השפעת עיבוד גביש יחיד סיליקון קרביד על איכות משטח פרוס

התקני כוח מוליכים למחצה תופסים עמדת ליבה במערכות אלקטרוניות כוח, במיוחד בהקשר של התפתחות מהירה של טכנולוגיות כגון בינה מלאכותית, תקשורת 5G ורכבי אנרגיה חדשים, דרישות הביצועים עבורם שופרו.

סיליקון קרביד(4H-SiC) הפך לחומר אידיאלי לייצור התקני הספק מוליכים למחצה בעלי ביצועים גבוהים בשל יתרונותיו כגון מרווח פס רחב, מוליכות תרמית גבוהה, חוזק שדה פירוק גבוה, קצב סחיפה גבוה של רוויה, יציבות כימית ועמידות בפני קרינה. עם זאת, ל-4H-SiC יש קשיות גבוהה, שבירות גבוהה, אינרציה כימית חזקה וקשיי עיבוד גבוהים. איכות פני השטח של רקיקת המצע שלו היא קריטית עבור יישומי מכשירים בקנה מידה גדול.
לכן, שיפור איכות פני השטח של פרוסות מצע 4H-SiC, במיוחד הסרת השכבה הפגועה על משטח עיבוד הפרוסים, היא המפתח להשגת עיבוד פרוסות מצע 4H-SiC יעיל, בעל אובדן נמוך ואיכותי.

לְנַסוֹת
הניסוי משתמש במטיל N מסוג 4H-SiC בגודל 4 אינץ' הגדל בשיטת הובלת אדים פיזית, המעובד באמצעות חיתוך תיל, שחיקה, שחיקה גסה, שחיקה עדינה והברקה, ומתעד את עובי ההסרה של משטח C ומשטח Si ואת עובי הפרוסה הסופי בכל תהליך.

איור 1 תרשים סכמטי של מבנה גביש 4H-SiC

איור 2 עובי הוסר מצד C וצד Si של 4H-רקיק SiCלאחר שלבי עיבוד שונים ועובי רקיק לאחר עיבוד

 

העובי, המורפולוגיה של פני השטח, החספוס והמאפיינים המכניים של הפרוסה אופיינו במלואם על ידי בודק פרמטרים של גיאומטריית רקיק, מיקרוסקופ הפרעות דיפרנציאלי, מיקרוסקופ כוח אטומי, מכשיר מדידת חספוס פני השטח וננו-אינדנטר. בנוסף, דיפרקטומטר ברזולוציה גבוהה שימש כדי להעריך את איכות הגביש של הפרוסה.
שלבי ניסוי ושיטות בדיקה אלו מספקים תמיכה טכנית מפורטת ללימוד קצב הסרת החומר ואיכות פני השטח במהלך העיבוד של 4H-פרוסות SiC.
באמצעות ניסויים, החוקרים ניתחו את השינויים בקצב הסרת החומר (MRR), מורפולוגיה וחספוס פני השטח, כמו גם תכונות מכניות ואיכות הגביש של 4H-פרוסות SiCבשלבי עיבוד שונים (חיתוך תיל, שחיקה, שחיקה גסה, שחיקה עדינה, ליטוש).

איור 3 קצב הסרת החומר של C-face ו-Si-face של 4H-רקיק SiCבשלבי עיבוד שונים

המחקר מצא כי עקב האניזוטרופיה של תכונות מכניות של פני גבישים שונים של 4H-SiC, יש הבדל ב-MRR בין C-face ו-Si-face באותו תהליך, וה-MRR של C-face גבוה משמעותית מאשר זה של Si-face. עם התקדמות שלבי העיבוד, המורפולוגיה של פני השטח והחספוס של פרוסות 4H-SiC עוברות אופטימיזציה בהדרגה. לאחר הליטוש, ה-Ra של C-face הוא 0.24nm, וה-Ra של Si-face מגיע ל-0.14nm, מה שיכול לענות על צורכי הצמיחה האפיטקסיאלית.

איור 4 תמונות מיקרוסקופ אופטי של משטח C (a~e) ומשטח Si (f~j) של פרוסות 4H-SiC לאחר שלבי עיבוד שונים

איור 5 תמונות מיקרוסקופ כוח אטומי של משטח C (a~c) ומשטח Si (d~f) של פרוסות 4H-SiC לאחר שלבי עיבוד CLP, FLP ו-CMP

איור 6 (א) מודול אלסטי ו-(ב) קשיות של משטח C ומשטח Si של פרוסות 4H-SiC לאחר שלבי עיבוד שונים

בדיקת המאפיינים המכניים מראה שלמשטח C של הפרוסה יש קשיחות ירודה יותר מחומר משטח Si, רמה גבוהה יותר של שבר שביר במהלך העיבוד, הסרת חומר מהירה יותר ומורפולוגיה וחספוס של פני השטח גרועים יחסית. הסרת השכבה הפגומה על פני השטח המעובדים היא המפתח לשיפור איכות פני השטח של הפרוסה. ניתן להשתמש ברוחב חצי הגובה של עקומת הנדנדה 4H-SiC (0004) כדי לאפיין ולנתח באופן אינטואיטיבי ומדויק את שכבת הנזק לפני השטח של הפרוסה.

איור 7 (0004) עקומת נדנדה ברוחב חצי של פני ה-C וה-Si-face של רקיקת 4H-SiC לאחר שלבי עיבוד שונים

תוצאות המחקר מראות שניתן להסיר בהדרגה את שכבת הנזק פני השטח של הפרוסה לאחר עיבוד פרוסות 4H-SiC, מה שמשפר למעשה את איכות פני השטח של הפרוסה ומספק התייחסות טכנית לעיבוד ביעילות גבוהה, בהפסד נמוך ובאיכות גבוהה. של פרוסות מצע 4H-SiC.

החוקרים עיבדו פרוסות 4H-SiC באמצעות שלבי עיבוד שונים כגון חיתוך תיל, שחיקה, שחיקה גסה, שחיקה עדינה וליטוש, וחקרו את ההשפעות של תהליכים אלו על איכות פני השטח של הפרוסה.
התוצאות מראות שעם התקדמות שלבי העיבוד, המורפולוגיה של פני השטח והחספוס של הפרוסה עוברות אופטימיזציה בהדרגה. לאחר הליטוש, החספוס של C-face ו-Si-face מגיע ל-0.24nm ו-0.14nm בהתאמה, מה שעונה על הדרישות של צמיחה אפיטקסיאלית. ל-C-face של הפרוסה יש קשיחות ירודה יותר מחומר Si-face, והוא נוטה יותר לשבר שביר במהלך העיבוד, וכתוצאה מכך מורפולוגיה וחספוס של פני השטח גרועים יחסית. הסרת שכבת הנזק פני השטח של המשטח המעובד היא המפתח לשיפור איכות פני השטח של הפרוסה. חצי הרוחב של עקומת הנדנדה 4H-SiC (0004) יכול לאפיין באופן אינטואיטיבי ומדויק את שכבת הנזק פני השטח של הפרוסה.
מחקרים מראים כי השכבה הפגועה על פני השטח של פרוסות 4H-SiC ניתנת להסרה הדרגתית באמצעות עיבוד פרוסות 4H-SiC, ובכך משפרת למעשה את איכות פני השטח של הפרוסה, ומספקת התייחסות טכנית ליעילות גבוהה, בהפסד נמוך וגבוה- עיבוד איכותי של פרוסות מצע 4H-SiC.