Aktueller Stand und Trends der SiC-Wafer-Verarbeitungstechnologie

Als Halbleitersubstratmaterial der dritten GenerationSiliziumkarbid (SiC)Einkristalle bieten breite Anwendungsmöglichkeiten bei der Herstellung von Hochfrequenz- und Hochleistungselektronik. Die SiC-Verarbeitungstechnologie spielt eine entscheidende Rolle bei der Produktion hochwertiger Substratmaterialien. Dieser Artikel stellt den aktuellen Forschungsstand zu SiC-Verarbeitungstechnologien in China und im Ausland vor und analysiert und vergleicht die Mechanismen von Schneide-, Schleif- und Polierprozessen sowie die Trends bei Wafer-Ebenheit und Oberflächenrauheit. Er zeigt außerdem die bestehenden Herausforderungen bei der SiC-Wafer-Verarbeitung auf und diskutiert zukünftige Entwicklungsrichtungen.

Siliziumkarbid (SiC)Wafer sind wichtige Grundmaterialien für Halbleiterbauelemente der dritten Generation und haben eine bedeutende Bedeutung und ein großes Marktpotenzial in Bereichen wie Mikroelektronik, Leistungselektronik und Halbleiterbeleuchtung. Aufgrund der extrem hohen Härte und chemischen Stabilität vonSiC-Einkristalle, sind herkömmliche Halbleiterverarbeitungsmethoden für ihre Bearbeitung nicht vollständig geeignet. Obwohl viele internationale Unternehmen umfangreiche Forschungen zur technisch anspruchsvollen Verarbeitung von SiC-Einkristallen durchgeführt haben, werden die relevanten Technologien streng vertraulich behandelt.

China hat in den letzten Jahren die Entwicklung von SiC-Einkristallmaterialien und -Bauelementen verstärkt. Die Weiterentwicklung der SiC-Bauelementtechnologie im Land wird jedoch derzeit durch Einschränkungen bei der Verarbeitungstechnologie und der Waferqualität behindert. Daher ist es für China unerlässlich, die SiC-Verarbeitungskapazitäten zu verbessern, um die Qualität der SiC-Einkristallsubstrate zu steigern und deren praktische Anwendung und Massenproduktion zu ermöglichen.

Die wichtigsten Verarbeitungsschritte umfassen: Schneiden → Grobschleifen → Feinschleifen → Grobpolieren (mechanisches Polieren) → Feinpolieren (chemisch-mechanisches Polieren, CMP) → Prüfen.

Schneiden von SiC-Einkristallen

Bei der Verarbeitung vonSiC-EinkristalleDas Schneiden ist der erste und äußerst kritische Schritt. Die durch den Schneidvorgang verursachte Krümmung, Verformung und Gesamtdickenvariation (TTV) des Wafers bestimmen die Qualität und Effektivität der nachfolgenden Schleif- und Poliervorgänge.

Schneidwerkzeuge lassen sich nach ihrer Form in Diamant-Innendurchmessersägen, Außendurchmessersägen, Bandsägen und Drahtsägen unterteilen. Drahtsägen wiederum lassen sich nach ihrer Bewegungsart in Pendel- und Endlosdrahtsysteme unterteilen. Basierend auf dem Schneidmechanismus des Schleifmittels lassen sich Drahtsägetechniken in zwei Typen unterteilen: frei abrasives Drahtsägen und fest abrasives Diamantdrahtsägen.

1.1 Traditionelle Schneidemethoden

Die Schnitttiefe von Außendurchmessersägen wird durch den Durchmesser des Sägeblatts begrenzt. Während des Schneidvorgangs ist das Sägeblatt anfällig für Vibrationen und Abweichungen, was zu hohem Geräuschpegel und geringer Stabilität führt. Innendurchmessersägen verwenden Diamantschleifmittel am Innenumfang des Sägeblatts als Schneidkante. Diese Sägeblätter können bis zu 0,2 mm dünn sein. Beim Schneiden rotiert das Innendurchmessersägeblatt mit hoher Geschwindigkeit, während sich das zu schneidende Material radial zur Sägeblattmitte bewegt. Durch diese Relativbewegung wird der Schnitt erzeugt.

Diamantbandsägen erfordern häufiges Anhalten und Wenden, und die Schnittgeschwindigkeit ist sehr niedrig – typischerweise nicht mehr als 2 m/s. Sie unterliegen außerdem erheblichem mechanischen Verschleiß und hohen Wartungskosten. Aufgrund der Breite des Sägeblatts darf der Schnittradius nicht zu klein sein, und Mehrscheibenschnitte sind nicht möglich. Diese herkömmlichen Sägewerkzeuge sind durch die Steifigkeit der Basis eingeschränkt und können keine Kurvenschnitte ausführen oder haben eingeschränkte Wenderadien. Sie sind nur für gerade Schnitte geeignet, erzeugen breite Schnittfugen, haben eine geringe Ausbeute und sind daher zum Schneiden ungeeignet.SiC-Kristalle.

