À medida que os dispositivos GaN migram das fábricas de investigação para a fabricação de grande volume, o silício emergiu como o substrato mais viável economicamente para a epitaxia de GaN de grande diâmetro.GaN-on-Si Além de 150 mm, e especialmente para 200 mm e 300 mm, introduz um desafio mecânico que é muitas vezes mais limitante do que a densidade de deslocação ou a mobilidade: o arco e a curvatura da wafer.

Ao contrário dos defeitos elétricos, a deformação mecânica não aparece imediatamente nas curvas IV ou nas medições de Hall.precisão de sobreposição degradanteA compreensão e a mitigação do arco não é, portanto, uma questão de materiais periféricos, mas um problema de integração central.

A origem física do arco em estruturas GaN-on-Si

O arco da bolacha em GaN-on-Si se origina de uma combinação de desajuste térmico, tensão da rede e acúmulo de estresse do filme.

O coeficiente de expansão térmica (CTE) do GaN (~ 5,6 × 10−6 K−1) é significativamente maior do que o do silício (~ 2,6 × 10−6 K−1).Durante o arrefecimento de temperaturas de crescimento epitaxial superiores a 1000 °CEsta contração diferencial induz tensão de tração na camada de GaN e tensão de compressão no silício,resultando em curvatura macroscópica da bolacha.

À medida que o diâmetro da wafer aumenta, esta curvatura aumenta de forma não linear.mesmo que a espessura e a composição da película permaneçam inalteradas.

Engenharia de camada tampão como primeira linha de defesa

A estratégia mais eficaz para a redução do arco não começa com a camada de GaN ativa, mas com a pilha tampão abaixo dela.

A epitaxia moderna de GaN-on-Si depende de arquiteturas de tampão complexas e multicamadas, normalmente incorporando camadas de nucleação de AlN seguidas por estruturas graduadas de AlGaN ou superrede.Estas camadas servem para dois propósitos simultaneamente: acomodar o desajuste da grelha e gerir o esforço térmico.

Ao ajustar cuidadosamente os gradientes da composição do alumínio, a espessura do tampão e a periodicidade da superrede,é possível introduzir uma tensão de compressão controlada que contrarresta parcialmente a tensão de tração gerada durante o arrefecimentoO amortecedor atua efetivamente como um "absorvedor de choque" mecânico entre GaN e silício.

No entanto, as camadas tampão introduzem trade-offs. espessura excessiva reduz a condutividade térmica e aumenta o tempo epitaxial, enquanto a compensação de estresse agressiva pode aumentar a densidade de rachadura.Os projetos ideais exigem, portanto, a co-optimização do desempenho mecânico e térmico em vez de cancelamento de esforço de força bruta.

Orientação e espessura do substrato: uma alavanca subestimada

A seleção do substrato de silício é muitas vezes tratada como uma condição de limite fixo, mas é, de fato, um poderoso parâmetro de ajuste.

Os wafers de silício mais grossos apresentam maior rigidez de dobra, reduzindo o arco final para a mesma tensão epitaxial.aumento dos conflitos de espessura com a compatibilidade do equipamento e protocolos de manuseio padrãoMuitas fábricas, portanto, operam dentro de uma janela de espessura estreita, forçando o controle de tensão de volta para a pilha epitaxial.

A orientação do cristal também é importante. A maioria do crescimento de GaN em Si usa Si ((111), o que fornece compatibilidade de simetria hexagonal com GaN.pode influenciar as vias de relaxamento do stress e o comportamento de propagação da fissura, afetando indiretamente a curvatura macroscópica.

À medida que os diâmetros aumentam, a engenharia de substrato se torna menos sobre a correspondência de grelhas e mais sobre o design de sistemas mecânicos.

Gestão da temperatura de crescimento e rampa térmica

A história térmica desempenha um papel crítico na determinação da forma final da bolacha.

Rampas de temperatura rápidas durante o resfriamento tendem a bloquear gradientes de tensão em toda a espessura da wafer, amplificando o arco e a curvatura não uniforme.Perfis de arrefecimento de várias etapas permitem o relaxamento parcial do esforço através de deslizamento de deslocamento e raspadura interfacial, reduzindo a curvatura residual.

Da mesma forma, a redução da temperatura de pico de crescimento, quando compatível com a qualidade do material, reduz a excursão térmica total e, portanto, a tensão absoluta de desajuste CTE.Embora isso possa afectar marginalmente a qualidade cristalina, a compensação pode ser favorável para a fabricação em grandes diâmetros.

Na prática, a otimização do arco da bolacha geralmente requer redefinir as condições de crescimento ótimas além das métricas de desempenho puramente eletrônicas.

Simetria de esforço e papel da engenharia posterior

Uma abordagem emergente para o controle de arco se concentra em restaurar a simetria de estresse em toda a wafer.

Os filmes de lado traseiro, como revestimentos dielétricos de engenharia ou camadas de compensação de tensão, podem ser depositados após a epitaxia para neutralizar o estresse GaN do lado da frente.Este conceito ainda é relativamente pouco explorado na fabricação de GaN-on-Si.

Os processos de afinação e polir da parte traseira também influenciam a folha de dobra final.Dependendo do controlo do processo.

À medida que o GaN-on-Si avança em direção à verdadeira compatibilidade de linha CMOS, essas estratégias holísticas de equilíbrio de estresse no nível da wafer provavelmente ganharão importância.

Feedback baseado na metrologia: O arco é um processo variável, não um defeito

Uma das mudanças conceituais mais importantes na epitaxia de GaN de grande diâmetro é tratar o arco da bolacha como um parâmetro de processo controlável em vez de um defeito pós-crescimento.

O mapeamento do arco e da warpage de alta resolução, correlacionado com o design do buffer, perfis de temperatura e histórico da wafer, permite a otimização de circuito fechado.Os objetivos de proa são cada vez mais definidos por etapa do processo, não apenas como critérios finais de aceitação.

Esta abordagem orientada por dados alinha a fabricação de GaN com a filosofia usada há muito tempo na engenharia de tensão de silício, onde a tensão é deliberadamente introduzida, medida,e explorado em vez de simplesmente minimizado.

Olhando para o futuro: do controle de danos ao design do estresse

Minimizar o arco da bolacha em epitaxia de grande diâmetro GaN-on-Si não é mais sobre eliminar o estresse, uma tarefa impossível dada a incompatibilidade fundamental do material.Trata-se de projetar a tensão de forma inteligente através de escalas de comprimento, das interfaces atômicas à mecânica de wafer completo.

À medida que a indústria se move para 200 mm e além, o sucesso dependerá menos de melhorias incrementais de materiais e mais do co-projeto a nível do sistema de substratos, tampões, processos térmicos,e metrologiaNeste sentido, o arco da bolacha não é um parâmetro de incômodo, mas uma janela de diagnóstico para a saúde mecânica de toda a pilha epitaxial.

Para GaN-on-Si, dominar a curvatura pode ser tão importante quanto dominar elétrons.