Orifícios de carburo de silício (SiC)tornaram-se um dos mais importantes substratos de semicondutores para a próxima geração de electrónica de potência, veículos elétricos, sistemas de energia renovável e dispositivos de comunicação de alta frequência.Em comparação com as wafers tradicionais de silício (Si)O SiC oferece propriedades elétricas, térmicas e mecânicas superiores, incluindo uma largura de banda larga, alta tensão de quebra, alta condutividade térmica e excelente estabilidade química.

No entanto, estas mesmas propriedades que tornam o SiC um material semicondutor ideal também criam desafios significativos durante a fabricação de wafers.Processos de fabricação, tais como moagem, polimento e preparação de superfícies muito mais difíceis em comparação com o processamento convencional de wafers de silício.

A obtenção de uma bolacha de SiC de alta qualidade requer um controle preciso da remoção do material, rugosidade da superfície, danos ao cristal, defeitos e contaminação.Estes factores influenciam directamente o desempenho e a fiabilidade dos dispositivos SiC.

Este artigo fornece uma visão geral técnica dos desafios de processamento de wafer de SiC, com foco em tecnologias de moagem, polimento e defeitos de superfície comuns.

1. Por que o processamento de Wafer SiC é um desafio

O carburo de silício é um semicondutor composto composto de átomos de silício e carbono dispostos em uma estrutura cristalina covalente forte.

Várias propriedades físicas tornam o SiC difícil de processar:

1.1 Dureza extremamente elevada

O SiC tem uma dureza de Mohs de aproximadamente 9,0 ̊9.5, perto de diamantes.

Isto resulta em:

• Alta desgaste da ferramenta durante a moagem
• Baixa eficiência de remoção de materiais
• Aumento dos custos de processamento
• Dificuldade em obter superfícies ultra- suaves

Em comparação com o silício, o SiC requer técnicas de processamento mecânico significativamente mais agressivas.

1.2 Alta fragilidade

Embora o SiC seja mecanicamente forte, também é frágil.

Durante os processos de usinagem, o esforço mecânico excessivo pode causar:

• Fissuras na superfície
• Danos no subsolo
• Fragmentação da borda
• Quebra de wafer

Por conseguinte, o controlo da tensão mecânica é um dos desafios mais importantes na fabricação de wafers de SiC.

1.3 Forte estabilidade química

O SiC possui excelente resistência química, o que é benéfico para aplicações a altas temperaturas.

No entanto, também significa:

• Os métodos convencionais de polimento químico são menos eficazes
• São necessárias técnicas de polimento mais avançadas
• Aumento do tempo de processamento

2. Visão geral do processo de fabricação de Wafer SiC

Um processo típico de produção de wafer de SiC inclui várias etapas principais:

1Crescimento de cristais de SiC

Os cristais de SiC de alta qualidade são produzidos utilizando métodos tais como:

• Transportes físicos de vapor (PVT)
• Deposição química a vapor a alta temperatura (HTCVD)

O cristal resultante é chamado de bola de SiC.

2. Cortar wafer

A bola de SiC é cortada em wafers finas usando:

• Ferramentas de serragem de fios de diamante
• Cortes assistidos por laser
• Tecnologias avançadas de corte

Os desafios incluem:

• Perda material
• Cortar danos
• Irregularidade da superfície

3Moagem.

A moagem remove os danos da serra e ajusta a espessura da bolacha.

4. Lapar e polir

Estes processos melhoram:

• Planosidade
• A rugosidade da superfície
• Qualidade cristalina

5Inspecção e limpeza

A inspecção final avalia:

• Densidade de defeito
• A rugosidade da superfície
• Uniformidade da espessura
• Defeitos de cristal

3Processo de moagem de Wafer SiC

3.1 Finalidade da moagem

Após a fatiagem, as bolinhas de SiC têm geralmente:

• Grande rugosidade da superfície
• Marcas de serra
• Fissuras subterrâneas
• Variação da espessura

A moagem remove as camadas danificadas e prepara a bolacha para polir.

3.2 Métodos de moagem

Moagem mecânica

A moagem mecânica utiliza rodas de moagem de diamantes para remover o material SiC.

Os parâmetros típicos incluem:

• Pressão de moagem
• Velocidade da roda
• Taxa de alimentação
• Tamanho das partículas de diamante

Vantagens:

• Alta taxa de remoção de material
• Para correcção de espessura
• Processos industriais maduros

Desafios:

• Gera tensão mecânica
• Cria danos subterrâneos.
• Requer passos adicionais de polir

3.3 Seleção de Abrasivo Diamante

Como o SiC é extremamente duro, abrasivos de diamante são comumente usados.

O tamanho do material abrasivo afecta:

Partículas grosseiras de diamante

Vantagens:

• Taxa de remoção mais elevada

Desvantagens:

• Mais danos na superfície.

Partículas finas de diamante

Vantagens:

• Melhor qualidade da superfície

Desvantagens:

• Menor eficiência

Os fabricantes devem equilibrar a produtividade e a integridade da superfície.

4Tecnologia de polimento de Wafer SiC

Após a moagem, as wafers de SiC requerem polimento para obter superfícies de qualidade de semicondutor.

Os requisitos-alvo incluem frequentemente:

• Escuridão da superfície a nível de nanómetros
• Baixa densidade de defeitos
• Excelente aplanamento
• Danos mínimos no subsolo

4.1 Polir mecânico

O polimento mecânico utiliza partículas abrasivas para remover gradualmente o material da superfície.