1.2 Freischleifende Drahtsäge zum Schneiden mehrerer Drähte

Die frei abrasive Drahtsägetechnik nutzt die schnelle Bewegung des Drahtes, um Schlamm in den Schnittspalt zu transportieren und so Materialabtrag zu ermöglichen. Sie nutzt hauptsächlich eine hin- und hergehende Struktur und ist derzeit eine ausgereifte und weit verbreitete Methode für das effiziente Schneiden von Mehrscheiben-Einkristall-Silizium. Ihre Anwendung beim Schneiden von SiC ist jedoch weniger umfassend erforscht.

Freischleifende Drahtsägen können Wafer mit Dicken unter 300 μm bearbeiten. Sie zeichnen sich durch geringen Schnittverlust, seltenes Absplittern und eine relativ gute Oberflächenqualität aus. Aufgrund des Materialabtragsmechanismus – basierend auf dem Rollen und Eindrücken der Schleifmittel – neigt die Waferoberfläche jedoch zur Bildung erheblicher Eigenspannungen, Mikrorisse und tieferer Schadensschichten. Dies führt zu Waferverzug, erschwert die Kontrolle der Oberflächenprofilgenauigkeit und erhöht die Belastung nachfolgender Bearbeitungsschritte.

Die Schneidleistung wird stark vom Schleifschlamm beeinflusst. Die Schärfe der Schleifmittel und die Schleifschlammkonzentration müssen konstant gehalten werden. Die Aufbereitung und Wiederverwertung des Schleifschlamms sind kostspielig. Beim Schneiden großer Barren haben Schleifmittel Schwierigkeiten, in tiefe und lange Schnittfugen einzudringen. Bei gleicher Schleifkorngröße ist der Schnittfugenverlust größer als bei Drahtsägen mit festem Schleifmittel.

1.3 Feste abrasive Diamantdrahtsäge Mehrdrahtschneiden

Diamantdrahtsägen mit festem Schleifmittel werden typischerweise durch Einbetten von Diamantpartikeln in einen Stahldrahtträger mittels Galvanotechnik, Sintern oder Harzbindung hergestellt. Galvanotechnische Diamantdrahtsägen bieten Vorteile wie schmalere Schnittfugen, bessere Schnittqualität, höhere Effizienz, geringere Verschmutzung und die Fähigkeit, Materialien mit hoher Härte zu schneiden.

Die galvanische Diamantdrahtsäge mit Hin- und Herbewegung ist derzeit die am weitesten verbreitete Methode zum Schneiden von SiC. Abbildung 1 (hier nicht dargestellt) veranschaulicht die Oberflächenebenheit von SiC-Wafern, die mit dieser Technik geschnitten wurden. Mit fortschreitendem Schneiden nimmt die Waferverwölbung zu. Dies liegt daran, dass die Kontaktfläche zwischen Draht und Material beim Abwärtsbewegen des Drahtes zunimmt, was zu einem erhöhten Widerstand und einer erhöhten Drahtvibration führt. Wenn der Draht den maximalen Durchmesser des Wafers erreicht, ist die Vibration am größten, was zu einer maximalen Verwölbung führt.

In den späteren Phasen des Schneidens verschlechtert sich die Oberflächenqualität des Wafers aufgrund von Beschleunigung, konstanter Geschwindigkeitsbewegung, Abbremsen, Stoppen und Umkehren des Drahtes sowie Schwierigkeiten beim Entfernen von Rückständen mit dem Kühlmittel. Drahtumkehr und Geschwindigkeitsschwankungen sowie große Diamantpartikel auf dem Draht sind die Hauptursachen für Oberflächenkratzer.

1.4 Kalttrenntechnologie

Die Kaltseparation von SiC-Einkristallen ist ein innovatives Verfahren in der Halbleitermaterialverarbeitung der dritten Generation. In den letzten Jahren hat es aufgrund seiner bemerkenswerten Vorteile hinsichtlich der Verbesserung der Ausbeute und der Reduzierung von Materialverlusten große Aufmerksamkeit erregt. Die Technologie lässt sich unter drei Aspekten analysieren: Funktionsprinzip, Prozessablauf und Kernvorteile.

Bestimmung der Kristallorientierung und Schleifen des Außendurchmessers: Vor der Verarbeitung muss die Kristallorientierung des SiC-Blocks bestimmt werden. Anschließend wird der Block durch Schleifen des Außendurchmessers in eine zylindrische Struktur (üblicherweise SiC-Puck genannt) geformt. Dieser Schritt legt den Grundstein für das anschließende gerichtete Schneiden und Zerteilen.

