Os wafers de carboneto de silício são amplamente utilizados em eletrônica de potência, dispositivos de RF, eletrônica de alta temperatura e pesquisa de semicondutores. No entanto, doisBolachas de SiCcom o mesmo diâmetro e espessura podem ter um desempenho muito diferente durante a epitaxia ou a fabricação do dispositivo.

Defeitos de cristal, danos superficiais, variação geométrica, não uniformidade de resistividade e contaminação podem afetar o rendimento do processo e a confiabilidade do dispositivo. Portanto, verificar apenas o diâmetro do wafer e a aparência da superfície não é suficiente.

Este guia explica os itens mais importantes de inspeção de wafers de SiC, como eles são medidos e o que os compradores devem solicitar de um fornecedor antes de aprovar um lote de produção.

O que determina a qualidade do wafer SiC?

A qualidade do wafer de SiC é geralmente avaliada em cinco áreas principais:

1. Estrutura cristalina e defeitos cristalográficos
2. Dimensões e geometria do wafer
3. Qualidade e rugosidade da superfície
4. Propriedades elétricas e uniformidade
5. Limpeza, identificação e rastreabilidade

A importância de cada item depende da aplicação pretendida. Um substrato de grau de dispositivo preparado para crescimento epitaxial normalmente requer controles mais rígidos do que um wafer de pesquisa, um wafer fictício ou um wafer de calibração de equipamento.

Não existe uma especificação única que defina um “bom” wafer de SiC para cada aplicação. Os limites de aceitação corretos devem ser estabelecidos de acordo com o processo do dispositivo, tamanho do wafer, tipo de condutividade e rendimento de produção necessário.

Visão geral rápida dos itens comuns de inspeção de wafer SiC

1. Verifique o politipo SiC

O carboneto de silício possui muitas estruturas cristalinas, conhecidas como politipos. Os graus de semicondutores mais comuns são 4H-SiC e 6H-SiC.

Hoje, o 4H-SiC é comumente selecionado para dispositivos de energia devido à sua favorável mobilidade de portadora, amplo bandgap e alto campo elétrico crítico. No entanto, o 6H-SiC ainda pode ser utilizado para determinadas pesquisas, aplicações ópticas ou especializadas.

O politipo deve ser claramente indicado no certificado de análise. Espectroscopia Raman e difração de raios X podem ser usadas para confirmar a estrutura cristalina e identificar possíveis inclusões politípicas.

O comprador não deve presumir que todos os wafers de SiC têm a mesma estrutura cristalina simplesmente porque têm a mesma cor, diâmetro ou tipo de condutividade.

2. Verifique a orientação do cristal e o ângulo fora do eixo

A maioria dos substratos 4H-SiC comerciais são produzidos com uma orientação cristalográfica definida, comumente baseada no plano (0001). O wafer também pode ter um ângulo e direção fora do eixo especificados.

A orientação fora do eixo é particularmente importante para o crescimento epitaxial. Ele suporta o crescimento de fluxo gradual e ajuda a controlar a formação de estruturas cristalinas indesejáveis ​​na camada epitaxial.

Informações importantes de orientação podem incluir:

• Avião de cristal
• Face Si ou face C
• Ângulo fora do eixo
• Direção fora do eixo
• Tolerância de orientação
• Orientação primária plana ou chanfrada

A difração de raios X é comumente usada para verificar a orientação e o corte do cristal. Ao solicitar wafers para epitaxia, o comprador deve especificar o ângulo nominal fora do eixo e a tolerância aceitável.

3. Inspecione microtubos e outros defeitos de cristal

Os defeitos do cristal estão entre os fatores mais importantes que afetam a qualidade do wafer de SiC.

Microtubos

Um microtubo é um defeito de núcleo oco associado a um grande deslocamento do parafuso. Pode passar através do substrato e interferir no crescimento epitaxial ou na fabricação do dispositivo.

Os microtubos já foram uma grande limitação na fabricação de SiC. Embora o crescimento de cristais modernos tenha reduzido significativamente a sua densidade, a inspeção de microtubos continua importante para aplicações de alta tensão e alta confiabilidade.

