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碳化硅晶圆成功的秘诀
2022/8/8 11:00:15 材料来源：化合物半导体
我们今天使用的几乎所有设备都依赖于半导体。新的技术进步要求碳化硅（SiC）必须用于许多要求苛刻的半导体应用。由于其物理和电子特性，SiC基器件非常适合高温和高功率/高频电子器件，从而推动了电动汽车、5G和物联网技术的进步。虽然它们为最终用户带来了很多好处，但高质量碳化硅衬底的生产给晶圆制造商带来了许多挑战。15年来，Pureon一直在为碳化硅晶片制造商提供切片和表面处理的各种工艺步骤的最先进解决方案。
作者：WILLIAM GEMMILL博士、TERRY M.KNIGHT、DIPL.-ING. HELGE WILLERS、RAVI BOLLINA博士和ARTHUR LENART，PUREON
生活变得更智能了！我们的一天从智能手表的闹钟开始。我们拍手打开智能家居的灯。当我们等待咖啡机煮咖啡的时候，我们会查看我们的智能手机以获取最新的新闻和更新。然后我们把电动汽车从充电器上拔下，开车去上班。在工作中，我们通过基于云的计算机和视听通信系统连接到整个世界来完成我们的工作。
半导体改善我们的日常生活
我们遵循了戈登•摩尔定律，达到了曾经无法想象的水平，半导体彻底改变了我们的工作、通信、旅行、娱乐、利用能量和治疗疾病的方式。它们不仅使我们日常生活中的有用设备成为可能，而且使它们更紧凑、更便宜、更强大。以手机的发展为例：80年代的第一款手机非常笨重，价格几乎相当于一辆汽车，充电时间仅为30分钟左右。今天，我们的智能手机是高度智能的移动设备，几乎与普通电脑一样强大，人人都可以使用。令人惊讶的是，最大的潜力仍在前方。作为技术的基石，碳化硅基半导体将继续实现重大突破：从航空航天和消费电子到能源和医药，整个行业都将发生变革。这一转变的一个很好的例子是汽车行业。电动汽车已从一种生态利基产品演变为人们日常首选的替代产品。这一发展得到了更强大的电力传动系统的支持，使用了更高的电流和更有效的电路。这就是碳化硅发挥主导作用的地方。
为什么选择碳化硅？
答案很简单：在更高的电压下，功率更大，效率更高，可靠性更好。不仅在工业上，而且在半导体材料本身都发生了变革。为了满足电子器件日益增长的要求，碳化硅已成为先进半导体，特别是电力电子器件的首选衬底材料。它可以使介质击穿场强提高10倍，击穿电压提高15倍，导热系数提高3倍。此外，碳化硅能够实现更高的工作温度（最高可达400°C，而硅为150°C），并且具有2-3倍以上的电流密度。
碳化硅半导体在高温、高压和功率下的性能使其在多个行业的需求不断增加。例如，数据中心使用碳化硅作为电源，大大降低了冷却系统所需的功率。
此外，不间断电源（UPS）系统可确保稳定、一致的电源。另一个例子是5G基站：它们处理越来越多的数据，导致功率需求增加。碳化硅半导体用于兆赫开关，并以较小的尺寸提供更高的功率。
碳化硅使电动汽车获得突破
尤其是汽车行业受益于碳化硅的优势。由于碳化硅半导体具有更高的效率，像保时捷这样的制造商能够将400伏电池转换为800伏电池。这导致了更快的充电时间、更小的电池和更长的续航里程。受益于SiC的其他应用：
⊕车载电池充电器：将外部AC转换为DC为电池充电，可以将功率增加一半
⊕车载DC/DC转换器：将车载电池电压转换为清洁的12VDC总线，为车载设备供电
⊕动力系统：逆变器、电机及其与传动系的机械附件�？厮鸷男∮�80%，尺寸减小30%。电池体积更小（重量更轻，热量更少），续航时间更长
⊕非车载直流快速充电器：用于快速充电的DC充电站
行业面临的挑战
由于未来五年的需求预计将大幅增加，该行业面临的主要挑战不仅是所需晶圆的绝对数量，还包括不断变化的晶圆规格。更严格的公差和规格将推动当前和未来的制造方法。创新对于克服这些挑战至关重要。采取积极主动的方法来预测制造技术的变化，需要与工艺工程师建立深厚的关系，并在信任和专业知识的基础上进行研发，以开发下一代产品。