Mehrdrahtschneiden: Bei dieser Methode werden Schleifpartikel in Kombination mit Schneiddrähten verwendet, um den zylindrischen Barren zu schneiden. Allerdings kommt es dabei zu erheblichen Schnittverlusten und Oberflächenunebenheiten.

Laserschneidtechnologie: Mithilfe eines Lasers wird eine modifizierte Schicht im Kristall gebildet, aus der dünne Scheiben herausgelöst werden können. Dieser Ansatz reduziert den Materialverlust und erhöht die Verarbeitungseffizienz. Damit ist er eine vielversprechende neue Richtung für das Schneiden von SiC-Wafern.

Schneidprozessoptimierung

Festes Schleifmittel-Mehrdrahtschneiden: Dies ist derzeit die gängige Technologie und eignet sich gut für die hohen Härteeigenschaften von SiC.

Funkenerosion (EDM) und Kalttrenntechnik: Diese Verfahren bieten vielfältige, auf spezifische Anforderungen zugeschnittene Lösungen.

Polierprozess: Es ist wichtig, Materialabtrag und Oberflächenschäden in Einklang zu bringen. Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) wird eingesetzt, um die Oberflächengleichmäßigkeit zu verbessern.

Echtzeitüberwachung: Es werden Online-Inspektionstechnologien eingeführt, um die Oberflächenrauheit in Echtzeit zu überwachen.

Laserschneiden: Diese Technik reduziert den Schnittverlust und verkürzt die Verarbeitungszyklen, obwohl die thermisch betroffene Zone weiterhin eine Herausforderung darstellt.

Hybride Verarbeitungstechnologien: Die Kombination mechanischer und chemischer Methoden verbessert die Verarbeitungseffizienz.

Diese Technologie wird bereits industriell eingesetzt. Infineon beispielsweise hat SILTECTRA übernommen und verfügt nun über Kernpatente für die Massenproduktion von 8-Zoll-Wafern. In China haben Unternehmen wie Delong Laser eine Produktionseffizienz von 30 Wafern pro Ingot bei der Verarbeitung von 6-Zoll-Wafern erreicht, was einer Verbesserung von 40 Prozent gegenüber herkömmlichen Methoden entspricht.

Mit der zunehmenden Produktion von Geräten im Inland wird erwartet, dass sich diese Technologie zur gängigen Lösung für die Bearbeitung von SiC-Substraten entwickelt. Mit zunehmendem Durchmesser von Halbleitermaterialien sind traditionelle Schneidemethoden obsolet geworden. Unter den aktuellen Optionen bietet die Diamantdrahtsägetechnologie die vielversprechendsten Anwendungsaussichten. Das Laserschneiden bietet als neue Technik erhebliche Vorteile und wird voraussichtlich in Zukunft die wichtigste Schneidemethode sein.

2.SiC-Einkristallschleifen

Als Vertreter der dritten Halbleitergeneration bietet Siliziumkarbid (SiC) dank seiner großen Bandlücke, seines hohen Durchbruchsfeldes, seiner hohen Sättigungselektronendriftgeschwindigkeit und seiner hervorragenden Wärmeleitfähigkeit erhebliche Vorteile. Diese Eigenschaften machen SiC besonders vorteilhaft für Hochspannungsanwendungen (z. B. 1200-V-Umgebungen). Die Verarbeitungstechnologie für SiC-Substrate ist ein grundlegender Bestandteil der Geräteherstellung. Oberflächenqualität und -präzision des Substrats wirken sich direkt auf die Qualität der Epitaxieschicht und die Leistung des fertigen Geräts aus.

Der Hauptzweck des Schleifprozesses besteht darin, oberflächliche Sägespuren und Schadschichten zu entfernen, die beim Schneiden entstanden sind, sowie durch den Schneidprozess verursachte Verformungen zu korrigieren. Aufgrund der extrem hohen Härte von SiC erfordert das Schleifen den Einsatz harter Schleifmittel wie Borcarbid oder Diamant. Konventionelles Schleifen wird üblicherweise in Grob- und Feinschleifen unterteilt.

2.1 Grob- und Feinmahlung

Das Schleifen kann anhand der Größe der Schleifpartikel kategorisiert werden:

Grobschliff: Verwendet größere Schleifmittel, um hauptsächlich Sägespuren und beim Schneiden entstandene Schadensschichten zu entfernen und so die Verarbeitungseffizienz zu verbessern.

Feinschleifen: Verwendet feinere Schleifmittel, um die durch Grobschleifen entstandene Schadensschicht zu entfernen, die Oberflächenrauheit zu verringern und die Oberflächenqualität zu verbessern.