Luxações de parafuso rosqueado

As luxações de parafuso roscado, ou TSDs, estendem-se aproximadamente ao longo da direção de crescimento do cristal. Eles podem influenciar o comportamento de ruptura, a corrente de fuga e a confiabilidade do dispositivo.

O seu efeito depende da estrutura do dispositivo, localização e design do processo. Portanto, tanto a densidade de defeitos quanto a distribuição espacial podem ser relevantes.

Deslocamentos de borda rosqueada

Deslocamentos de borda rosqueada, ou TEDs, são comumente encontrados em substratos de SiC. Embora possam ser menos destrutivos que os microtubos, as altas densidades ainda podem afetar a qualidade epitaxial e o desempenho do dispositivo.

Luxações do Plano Basal

As luxações do plano basal, ou BPDs, são importantes em aplicações de dispositivos bipolares porque podem contribuir para a formação ou expansão de falhas de empilhamento sob estresse elétrico.

Para aplicações sensíveis à degradação bipolar, a densidade do BPD e o comportamento de conversão durante a epitaxia devem ser cuidadosamente avaliados.

Falhas de empilhamento e inclusões de politipos

Falhas de empilhamento são interrupções na sequência normal de empilhamento do cristal SiC. Inclusões politípicas são regiões onde uma estrutura cristalina de SiC não intencional está presente.

Ambos os defeitos podem interferir na epitaxia e afetar o desempenho elétrico.

Os métodos comuns de inspeção de defeitos incluem:

• Mapeamento de fotoluminescência
• Topografia de raios X
• Microscopia óptica
• Inspeção de dispersão de laser
• Espectroscopia Raman
• Gravura em KOH fundido

Alguns métodos não são destrutivos, enquanto o ataque químico é destrutivo. Os compradores devem confirmar qual método de inspeção foi utilizado e se o resultado relatado representa todo o wafer ou apenas áreas amostradas.

4. Meça o diâmetro e a espessura do wafer

O diâmetro e a espessura do wafer determinam se o substrato é compatível com equipamentos de processamento, manuseio, polimento e epitaxia.

Os principais itens dimensionais incluem:

• Diâmetro nominal
• Tolerância de diâmetro
• Espessura nominal
• Tolerância de espessura
• Perfil de borda
• Dimensões de entalhe ou planas

Os requisitos de espessura podem variar de acordo com o diâmetro do wafer e o uso pretendido. Um wafer mais fino pode ser necessário para um processo específico do dispositivo, enquanto um substrato mais espesso pode oferecer melhor estabilidade mecânica durante pesquisas ou testes de equipamentos.

Para wafers de espessura personalizada, os compradores também devem avaliar se a retificação ou polimento adicional pode aumentar o arco, a deformação ou os danos no subsolo.

5. Avalie a variação da espessura total

A variação total da espessura, comumente abreviada como TTV, é a diferença entre a espessura máxima e mínima medida no wafer dentro de uma área de medição definida.

Um TTV baixo é importante porque a variação excessiva da espessura pode afetar:

• Foco de litografia
• Lançamento de wafer
• Uniformidade de moagem e desbaste
• Condições do processo epitaxial
• Controle de espessura da camada do dispositivo
• Ligação de wafer

Os valores de TTV podem ser influenciados pelo método de medição, número de pontos de medição e área de exclusão de borda. Portanto, uma especificação não deve indicar apenas um valor máximo de TTV. Deve também identificar as condições de medição acordadas.

6. Verifique o arco e a urdidura

Arco e urdidura descrevem a forma de um wafer livre e sem fixação, mas não têm a mesma medida.

Arcogeralmente descreve o desvio da superfície mediana do wafer em relação a um plano de referência.

Urdidurarepresenta a diferença geral entre os pontos mais altos e mais baixos da superfície mediana em relação a um plano de referência.

