijsten

Waarom polijsten zo moeilijk is

Het polijsten van SiC is aanzienlijk moeilijker dan het polijsten van silicium.

De redenen zijn onder meer:

• Hoge hardheid
• Hoge chemische inertie
• Sterke covalente binding

Traditionele polijstmethoden zijn vaak inefficiënt.

Eisen aan de oppervlaktekwaliteit

Voor moderne epitaxiale groei zijn atomair gladde oppervlakken vereist.

Typische specificaties zijn onder meer:

• Oppervlakteruwheid (Ra) < 0,1 nm
• Lage defectdichtheid
• Minimale schade aan de ondergrond

Zelfs onvolkomenheden op nanoschaal kunnen de kwaliteit van de epitaxiale laag beïnvloeden.

Chemisch-mechanisch polijsten (CMP)

CMP is het meest gebruikte afwerkingsproces voor SiC-wafers.

Het proces omvat:

• Chemische oppervlaktebehandeling
• Mechanische slijtage

Tot de uitdagingen behoren:

• Lage materiaalafname
• Hoge polijstkosten
• Optimalisatie van de slurry
• Controle op oppervlaktefouten

Het verbeteren van de efficiëntie van CMP blijft een belangrijk onderzoeksgebied.

Nieuwe polijsttechnieken

Er worden momenteel verschillende geavanceerde polijsttechnieken ontwikkeld:

Plasma-ondersteund polijsten

Maakt gebruik van reactief plasma om de oppervlaktelaag te verzachten.

Catalyst-Referred Etching (CARE)

Zorgt voor ultragladde oppervlakken met minimale beschadiging.

Elektrochemisch-mechanisch polijsten (ECMP)

Combineert elektrochemische reacties met mechanisch polijsten.

Deze technologieën kunnen de kwaliteit en productiviteit van wafers in de toekomst aanzienlijk verbeteren.

Financiële gevolgen van uitdagingen op het gebied van productie

De complexiteit van de SiC-verwerking heeft een directe invloed op de kosten van de wafers.

Belangrijke kostenfactoren zijn onder meer:

• Lange kristalgroeicycli
• Hoog energieverbruik
• Laag groeirendement
• Dure verbruiksartikelen
• Eisen voor precisiepolijsten

Naarmate de productietechnologieën zich verder ontwikkelen en de productieschaal toeneemt, zullen de kosten naar verwachting dalen, maar SiC-wafers zullen in de nabije toekomst aanzienlijk duurder blijven dan siliciumwafers.

Toekomstige trends in de sector

Verschillende trends bepalen de toekomst van de productie van SiC-wafers:

Grotere waferdiameters

Overgang naar:

• Productie van 200 mm (8 inch)

Lagere dichtheid defecten

Verbeterde technieken voor kristalgroei zijn erop gericht om het volgende te verminderen:

• Micropijpen
• BPD’s
• TSD’s

Geavanceerde snijtechnologieën

Verwacht wordt dat lasersnijden en snijspoorloze methoden het materiaalgebruik zullen verbeteren.

Zeer efficiënt polijsten

Nieuwe polijstmethoden zijn erop gericht om het volgende te bereiken:

• Hogere doorvoercapaciteit
• Betere oppervlaktekwaliteit
• Lagere productiekosten

Conclusie

De productie van hoogwaardige SiC-wafers is een van de meest uitdagende processen in de moderne halfgeleiderproductie. Van kristalgroei bij temperaturen van meer dan 2000 °C tot nauwkeurig snijden en atomair glad polijsten: elke stap vereist geavanceerde apparatuur, strikte procescontrole en diepgaande materiaalkennis.

Hoewel er de afgelopen jaren aanzienlijke vooruitgang is geboekt, blijven uitdagingen op het gebied van kristaldefecten, de verkleining van wafers, de hardheid van het materiaal en de efficiëntie van het polijsten van invloed op de productiekosten en de prestaties van de apparaten.

Aangezien de vraag naar elektrische voertuigen, systemen voor hernieuwbare energie en hoogvermogenelektronica blijft groeien, zullen voortdurende innovaties op het gebied van kristalgroei, snij- en polijsttechnieken een cruciale rol spelen bij de toekomstige uitbreiding van de SiC-halfgeleiderindustrie.