Viele inländische Hersteller von SiC-Substraten nutzen großtechnische Produktionsverfahren. Ein gängiges Verfahren ist das beidseitige Schleifen mit einer Gusseisenplatte und monokristallinem Diamantschliff. Dieses Verfahren entfernt effektiv die durch das Drahtsägen entstandene Schadensschicht, korrigiert die Waferform und reduziert TTV (Total Thickness Variation), Verbiegung und Verzug. Die Materialabtragsrate ist stabil und erreicht typischerweise 0,8–1,2 μm/min. Die resultierende Waferoberfläche ist jedoch matt und weist eine relativ hohe Rauheit von typischerweise etwa 50 nm auf, was höhere Anforderungen an nachfolgende Polierschritte stellt.

2.2 Einseitiges Schleifen

Beim einseitigen Schleifen wird jeweils nur eine Seite des Wafers bearbeitet. Dabei wird der Wafer mit Wachs auf einer Stahlplatte befestigt. Unter Druck verformt sich das Substrat leicht, und die Oberseite wird abgeflacht. Nach dem Schleifen wird die Unterseite planiert. Nach dem Wegfall des Drucks nimmt die Oberseite ihre ursprüngliche Form wieder an, was sich auch auf die bereits geschliffene Unterseite auswirkt – beide Seiten verziehen sich und verlieren an Ebenheit.

Darüber hinaus kann die Schleifplatte innerhalb kurzer Zeit konkav werden, wodurch der Wafer konvex wird. Um die Ebenheit der Platte zu erhalten, ist häufiges Nachschleifen erforderlich. Aufgrund der geringen Effizienz und der schlechten Wafer-Ebenheit ist das einseitige Schleifen für die Massenproduktion nicht geeignet.

Typischerweise werden für den Feinschliff Schleifscheiben der Stärke 8000 verwendet. In Japan ist dieses Verfahren bereits relativ ausgereift und nutzt sogar Polierscheiben der Stärke 30000. Dadurch kann die Oberflächenrauheit der bearbeiteten Wafer unter 2 nm liegen und die Wafer sind ohne weitere Bearbeitung für das abschließende CMP (Chemical Mechanical Polishing) bereit.

2.3 Einseitige Ausdünnungstechnologie

Die Diamond Single-Sided Thinning Technology ist eine neuartige Methode zum einseitigen Schleifen. Wie in Abbildung 5 (hier nicht dargestellt) dargestellt, wird bei diesem Verfahren eine diamantgebundene Schleifplatte verwendet. Der Wafer wird mittels Vakuumadsorption fixiert, während sich Wafer und Diamantschleifscheibe gleichzeitig drehen. Die Schleifscheibe bewegt sich allmählich nach unten, um den Wafer auf die gewünschte Dicke zu dünnen. Nach Fertigstellung einer Seite wird der Wafer umgedreht, um die andere Seite zu bearbeiten.

Nach dem Ausdünnen kann ein 100-mm-Wafer Folgendes erreichen:

Krümmung < 5 μm

TTV < 2 μm

Oberflächenrauheit < 1 nm

Dieses Einzelwafer-Bearbeitungsverfahren bietet hohe Stabilität, hervorragende Konsistenz und eine hohe Materialabtragsrate. Im Vergleich zum herkömmlichen doppelseitigen Schleifen verbessert diese Technik die Schleifeffizienz um über 50 %.

2.4 Doppelseitiges Schleifen

Beim doppelseitigen Schleifen werden sowohl eine obere als auch eine untere Schleifplatte verwendet, um beide Seiten des Substrats gleichzeitig zu schleifen und so eine hervorragende Oberflächenqualität auf beiden Seiten sicherzustellen.

Während des Schleifvorgangs üben die Schleifplatten zunächst Druck auf die höchsten Punkte des Werkstücks aus, wodurch dort Verformungen und allmählicher Materialabtrag entstehen. Durch die Nivellierung der hohen Stellen wird der Druck auf das Substrat allmählich gleichmäßiger, was zu einer gleichmäßigen Verformung über die gesamte Oberfläche führt. Dadurch werden Ober- und Unterseite gleichmäßig geschliffen. Nach Abschluss des Schleifvorgangs und nach dem Nachlassen des Drucks erholt sich jeder Teil des Substrats durch den gleichmäßigen Druck, der ihm ausgesetzt war. Dies führt zu minimalem Verzug und guter Ebenheit.