Arco ou deformação excessivos podem causar problemas durante:

• Manuseio automatizado de wafer
• Mandril a vácuo
• Litografia
• Crescimento epitaxial
• Ligação de wafer
• Moagem e polimento
• Deposição de filme

Wafers de SiC de maior diâmetro e mais finos podem ser mais sensíveis à deformação geométrica. Os compradores devem definir o método de medição, a exclusão de bordas e as condições de suporte do wafer ao comparar dados de diferentes fornecedores.

7. Inspecione a rugosidade da superfície

Uma superfície de SiC pronta para epitaxia deve ser extremamente lisa e livre de danos significativos de polimento.

A microscopia de força atômica, ou AFM, é comumente usada para medir a rugosidade média quadrada da superfície. No entanto, o valor relatado depende fortemente da área de varredura, das configurações do instrumento e do local de medição.

Um resultado de rugosidade deve, portanto, incluir:

• Valor RMS ou Ra
• Tamanho da varredura AFM
• Número de locais testados
• Superfície de medição
• Condição de exclusão de borda

É difícil comparar um único valor de rugosidade sem um tamanho de varredura ou plano de amostragem.

Para wafers destinados à epitaxia, a qualidade da superfície também deve ser avaliada para defeitos relacionados ao polimento, como arranhões, buracos, danos residuais na subsuperfície e agrupamento escalonado.

8. Examine arranhões, buracos e defeitos de superfície

Um wafer pode parecer limpo a olho nu, embora ainda contenha defeitos que afetam o crescimento epitaxial ou a fabricação do dispositivo.

Defeitos superficiais comuns incluem:

• Arranhões
• Poços
• Amassados
• Manchas
• Confusão
• Partículas
• Chips de borda
• Marcas de polimento
• Textura de casca de laranja
• Danos subterrâneos

A inspeção pode ser realizada usando microscopia de campo claro, microscopia de campo escuro, sistemas de dispersão de laser e scanners de superfície automatizados.

Os critérios de aceitação devem definir o tamanho mínimo do defeito detectável, a contagem permitida de defeitos e a área de exclusão de bordas. Descrições como “polido espelhado” ou “sem riscos” não são suficientes, a menos que sejam acompanhadas de padrões mensuráveis.

9. Confirme Si-Face, C-Face e Acabamento de Superfície

Os wafers de SiC têm duas superfícies polares: a face terminada em silício e a face terminada em carbono. Estas superfícies não se comportam de forma idêntica durante a oxidação, ataque químico, polimento ou epitaxia.

O fornecedor deve identificar:

• De que lado está a face Si
• Qual lado é a face C
• Qual lado está pronto para epi
• Se o wafer é polido de um lado ou polido de dois lados
• Rugosidade ou acabamento traseiro
• Método de identificação frontal

A identificação incorreta da face pode levar à falha do processo, especialmente durante o crescimento epitaxial ou pesquisa de superfície.

Para wafers polidos de um lado, o comprador também deve confirmar se a parte traseira é retificada, gravada, lapidada ou polida.

10. Avalie a resistividade e a uniformidade do doping

O desempenho elétrico é outra parte essencial da qualidade do wafer de SiC.

Os wafers condutores de SiC do tipo N são comumente dopados com nitrogênio. Outros tipos de dopagem e classes semi-isolantes também estão disponíveis para aplicações especializadas.

Parâmetros elétricos importantes podem incluir:

• Tipo de condutividade
• Dopante
• Faixa de resistividade
• Uniformidade de resistividade
• Concentração de portadores
• Mobilidade de operadora
• Uniformidade radial e axial

Testes de sonda de quatro pontos, medição de resistividade sem contato, mapeamento de correntes parasitas e medição de efeito Hall podem ser usados ​​dependendo do tipo de wafer e da faixa de resistência.

Um valor médio de resistividade por si só pode não ser suficiente. Para a fabricação de dispositivos, a variação do centro do wafer até a borda e de wafer para wafer dentro do mesmo lote pode ser igualmente importante.

Para wafers de SiC semi-isolantes, o método de medição deve ser adequado para materiais de alta resistividade. O fornecedor deve indicar a temperatura do teste, a faixa de medição e os critérios de aceitação.