Os abrasivos mais comuns incluem:

• Esparguete de diamantes
• Sílica coloidal
• Partículas de alumínio

Vantagens:

• Processo simples
• Boa capacidade de acabamento da superfície

Limitações:

• Pode causar arranhões
• Taxa de remoção de material lenta

4.2 Polição química mecânica (CMP)

A CMP combina abrasão mecânica e reações químicas.

O processo utiliza:

• Esparguete químico
• Pads de polimento
• Pressão controlada

Reacções químicas amolecem a superfície do SiC, permitindo a remoção mecânica.

Vantagens:

• Excelente qualidade da superfície
• Baixa rugosidade
• Para aplicações de semicondutores

Desafios:

• Taxa de remoção lenta
• Optimização química difícil
• Alto custo do processo

4.3 Plasma e tecnologias avançadas de polimento

Novas abordagens estão sendo desenvolvidas para superar as limitações do processamento de SiC.

Exemplos incluem:

Poluição assistida por plasma

Usa a ativação plasmática para modificar a superfície do SiC antes de a remover.

Benefícios:

• Redução dos danos mecânicos
• Melhoria da qualidade das superfícies

Finalização magnetorreológica

Usa fluidos de polimento controlados por campo magnético.

Benefícios:

• Finalização de ultra-precisão
• Apto para aplicações avançadas

5Defeitos de superfície comuns em Wafers SiC

A qualidade da superfície afeta diretamente o desempenho do dispositivo semicondutor.

Vários defeitos ocorrem frequentemente durante o processamento de wafers de SiC.

5.1 Riscos

Os arranhões são defeitos comuns causados por:

• Partículas abrasivas
• Condições de polimento inadequadas
• Contaminação

Efeitos:

• Aumento da corrente de fuga
• Redução da fiabilidade do dispositivo

5.2 Micropipos

Os microtubos são defeitos de núcleo oco que se estendem através de cristais de SiC.

Eles se originam durante o crescimento do cristal.

Impacto:

• Avaria elétrica
• Falha do dispositivo

A fabricação moderna de SiC reduziu significativamente a densidade dos microtubos, mas controlá-los continua a ser importante.

5.3 Dislocações do plano basal (DPB)

Os BPDs são defeitos cristalinos localizados nos planos basais.

Podem causar:

• Degradação bipolar
• Duração de vida reduzida do dispositivo

O controlo da DPB é crítico para dispositivos de potência de SiC de alto desempenho.

5.4 Dislocações de roscas

Estes defeitos estendem-se verticalmente através do cristal.

Os tipos incluem:

• Dislocações de parafusos de rosca (TSD)
• Dislocações da borda da rosca (TED)

Podem afectar:

• Mobilidade dos transportadores
• Confiabilidade do dispositivo

5.5 Fragmentação da borda

O chipping da borda ocorre principalmente durante:

• Cortar
• Moagem
• Gestão

Problemas causados:

• Resistência reduzida da bolacha
• Aumento do risco de ruptura
• Dificuldades de embalagem

6Parâmetros de qualidade essenciais das wafers SiC

Roughness da superfície (Ra)

A rugosidade da superfície indica variações microscópicas da superfície.

São necessários valores inferiores de Ra para:

• Crescimento epitaxial
• Dispositivos de alto desempenho

Variação da espessura total (TTV)

TTV representa diferenças de espessura através da bolacha.

Melhora do TTV baixo:

• Uniformidade do processo
• Rendimento do dispositivo

Arco e Warp

Arco e dobra descrevem a curvatura da wafer.

Valores elevados podem causar:

• Problemas de alinhamento da litografia
• Tratamento de questões

Densidade de defeito

Os defeitos importantes incluem:

• Micro-tubos
• Dislocações
• Partículas
• Defeitos de superfície

Uma menor densidade de defeito leva a uma maior confiabilidade do dispositivo.

7Tendências de desenvolvimento futuro no processamento de wafers de SiC

7.1 Wafers de SiC de maior diâmetro

A indústria está a mudar de:

• Wafers de SiC de 100 mm
• Wafers de SiC de 150 mm

para:

• Wafers de SiC de 200 mm

As wafers maiores podem reduzir o custo de fabricação, mas criam desafios adicionais de processamento.

7.2 Optimização de processos baseada em IA

A inteligência artificial é cada vez mais utilizada para:

• Detecção de defeitos
• Monitorização dos processos
• Previsão de rendimento

7.3 Engenharia de superfície melhorada

As tecnologias futuras concentrar-se-ão em:

• Polido mais rápido
• Processamento de danos mais reduzido
• Melhor controlo de defeitos

Conclusão

As placas de SiC oferecem vantagens significativas para dispositivos semicondutores de próxima geração, especialmente em aplicações de alta potência e alta temperatura.A estabilidade química do SiC torna o processamento de wafer consideravelmente mais desafiador do que a fabricação de silício convencional..

As tecnologias de moagem e polimento desempenham um papel fundamental na obtenção de wafers de SiC de grau semicondutor.e a rugosidade da superfície é essencial para melhorar o desempenho do dispositivo e o rendimento de produção.

À medida que a demanda cresce por veículos elétricos, sistemas de energia renovável e eletrónica de potência avançada,As inovações no processamento de wafers de SiC continuarão a ser um fator chave no desenvolvimento das futuras tecnologias de semicondutores.