Die Oberflächenrauheit des Wafers nach dem Schleifen hängt von der Schleifpartikelgröße ab – kleinere Partikel ergeben glattere Oberflächen. Bei Verwendung von 5-μm-Schleifmitteln für das beidseitige Schleifen können Waferebenheit und -dickenabweichungen innerhalb von 5 μm kontrolliert werden. Messungen mittels Rasterkraftmikroskopie (AFM) zeigen eine Oberflächenrauheit (Rq) von etwa 100 nm mit bis zu 380 nm tiefen Schleiflöchern und sichtbaren linearen Spuren durch die Schleifwirkung.

Eine fortschrittlichere Methode ist das beidseitige Schleifen mit Polyurethan-Schaumpads in Kombination mit polykristalliner Diamantaufschlämmung. Dieses Verfahren erzeugt Wafer mit einer sehr geringen Oberflächenrauheit von Ra < 3 nm, was für das anschließende Polieren von SiC-Substraten äußerst vorteilhaft ist.

Allerdings stellt das Problem der Oberflächenkratzer weiterhin ein ungelöstes Problem dar. Darüber hinaus wird der bei diesem Verfahren verwendete polykristalline Diamant durch eine explosive Synthese hergestellt, die technisch anspruchsvoll ist, nur geringe Mengen liefert und extrem teuer ist.

Polieren von SiC-Einkristallen

Um eine hochwertige polierte Oberfläche auf Siliziumkarbid-Wafern (SiC) zu erzielen, müssen Schleiflöcher und nanometergroße Oberflächenunebenheiten durch Polieren vollständig entfernt werden. Ziel ist eine glatte, fehlerfreie Oberfläche ohne Verunreinigungen oder Abnutzung, ohne Schäden unter der Oberfläche und ohne Restspannungen.

3.1 Mechanisches Polieren und CMP von SiC-Wafern

Nach dem Wachstum eines SiC-Einkristall-Ingots verhindern Oberflächendefekte dessen direkte Verwendung für epitaktisches Wachstum. Daher ist eine weitere Bearbeitung erforderlich. Der Ingot wird zunächst durch Abrunden in eine standardmäßige zylindrische Form gebracht, dann mittels Drahtschneiden in Wafer geschnitten und anschließend die kristallografische Orientierung überprüft. Das Polieren ist ein entscheidender Schritt zur Verbesserung der Waferqualität, da es potenzielle Oberflächenschäden durch Kristallwachstumsdefekte und vorherige Bearbeitungsschritte behebt.

Es gibt vier Hauptmethoden zum Entfernen von Oberflächenschadensschichten auf SiC:

Mechanisches Polieren: Einfach, hinterlässt aber Kratzer; geeignet für die Erstpolitur.

Chemisch-mechanisches Polieren (CMP): Entfernt Kratzer durch chemisches Ätzen; geeignet für Präzisionspolieren.

Wasserstoffätzen: Erfordert komplexe Geräte, die üblicherweise in HTCVD-Prozessen verwendet werden.

Plasmaunterstütztes Polieren: Aufwändig und selten eingesetzt.

Rein mechanisches Polieren neigt zur Entstehung von Kratzern, während rein chemisches Polieren zu ungleichmäßigen Ätzungen führen kann. CMP vereint beide Vorteile und bietet eine effiziente, kostengünstige Lösung.

CMP-Funktionsprinzip

Beim CMP wird der Wafer unter einem festgelegten Druck gegen ein rotierendes Polierpad gedreht. Diese Relativbewegung, kombiniert mit mechanischem Abrieb durch nanoskalige Schleifmittel im Polierschlamm und der chemischen Wirkung reaktiver Substanzen, führt zur Planarisierung der Oberfläche.

Verwendete Hauptmaterialien:

Polierschlamm: Enthält Schleifmittel und chemische Reagenzien.

Polierpad: Verschleißt während des Gebrauchs, wodurch die Porengröße und die Effizienz der Poliermittelzufuhr reduziert werden. Regelmäßiges Abrichten, üblicherweise mit einem Diamantabrichter, ist erforderlich, um die Rauheit wiederherzustellen.

Typischer CMP-Prozess

Schleifmittel: 0,5 μm Diamantschlamm

Zieloberflächenrauheit: ~0,7 nm

Chemisch-mechanisches Polieren:

Poliergerät: AP-810 Einseitenpolierer

Druck: 200 g/cm²

Plattengeschwindigkeit: 50 U/min

Drehzahl des Keramikhalters: 38 U/min

Zusammensetzung der Aufschlämmung:

SiO₂ (30 Gew.-%, pH = 10,15)

0–70 Gew.-% H₂O₂ (30 Gew.-%, Reagenzqualität)

Stellen Sie den pH-Wert mit 5 Gew.-% KOH und 1 Gew.-% HNO₃ auf 8,5 ein

Schlammdurchflussrate: 3 l/min, umgewälzt

Dieser Prozess verbessert die Qualität der SiC-Wafer effektiv und erfüllt die Anforderungen für nachgelagerte Prozesse.