11. Verifique a contaminação da superfície e os níveis de partículas

Contaminação metálica, resíduos orgânicos e partículas podem reduzir o rendimento epitaxial e do dispositivo, mesmo quando o wafer atende às suas especificações geométricas.

As possíveis técnicas de inspeção incluem:

• Varredura automatizada de partículas
• Fluorescência de raios X de reflexão total
• Espectroscopia de fotoelétrons de raios X
• Espectrometria de massa de íons secundários
• Íon de superfície ou análise química

Nem todo pedido exige testes avançados de contaminação. No entanto, os compradores devem pelo menos confirmar o processo de limpeza do wafer, o ambiente de embalagem final e o nível máximo de partículas permitido quando o material for destinado à fabricação de semicondutores sensíveis.

12. Inspecione a borda do wafer, plana ou entalhada

A borda do wafer afeta a resistência mecânica e o manuseio automatizado.

Inspecione a borda para:

• Batatas fritas
• Rachaduras
• Defeitos de chanfro
• Perfis de borda irregulares
• Entalhe incorreto ou dimensões planas
• Posição incorreta da marca de orientação

Pequenos defeitos nas bordas podem crescer durante o processamento em alta temperatura, moagem ou transporte de wafer. Por esta razão, a inspeção das bordas deve ser incluída no controle de qualidade de entrada, especialmente para wafers finos ou de grande diâmetro.

A posição e as dimensões do plano ou entalhe primário também devem corresponder aos requisitos do equipamento de processamento e da orientação cristalográfica.

13. Revise o Mapa do Wafer, COA e Rastreabilidade do Lote

Um certificado de análise completo deve vincular claramente os resultados da inspeção ao wafer ou lote de produção fornecido.

Dependendo do pedido, a documentação útil pode incluir:

• Número de identificação exclusivo do wafer
• Número de lote e bola de cristal
• Politipo e orientação
• Diâmetro e espessura
• TTV, arco e dobra
• Rugosidade superficial
• Tipo de condutividade e resistividade
• Dados de microtubo ou deslocamento
• Resultados de defeitos de superfície
• Data e método de inspeção
• Mapas de defeitos ou resistividade em nível de wafer
• Informações sobre embalagem e limpeza

Uma média em nível de lote nem sempre pode revelar defeitos locais ou variação de wafer para wafer. Para aplicações críticas, solicite dados ou mapas de wafer individuais em vez de depender apenas de um certificado geral de lote.

A rastreabilidade também é importante ao comparar resultados epitaxiais, identificar problemas de processo ou avaliar a consistência do fornecedor a longo prazo.

A inspeção do substrato é diferente da inspeção do wafer epitaxial

Um substrato de SiC nu e um wafer de SiC epitaxial requerem planos de inspeção diferentes.

Além dos parâmetros do substrato, um wafer epitaxial pode exigir avaliação de:

• Espessura da camada epitaxial
• Uniformidade de espessura
• Concentração de doping
• Uniformidade de dopagem
• Morfologia da superfície
• Densidade do defeito epitaxial
• Vida útil da operadora
• Agrupamento de passos
• Defeitos triangulares
• Partículas de queda
• Conversão de deslocamento do plano basal

Os compradores devem indicar claramente se necessitam de um substrato polido, um substrato pronto para epi ou um wafer com uma camada epitaxial.

Como realizar a inspeção de entrada

Um processo prático de inspeção de entrada pode ser dividido em quatro etapas.

Etapa 1: verificar a documentação

Confirme se a identificação do wafer, o pedido de compra, o rótulo da embalagem e o COA referem-se ao mesmo wafer ou lote.

Etapa 2: Realizar Inspeção Visual e Dimensional

Verifique o diâmetro, espessura, condição da borda, identificação da superfície e arranhões, partículas ou lascas visíveis.

Passo 3: Medir Parâmetros Críticos

Meça as propriedades mais relevantes para o processo, como TTV, curvatura, empenamento, rugosidade ou resistividade.

Etapa 4: compare os resultados com mapas de wafer e desempenho de processo

Para uso em produção, correlacione os dados de inspeção recebidos com defeitos epitaxiais, rendimento de fabricação e desempenho final do dispositivo. Isso ajuda a determinar quais parâmetros do substrato têm maior efeito no processo real.

