ผลของการแปรรูปผลึกเดี่ยวของซิลิคอนคาร์ไบด์ต่อคุณภาพพื้นผิวเวเฟอร์

อุปกรณ์ไฟฟ้าเซมิคอนดักเตอร์ครองตำแหน่งหลักในระบบอิเล็กทรอนิกส์กำลัง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในบริบทของการพัฒนาอย่างรวดเร็วของเทคโนโลยี เช่น ปัญญาประดิษฐ์ การสื่อสาร 5G และยานพาหนะพลังงานใหม่ ข้อกำหนดด้านประสิทธิภาพได้รับการปรับปรุงให้ดีขึ้น

ซิลิคอนคาร์ไบด์(4H-SiC) ได้กลายเป็นวัสดุในอุดมคติสำหรับการผลิตอุปกรณ์พลังงานเซมิคอนดักเตอร์ประสิทธิภาพสูง เนื่องจากมีข้อดี เช่น แถบความถี่กว้าง ค่าการนำความร้อนสูง ความแรงของสนามไฟฟ้าสลายสูง อัตราการดริฟท์ของความอิ่มตัวสูง ความเสถียรทางเคมี และความต้านทานรังสี อย่างไรก็ตาม 4H-SiC มีความแข็งสูง มีความเปราะบางสูง มีความเฉื่อยทางเคมีสูง และมีความยากในการประมวลผลสูง คุณภาพพื้นผิวของเวเฟอร์ซับสเตรตมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับการใช้งานอุปกรณ์ขนาดใหญ่
ดังนั้น การปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวของเวเฟอร์ซับสเตรต 4H-SiC โดยเฉพาะอย่างยิ่งการขจัดชั้นที่เสียหายบนพื้นผิวการประมวลผลเวเฟอร์ จึงเป็นกุญแจสำคัญในการบรรลุการประมวลผลเวเฟอร์ซับสเตรต 4H-SiC คุณภาพสูงที่มีประสิทธิภาพ การสูญเสียต่ำ และมีคุณภาพสูง

การทดลอง
การทดลองใช้แท่งโลหะ 4H-SiC ชนิด N ขนาด 4 นิ้วที่ปลูกโดยวิธีการขนส่งไอทางกายภาพ ซึ่งผ่านกระบวนการตัดลวด การบด การบดหยาบ การบดละเอียด และการขัดเงา และบันทึกความหนาในการกำจัดของพื้นผิว C และพื้นผิว Si และความหนาของเวเฟอร์สุดท้ายในแต่ละกระบวนการ

รูปที่ 1 แผนผังของโครงสร้างผลึก 4H-SiC

รูปที่ 2 ความหนาที่ถูกลบออกจากด้าน C และด้าน Si ของ 4H-เวเฟอร์ SiCหลังจากขั้นตอนการประมวลผลที่แตกต่างกันและความหนาของเวเฟอร์หลังการประมวลผล

 

ความหนา สัณฐานวิทยาของพื้นผิว ความหยาบ และคุณสมบัติทางกลของแผ่นเวเฟอร์มีลักษณะเฉพาะโดยเครื่องทดสอบพารามิเตอร์เรขาคณิตของแผ่นเวเฟอร์ กล้องจุลทรรศน์สัญญาณรบกวนเชิงอนุพันธ์ กล้องจุลทรรศน์แรงอะตอม เครื่องมือวัดความหยาบของพื้นผิว และหัวกดนาโน นอกจากนี้ ยังใช้เอ็กซ์เรย์ดิฟแฟรกโตมิเตอร์ความละเอียดสูงเพื่อประเมินคุณภาพผลึกของเวเฟอร์
ขั้นตอนการทดลองและวิธีการทดสอบเหล่านี้ให้การสนับสนุนด้านเทคนิคโดยละเอียดสำหรับการศึกษาอัตราการขจัดวัสดุและคุณภาพพื้นผิวในระหว่างการประมวลผล 4H-เวเฟอร์ SiC.
จากการทดลอง นักวิจัยได้วิเคราะห์การเปลี่ยนแปลงของอัตราการกำจัดวัสดุ (MRR) สัณฐานวิทยาของพื้นผิวและความหยาบ ตลอดจนคุณสมบัติทางกลและคุณภาพผลึกของ 4H-เวเฟอร์ SiCในขั้นตอนการประมวลผลที่แตกต่างกัน (การตัดลวด การเจียร การเจียรหยาบ การเจียรละเอียด การขัดเงา)

รูปที่ 3 อัตราการกำจัดวัสดุของ C-face และ Si-face ของ 4H-เวเฟอร์ SiCในขั้นตอนการประมวลผลต่างๆ

การศึกษาพบว่าเนื่องจากคุณสมบัติทางกลของแอนไอโซโทรปีของผิวหน้าคริสตัลต่างๆ ของ 4H-SiC จึงมีความแตกต่างใน MRR ระหว่าง C-face และ Si-face ภายใต้กระบวนการเดียวกัน และ MRR ของ C-face นั้นสูงกว่าอย่างมีนัยสำคัญ ของศรีเฟซ ด้วยความก้าวหน้าของขั้นตอนการประมวลผล รูปร่างของพื้นผิวและความหยาบของเวเฟอร์ 4H-SiC จึงค่อยๆ ปรับให้เหมาะสม หลังจากการขัดเงา Ra ของ C-face จะเป็น 0.24 นาโนเมตร และ Ra ของ Si-face จะสูงถึง 0.14 นาโนเมตร ซึ่งสามารถตอบสนองความต้องการของการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิว

รูปที่ 4 ภาพด้วยกล้องจุลทรรศน์แบบออปติคอลของพื้นผิว C (a~e) และพื้นผิว Si (f~j) ของเวเฟอร์ 4H-SiC หลังจากขั้นตอนการประมวลผลที่แตกต่างกัน

รูปที่ 5 ภาพกล้องจุลทรรศน์แรงอะตอมของพื้นผิว C (a~c) และพื้นผิว Si (d~f) ของเวเฟอร์ 4H-SiC หลังจากขั้นตอนการประมวลผล CLP, FLP และ CMP

รูปที่ 6 (a) โมดูลัสยืดหยุ่นและ (b) ความแข็งของพื้นผิว C และพื้นผิว Si ของเวเฟอร์ 4H-SiC หลังจากขั้นตอนการประมวลผลที่แตกต่างกัน

การทดสอบคุณสมบัติทางกลแสดงให้เห็นว่าพื้นผิว C ของแผ่นเวเฟอร์มีความเหนียวน้อยกว่าวัสดุพื้นผิว Si มีการแตกหักเปราะมากกว่าในระหว่างกระบวนการผลิต การกำจัดวัสดุเร็วขึ้น และลักษณะทางสัณฐานวิทยาของพื้นผิวและความขรุขระที่ค่อนข้างต่ำ การกำจัดชั้นที่เสียหายบนพื้นผิวที่ผ่านการประมวลผลเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวของเวเฟอร์ ความกว้างครึ่งหนึ่งของเส้นโค้งการโยก 4H-SiC (0004) สามารถใช้เพื่อระบุคุณลักษณะและวิเคราะห์ชั้นความเสียหายที่พื้นผิวของเวเฟอร์ได้อย่างเป็นธรรมชาติและแม่นยำ

รูปที่ 7 (0004) เส้นโค้งการโยกความกว้างครึ่งหนึ่งของ C-face และ Si-face ของเวเฟอร์ 4H-SiC หลังจากขั้นตอนการประมวลผลที่แตกต่างกัน

ผลการวิจัยแสดงให้เห็นว่าชั้นความเสียหายที่พื้นผิวของเวเฟอร์สามารถค่อยๆ ลบออกได้หลังจากการประมวลผลเวเฟอร์ 4H-SiC ซึ่งช่วยปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวของเวเฟอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ และให้ข้อมูลอ้างอิงทางเทคนิคสำหรับการประมวลผลที่มีประสิทธิภาพสูง สูญเสียต่ำ และมีคุณภาพสูง ของเวเฟอร์ซับสเตรต 4H-SiC

นักวิจัยประมวลผลเวเฟอร์ 4H-SiC ผ่านขั้นตอนการประมวลผลต่างๆ เช่น การตัดลวด การเจียร การเจียรหยาบ การบดละเอียดและการขัดเงา และศึกษาผลกระทบของกระบวนการเหล่านี้ต่อคุณภาพพื้นผิวของเวเฟอร์
ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าด้วยความก้าวหน้าของขั้นตอนการประมวลผล สัณฐานวิทยาของพื้นผิวและความหยาบของเวเฟอร์จะค่อยๆ ปรับให้เหมาะสมที่สุด หลังจากการขัดเงา ความหยาบของ C-face และ Si-face จะสูงถึง 0.24nm และ 0.14nm ตามลำดับ ซึ่งตรงตามข้อกำหนดของการเจริญเติบโตของ epitaxis หน้า C ของเวเฟอร์มีความเหนียวน้อยกว่าวัสดุ Si-face และมีแนวโน้มที่จะแตกหักเปราะในระหว่างกระบวนการผลิต ส่งผลให้พื้นผิวมีลักษณะทางสัณฐานวิทยาและความขรุขระค่อนข้างต่ำ การขจัดชั้นความเสียหายของพื้นผิวของพื้นผิวที่ผ่านการประมวลผลเป็นกุญแจสำคัญในการปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวของเวเฟอร์ ความกว้างครึ่งหนึ่งของเส้นโค้งการโยก 4H-SiC (0004) สามารถระบุลักษณะชั้นความเสียหายที่พื้นผิวของเวเฟอร์ได้อย่างเป็นธรรมชาติและแม่นยำ
การวิจัยแสดงให้เห็นว่าชั้นที่เสียหายบนพื้นผิวของเวเฟอร์ 4H-SiC สามารถค่อยๆ กำจัดออกได้ผ่านการประมวลผลเวเฟอร์ 4H-SiC ซึ่งจะช่วยปรับปรุงคุณภาพพื้นผิวของเวเฟอร์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ โดยเป็นข้อมูลอ้างอิงทางเทคนิคสำหรับประสิทธิภาพสูง การสูญเสียต่ำ และสูง การประมวลผลคุณภาพของเวเฟอร์ซับสเตรต 4H-SiC