Technische Herausforderungen beim mechanischen Polieren

SiC spielt als Halbleiter mit großer Bandlücke eine wichtige Rolle in der Elektronikindustrie. Dank seiner hervorragenden physikalischen und chemischen Eigenschaften eignen sich SiC-Einkristalle für extreme Umgebungen wie hohe Temperaturen, hohe Frequenzen, hohe Leistungen und hohe Strahlungsbeständigkeit. Seine harte und spröde Beschaffenheit stellt jedoch große Herausforderungen beim Schleifen und Polieren dar.

Mit der Umstellung führender globaler Hersteller von 6-Zoll- auf 8-Zoll-Wafer treten zunehmend Probleme wie Risse und Waferschäden während der Verarbeitung auf, die die Ausbeute erheblich beeinträchtigen. Die Bewältigung der technischen Herausforderungen bei 8-Zoll-SiC-Substraten ist heute ein wichtiger Maßstab für den Fortschritt der Branche.

Im 8-Zoll-Zeitalter steht die SiC-Wafer-Verarbeitung vor zahlreichen Herausforderungen:

Die Wafer-Skalierung ist notwendig, um die Chip-Produktion pro Charge zu steigern, Kantenverluste zu reduzieren und die Produktionskosten zu senken – insbesondere angesichts der steigenden Nachfrage im Bereich der Elektrofahrzeuganwendungen.

Während das Wachstum von 8-Zoll-SiC-Einkristallen ausgereift ist, gibt es bei Back-End-Prozessen wie Schleifen und Polieren immer noch Engpässe, was zu niedrigen Ausbeuten (nur 40–50 %) führt.

Bei größeren Wafern kommt es zu komplexeren Druckverteilungen, was die Beherrschung der Polierspannung und die Erzielung einer gleichbleibenden Ausbeute erschwert.

Obwohl die Dicke von 8-Zoll-Wafern der von 6-Zoll-Wafern nahekommt, sind sie bei der Handhabung anfälliger für Schäden durch Spannung und Verformung.

Um schnittbedingte Spannungen, Verzug und Rissbildung zu reduzieren, wird zunehmend Laserschneiden eingesetzt. Allerdings:

Langwellige Laser verursachen thermische Schäden.

Kurzwellige Laser erzeugen schwere Ablagerungen und vertiefen die Schadensschicht, wodurch die Polierarbeiten komplexer werden.

Mechanischer Polierablauf für SiC

Der allgemeine Prozessablauf umfasst:

Orientierungsschneiden

Grobmahlung

Feinmahlen

Mechanisches Polieren

Chemisch-mechanisches Polieren (CMP) als letzter Schritt

Die Wahl der CMP-Methode, die Gestaltung der Prozessroute und die Optimierung der Parameter sind entscheidend. In der Halbleiterfertigung ist CMP der entscheidende Schritt zur Herstellung von SiC-Wafern mit ultraglatten, fehler- und beschädigungsfreien Oberflächen, die für ein qualitativ hochwertiges epitaktisches Wachstum unerlässlich sind.

(a) Entfernen Sie den SiC-Block aus dem Tiegel.

(b) Durchführen einer ersten Formgebung durch Schleifen des Außendurchmessers;

(c) Bestimmen Sie die Kristallorientierung mithilfe von Ausrichtungsflächen oder -kerben.

(d) Schneiden des Barrens in dünne Scheiben mittels Mehrdrahtsäge;

(e) Erzielen Sie durch Schleif- und Polierschritte eine spiegelglatte Oberfläche.

Nach Abschluss der Verarbeitungsschritte ist die Außenkante des SiC-Wafers häufig scharf, was das Risiko von Absplitterungen bei der Handhabung oder Verwendung erhöht. Um diese Brüchigkeit zu vermeiden, ist ein Kantenschliff erforderlich.

Neben herkömmlichen Trennverfahren gibt es eine innovative Methode zur Herstellung von SiC-Wafern, die Bondtechnologie. Dieser Ansatz ermöglicht die Waferherstellung durch das Bonden einer dünnen SiC-Einkristallschicht auf ein heterogenes Substrat (Trägersubstrat).

Abbildung 3 veranschaulicht den Prozessablauf:

Zunächst wird mittels Wasserstoffionenimplantation oder ähnlichen Techniken eine Delaminationsschicht in einer bestimmten Tiefe auf der Oberfläche des SiC-Einkristalls gebildet. Der bearbeitete SiC-Einkristall wird anschließend mit einem flachen Trägersubstrat verbunden und Druck und Hitze ausgesetzt. Dies ermöglicht die erfolgreiche Übertragung und Trennung der SiC-Einkristallschicht auf das Trägersubstrat.