碳化硅衬底制造商有动力提高工艺效率并降低晶圆生产成本，因为市场正在努力实现功率器件与硅基器件的价格持平。此外，需求的巨大增长（加速量产、新设施等）和基于SiC的应用需求激增情况下的全球供应链约束，都需要制造工艺的创新。
从一开始就优化成本
在开发或优化工艺步骤时，每个晶圆的成本将成为驱动因素。大多数公司都希望减少加工时间，或降低耗材成本，认为这才会降低成本。随着碳化硅越来越多地被用于器件制造，并从研发材料走向商业化，产量的提高将显著优化拥有成本。最大限度地提高产量，同时最大限度地减少返工，将提高现有流程的吞吐量。
该行业面临的一个主要挑战是缺乏可靠的合作伙伴来提供制造过程中的表面处理解决方案。未经验证的解决方案和新供应商的不可靠性会导致生产或扩大规模放缓甚至停止的风险。这往往导致耗材、工具和客户认证的交付周期较长，这是扩大生产能力的巨大障碍。这就是消耗品对整个过程产生影响的原因。研磨片、浆料和衬底的一致性在优化产量的过程中至关重要。
PUREON：碳化硅晶圆全过程解决方案提供商
Pureon在半导体行业拥有多年的经验，并已开发出经验证的晶圆生产解决方案。Pureon支持制造商建立可靠高效的流程。Pureon拥有为碳化硅市场开发20年产品的半导体历史，有助于克服关键的制造挑战。
在客户的路线图中尽早与客户沟通，以确定瓶颈、定义资源和期望，这一点至关重要。作为一家具有内部晶圆加工能力的耗材制造商，Pureon能够通过自己的研磨和表面实验室进行测试并生成数据。该功能为Pureon提供了显著缩短的开发周期，并为客户提供了代表性数据，以降低新产品测试和鉴定的风险。这有利于晶圆制造商缩短其现场的测试和验收。
Pureon与OEM合作进行全面测试，以确认结果。这消除了客户必须将工具或单元退出生产以进行测试和收集数据与当前记录过程进行比较的挑战。
优化当前流程并开发新流程
该行业面临的一个主要挑战是晶锭和衬底的可用性有限，因此增加了对任何可以制造的产品的运输需求。这强调了高效可靠的生产工艺重要性。然而，任何工艺更改都可能导致完全重新鉴定，这可能需要几个月的时间。因此，制造商有动力优化其当前的生产工艺，以从较低的工艺成本中获益。
Pureon支持这一努力，提供延长耗材寿命和缩短周期的解决方案，同时优化和提高产量。
与此同时，市场需求正在发生变化。因此，该行业正在向主要硅晶圆规格靠拢，要求制造商开发新工艺。一个很好的例子是从150毫米晶圆转移到200毫米晶圆，这需要完全不同的制造工艺和设备。为了实现这些新要求的大批量制造工艺，在所有工艺步骤中都引入了新的制造技术。Pureon专注于创新和前瞻性发展战略，为碳化硅晶圆制造商提供下一代解决方案，通过提高生产力和降低拥有成本来支持市场的成熟。
碳化硅锭的多线锯加工——优化晶锭切片的秘方
为了制备用于器件制造的碳化硅衬底，必须首先从单晶或晶锭上切割晶圆坯料。实现这一点的主要方法是使用多线锯，利用高速移动的细线与金刚石磨料浆相结合，从碳化硅锭上精确切割晶圆坯料。该过程的主要输入包括速度和进给量、金属丝的类型和尺寸以及金刚石磨料浆的特性。根据晶圆形状的响应，即弯曲、翘曲和总厚度变化（TTV），判断切割质量。在线锯步骤成功切割高质量坯料可以说是晶圆生产过程中最重要的步骤，因为晶圆形状的下游改善非常难以实现。
Pureon以金刚石研磨浆料的形式为线锯工艺提供解决方案，并与线锯OEM和客户密切合作以优化该工艺。在线锯浆料消耗空间内有两种类型：油基和非油基配方。Pureon提供油基（WSO）和非油基（WSG）浆料解决方案。Pureon专有化学和浆料中的分类钻石提供了批次间的一致性，这意味着客户现场的可再生工艺。此外，它消除了内部混合线锯浆料的需要，并减少了开销。无论是第一块晶圆还是第1000块晶圆，TTV、弯曲、翘曲和表面质量的性能都得到了精确控制，从而提高了晶圆的产量和质量。