Lista de verificação de RFQ do wafer SiC

Antes de solicitar um orçamento, forneça as seguintes informações:

• Aplicação ou processo pretendido
• Politipo SiC: 4H-SiC, 6H-SiC ou outro tipo
• Diâmetro da bolacha
• Orientação do cristal
• Ângulo e direção fora do eixo
• Requisito de face Si ou face C
• Grau condutivo ou semi-isolante
• Tipo de condutividade e dopante
• Faixa de resistividade e uniformidade
• Espessura nominal e tolerância
• Máximo TTV, arco e warp
• Polimento unilateral ou bilateral
• Requisito de rugosidade superficial
• Níveis permitidos de defeitos de cristal e superfície
• Requisitos de borda, plana ou entalhe
• Requisitos de limpeza e embalagem
• COA, mapa de wafer e requisitos de rastreabilidade
• Quantidade necessária

Fornecer uma especificação completa reduz o tempo de esclarecimento técnico e ajuda o fornecedor a selecionar o tipo correto de wafer.

Perguntas frequentes

Qual é o parâmetro de qualidade do wafer SiC mais importante?

Não existe um parâmetro único mais importante para cada aplicação. Defeitos de cristal, condição de superfície, geometria e resistividade devem ser considerados em conjunto. Para a epitaxia, o ângulo fora do eixo, a rugosidade da superfície, os danos subterrâneos e os defeitos do cristal são frequentemente especialmente importantes.

Um TTV mais baixo é sempre melhor?

Um TTV mais baixo geralmente melhora a uniformidade do processo, mas especificações mais rígidas podem aumentar o custo de fabricação. O limite correto deve ser baseado no equipamento, processo de litografia, método de ligação e requisitos finais do dispositivo.

A inspeção visual pode detectar todos os defeitos do wafer SiC?

Não. A inspeção visual pode identificar arranhões, lascas, manchas e grandes defeitos superficiais, mas não pode revelar todos os defeitos subterrâneos ou cristalográficos. Mapeamento PL, topografia de raios X, AFM e outros métodos analíticos podem ser necessários.

Por que o tamanho do exame AFM é importante?

A rugosidade da superfície pode parecer diferente quando medida em diferentes áreas de digitalização. Um resultado AFM deve sempre incluir o tamanho da varredura, o local da medição e o número de pontos amostrados.

Qual é a diferença entre wafers de SiC de nível de pesquisa e de nível de dispositivo?

Os wafers de nível de pesquisa podem ter tolerâncias mais amplas ou níveis de defeitos permitidos mais altos. Wafers de nível de dispositivo ou prontos para epi geralmente exigem um controle mais rígido de defeitos de cristal, condição de superfície, geometria, resistividade e rastreabilidade.

Os compradores devem solicitar um mapa de inspeção no nível do wafer?

Um mapa em nível de wafer é recomendado para aplicações onde a posição do defeito, a uniformidade da resistividade ou as condições locais da superfície podem afetar o rendimento do dispositivo. Ele fornece informações mais úteis do que um único valor médio do lote.

Conclusão

Avaliar a qualidade do wafer de SiC requer mais do que verificar o diâmetro, a espessura e a aparência visual. A estrutura cristalina, a densidade de deslocamento, o TTV, o arco, a deformação, a rugosidade da superfície, a resistividade, a contaminação e a rastreabilidade podem influenciar o crescimento epitaxial e o rendimento do dispositivo.

O primeiro passo é definir a aplicação pretendida do wafer. Os compradores podem então estabelecer critérios de aceitação mensuráveis ​​e solicitar resultados de inspeção com base nos parâmetros que afetam diretamente o seu processo.

Ao solicitar um orçamento, forneça o politipo, diâmetro, orientação, condutividade, espessura, tolerâncias geométricas, requisitos de superfície e necessidades de documentação. Uma solicitação de cotação detalhada facilita a comparação precisa de wafers e evita o recebimento de material que atenda a uma descrição geral, mas não corresponda à aplicação real.