Die abgetrennte SiC-Schicht wird einer Oberflächenbehandlung unterzogen, um die erforderliche Ebenheit zu erreichen, und kann in nachfolgenden Bondprozessen wiederverwendet werden. Im Vergleich zum herkömmlichen Schneiden von SiC-Kristallen reduziert diese Technik den Bedarf an teuren Materialien. Obwohl technische Herausforderungen bestehen bleiben, werden Forschung und Entwicklung aktiv vorangetrieben, um eine kostengünstigere Waferproduktion zu ermöglichen.

Aufgrund der hohen Härte und chemischen Stabilität von SiC, die es bei Raumtemperatur reaktionsbeständig macht, ist mechanisches Polieren erforderlich, um feine Schleiflöcher zu entfernen, Oberflächenschäden zu reduzieren, Kratzer, Lochfraß und Orangenhautdefekte zu beseitigen, die Oberflächenrauheit zu verringern, die Ebenheit zu verbessern und die Oberflächenqualität zu steigern.

Um eine hochwertige polierte Oberfläche zu erzielen, ist Folgendes erforderlich:

Schleifmittelarten anpassen,

Reduzieren Sie die Partikelgröße,

Prozessparameter optimieren,

Wählen Sie Poliermaterialien und -pads mit ausreichender Härte.

Abbildung 7 zeigt, dass durch beidseitiges Polieren mit 1-μm-Schleifmitteln die Ebenheits- und Dickenabweichungen innerhalb von 10 μm kontrolliert und die Oberflächenrauheit auf etwa 0,25 nm reduziert werden können.

3.2 Chemisch-mechanisches Polieren (CMP)

Beim chemisch-mechanischen Polieren (CMP) wird der Abrieb ultrafeiner Partikel mit chemischem Ätzen kombiniert, um eine glatte, ebene Oberfläche auf dem zu bearbeitenden Material zu erzeugen. Das Grundprinzip ist:

Es kommt zu einer chemischen Reaktion zwischen der Poliersuspension und der Waferoberfläche, wodurch eine weiche Schicht entsteht.

Durch die Reibung zwischen den Schleifpartikeln und der weichen Schicht wird das Material abgetragen.

CMP-Vorteile:

Überwindet die Nachteile des rein mechanischen oder chemischen Polierens,

Erzielt sowohl eine globale als auch eine lokale Planarisierung,

Erzeugt Oberflächen mit hoher Ebenheit und geringer Rauheit,

Hinterlässt keine Schäden an der Oberfläche oder darunter.

Ausführlich:

Der Wafer bewegt sich unter Druck relativ zum Polierpad.

Schleifmittel im Nanometerbereich (z. B. SiO₂) in der Aufschlämmung wirken beim Scheren mit, schwächen kovalente Si-C-Bindungen und verstärken den Materialabtrag.

Arten von CMP-Techniken:

Freies Schleifpolieren: Schleifmittel (z. B. SiO₂) werden in einer Suspension suspendiert. Der Materialabtrag erfolgt durch Dreikörper-Schleifwirkung (Wafer–Pad–Schleifmittel). Schleifmittelgröße (typischerweise 60–200 nm), pH-Wert und Temperatur müssen präzise kontrolliert werden, um die Gleichmäßigkeit zu verbessern.

Polieren mit festem Schleifmittel: Schleifmittel sind in das Polierpad eingebettet, um eine Agglomeration zu verhindern – ideal für die hochpräzise Verarbeitung.

Reinigung nach dem Polieren:

Polierte Wafer werden folgenden Prozessen unterzogen:

Chemische Reinigung (einschließlich Entfernung von DI-Wasser und Schlammrückständen),

Spülen mit deionisiertem Wasser und

Heißstickstofftrocknung

um Oberflächenverunreinigungen zu minimieren.

Oberflächenqualität und Leistung

Die Oberflächenrauheit kann auf Ra < 0,3 nm reduziert werden, wodurch die Anforderungen der Halbleiterepitaxie erfüllt werden.

Globale Planarisierung: Die Kombination aus chemischer Erweichung und mechanischer Entfernung reduziert Kratzer und ungleichmäßiges Ätzen und übertrifft damit rein mechanische oder chemische Methoden.

Hohe Effizienz: Geeignet für harte und spröde Materialien wie SiC, mit Materialabtragsraten über 200 nm/h.

Andere neue Poliertechniken

Zusätzlich zu CMP wurden alternative Methoden vorgeschlagen, darunter:

Elektrochemisches Polieren, Katalysator-unterstütztes Polieren oder Ätzen und

Tribochemisches Polieren.