多线锯工艺激动人心的机遇
与现有解决方案相比，Pureon在线锯浆料产品方面的最新进展展示了改善弯曲、翘曲和TTV的令人振奋的机会，同时减少了与传统油基浆料相关的环境和职业危害。事实证明，非油基浆料配方设计的最新进展提供了优异的晶圆质量。这些解决方案使客户能够在锯下生产出更高质量的晶圆，从而使其后续加工获得成功，如表1所示。
碳化硅晶圆的金刚石机械研磨
碳化硅衬底制造的下一个主要过程是使用含有金刚石的研磨浆和研磨片对晶圆进行机械研磨。典型工艺在双面、单面或双面和单面研磨工具的某些组合上进行。该工艺步骤的输出是在最终研磨操作中呈现非常平坦且粗糙度相对较低的晶圆片。
关键输入包括正确选择金刚石研磨液和研磨片、加工参数（如研磨压力和工作台速度）以及机器选择。在关键输入中，研磨液和研磨片对成功的工艺优化贡献最大。Pureon已经确定了最佳工艺解决方案，通过将合适的研磨片和研磨液与安装的工具相结合，在材料去除率、晶圆形状和表面质量方面为客户提供最大的工艺性能。Pureon在通过金刚石机械研磨加工碳化硅晶圆方面的丰富经验可用于最大限度地提高加工效率，无论客户设施中的工具是什么。表2描述了大块和细粒去除步骤的DMP工艺流程。
多年来，钻石基浆料开发一直是Pureon创新团队的主要关注点。该公司已经确定了高度优化的配方，可以调节碳化硅衬底不同表面上的材料去除率。Pureon确定了与适当的研磨片和工艺参数协同工作的钻石类型，这些研磨片和工艺参数继续从该工艺中获得更多性能并提高效率，例如图1。Pureon认为，随着150毫米碳化硅衬底市场在未来几年的成熟，这一工艺步骤的拥有成本将大大降低。
碳化硅晶圆的化学机械研磨
碳化硅晶片生产的最终主要过程通常称为化学机械研磨（CMP）步骤。该工艺步骤旨在制备用于外延生长的衬底表面，同时使晶圆形状变化为零或尽可能小。这通常是通过使用高反应性化学研磨液和聚氨酯基或聚氨酯浸渍毡型研磨片来实现的，以仅从晶圆表面去除几微米。晶圆被交付到研磨片，并通过单面批处理工具中的衬底或晶圆夹具，或通过单面晶圆工具中带有背膜的真空吸盘固定到位。这些晶圆载体中使用的材料暴露于研磨浆的高度反应性化学，因此需要对反应性化学具有强大的耐受性。
WSG是一种先进的乙二醇基金刚石悬浮液，用于碳化硅晶锭的多丝锯切片，具有专利添加剂，可增强悬浮液的稳定性。
Pureon 还与业界密切合作，将两款用于 SiC CMP 的新型抛光垫推向市场，最近在法国图尔举行的 2021 ECSCRM 上展出。这些下一代 CMP 抛光垫可提高 CMP 工艺的生产率和质量。多年来，最终研磨液的配方一直是广泛研究的主题，这一领域的创新仍在继续。因此，深入了解该过程步骤中不同耗材组合之间的相互作用对于优化至关重要。Pureon 与最终 CMP 浆料供应商密切合作，将他们的技术与最佳抛光垫、垫调节工艺和晶圆模板或载体薄膜相结合。最终 CMP 抛光垫技术的进步继续推动生产力的提高。 Pureon 继续推动用于 SiC 晶圆最终抛光的耗材和工艺的创新解决方案。
图1：使用3 mm单晶金刚石的三组分混合物设计中的代表性硅面MRR（mm/h）响应面。
与Pureon携手迈向未来
碳化硅器件市场的增长要求衬底制造在当前状态和下一代衬底的开发中取得重大进展。Pureon凭借其在该市场的知识、解决方案和经验，为碳化硅晶圆行业提供了近20年的支持。其专家不断创新，以提高衬底产量和降低碳化硅晶圆的成本，从而更快地采用这项技术。Pureon将碳化硅制造推向了新的极限，改善了我们的生活。这就是为什么创新和突破极限在Pureon从未停止。了解更多关于他们使用新型抛光垫IRINO-PRO-C研磨碳化硅的最新解决方案。更多细节和技术演示将于2022年9月11日至16日在瑞士达沃斯举行的ICSCRM期间进行。
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