Allerdings befinden sich diese Methoden noch im Forschungsstadium und haben sich aufgrund der anspruchsvollen Materialeigenschaften von SiC nur langsam entwickelt.

Letztendlich ist die SiC-Verarbeitung ein schrittweiser Prozess zur Reduzierung von Verzug und Rauheit, um die Oberflächenqualität zu verbessern, wobei die Kontrolle von Ebenheit und Rauheit in jeder Phase entscheidend ist.

Verarbeitungstechnologie

Beim Waferschleifen wird Diamantschliff unterschiedlicher Partikelgröße verwendet, um den Wafer auf die gewünschte Ebenheit und Oberflächenrauheit zu schleifen. Anschließend erfolgt das Polieren mit mechanischen und chemisch-mechanischen Polierverfahren (CMP), um beschädigungsfrei polierte Siliziumkarbid-Wafer (SiC) zu erzeugen.

Nach dem Polieren werden die SiC-Wafer einer strengen Qualitätskontrolle unterzogen. Dabei kommen Instrumente wie optische Mikroskope und Röntgendiffraktometer zum Einsatz, um sicherzustellen, dass alle technischen Parameter den geforderten Standards entsprechen. Abschließend werden die polierten Wafer mit speziellen Reinigungsmitteln und Reinstwasser gereinigt, um Oberflächenverunreinigungen zu entfernen. Anschließend werden sie mit hochreinem Stickstoffgas und Schleudertrocknern getrocknet. Damit ist der gesamte Produktionsprozess abgeschlossen.

Nach jahrelangen Bemühungen wurden in China erhebliche Fortschritte bei der Verarbeitung von SiC-Einkristallen erzielt. Im Inland wurden 100 mm große, dotierte, halbisolierende 4H-SiC-Einkristalle erfolgreich entwickelt, und n-Typ-4H-SiC- und 6H-SiC-Einkristalle können nun in Chargen produziert werden. Unternehmen wie TankeBlue und TYST haben bereits 150 mm große SiC-Einkristalle entwickelt.

In der SiC-Wafer-Verarbeitungstechnologie haben inländische Institutionen die Prozessbedingungen und -verfahren für das Schneiden, Schleifen und Polieren von Kristallen vorab untersucht. Sie sind in der Lage, Muster herzustellen, die grundsätzlich den Anforderungen für die Geräteherstellung entsprechen. Im Vergleich zu internationalen Standards hinkt die Oberflächenverarbeitungsqualität inländischer Wafer jedoch noch deutlich hinterher. Es gibt mehrere Probleme:

Internationale SiC-Theorien und -Verarbeitungstechnologien sind streng geschützt und nicht leicht zugänglich.

Es mangelt an theoretischer Forschung und Unterstützung zur Prozessverbesserung und -optimierung.

Die Kosten für den Import ausländischer Geräte und Komponenten sind hoch.

Die inländische Forschung zu Gerätedesign, Verarbeitungspräzision und Materialien weist im Vergleich zum internationalen Niveau noch immer erhebliche Lücken auf.

Derzeit werden die meisten in China verwendeten Hochpräzisionsinstrumente importiert. Auch die Prüfgeräte und -methoden müssen weiter verbessert werden.

Mit der Weiterentwicklung von Halbleitern der dritten Generation nimmt der Durchmesser von SiC-Einkristallsubstraten stetig zu, was mit steigenden Anforderungen an die Qualität der Oberflächenbearbeitung einhergeht. Die Waferverarbeitungstechnologie ist nach dem Wachstum von SiC-Einkristallen zu einem der technisch anspruchsvollsten Schritte geworden.

Um die bestehenden Herausforderungen bei der Verarbeitung zu bewältigen, ist es unerlässlich, die Mechanismen beim Schneiden, Schleifen und Polieren weiter zu untersuchen und geeignete Prozessmethoden und -verfahren für die Herstellung von SiC-Wafern zu entwickeln. Gleichzeitig ist es notwendig, von fortschrittlichen internationalen Verarbeitungstechnologien zu lernen und modernste hochpräzise Bearbeitungstechniken und -geräte zu übernehmen, um hochwertige Substrate herzustellen.

Mit zunehmender Wafergröße steigen auch die Anforderungen an Kristallwachstum und -verarbeitung. Die Fertigungseffizienz nachfolgender Bauelemente verbessert sich jedoch deutlich, und die Stückkosten sinken. Derzeit bieten die wichtigsten SiC-Wafer-Anbieter weltweit Produkte mit Durchmessern von 4 bis 6 Zoll an. Führende Unternehmen wie Cree und II-VI planen bereits die Entwicklung von Produktionslinien für 8-Zoll-SiC-Wafer.