Półprzewodnikowe urządzenia mocy zajmują kluczową pozycję w układach energoelektronicznych, szczególnie w kontekście szybkiego rozwoju technologii, takich jak sztuczna inteligencja, komunikacja 5G i nowe pojazdy energetyczne, poprawiono wymagania eksploatacyjne dla nich.
Węglik krzemu(4H-SiC) stał się idealnym materiałem do produkcji wysokowydajnych półprzewodnikowych urządzeń mocy ze względu na swoje zalety, takie jak szeroka przerwa wzbroniona, wysoka przewodność cieplna, wysokie natężenie pola przebicia, wysoki współczynnik dryfu nasycenia, stabilność chemiczna i odporność na promieniowanie. Jednakże 4H-SiC ma wysoką twardość, wysoką kruchość, silną obojętność chemiczną i duże trudności w przetwarzaniu. Jakość powierzchni płytki podłoża ma kluczowe znaczenie w zastosowaniach urządzeń na dużą skalę.
Dlatego poprawa jakości powierzchni płytek z podłożem 4H-SiC, zwłaszcza usunięcie uszkodzonej warstwy na powierzchni obróbki płytek, jest kluczem do osiągnięcia wydajnego, niskostratnego i wysokiej jakości przetwarzania płytek z podłożem 4H-SiC.
Eksperyment
W eksperymencie wykorzystano 4-calowy wlewek 4H-SiC typu N hodowany metodą fizycznego transportu pary, który jest przetwarzany poprzez cięcie drutem, szlifowanie, szlifowanie zgrubne, szlifowanie dokładne i polerowanie oraz rejestruje grubość usuwania powierzchni C i powierzchni Si i końcową grubość płytki w każdym procesie.
Rysunek 1 Schematyczny diagram struktury kryształu 4H-SiC
Rysunek 2 Grubość usunięta ze strony C i strony Si 4H-Płytka SiCpo różnych etapach przetwarzania i grubości wafla po przetworzeniu
Grubość, morfologię powierzchni, chropowatość i właściwości mechaniczne płytki w pełni scharakteryzowano za pomocą testera parametrów geometrii płytki, różnicowego mikroskopu interferencyjnego, mikroskopu sił atomowych, przyrządu do pomiaru chropowatości powierzchni i nanoindentera. Ponadto do oceny jakości kryształów płytki wykorzystano dyfraktometr rentgenowski o wysokiej rozdzielczości.
Te etapy eksperymentalne i metody testowe zapewniają szczegółowe wsparcie techniczne w badaniu szybkości usuwania materiału i jakości powierzchni podczas przetwarzania 4H-Płytki SiC.
W drodze eksperymentów naukowcy przeanalizowali zmiany szybkości usuwania materiału (MRR), morfologii i chropowatości powierzchni, a także właściwości mechaniczne i jakość kryształów 4H-Płytki SiCw różnych etapach przetwarzania (cięcie drutem, szlifowanie, szlifowanie zgrubne, szlifowanie dokładne, polerowanie).
Rysunek 3 Szybkość usuwania materiału ze strony C i Si 4H-Płytka SiCw różnych etapach przetwarzania
Badanie wykazało, że ze względu na anizotropię właściwości mechanicznych różnych powierzchni kryształu 4H-SiC, istnieje różnica w MRR między powierzchnią C i powierzchnią Si w tym samym procesie, a MRR powierzchni C jest znacznie wyższy niż ten z Si-face'a. Wraz z postępem etapów przetwarzania morfologia powierzchni i chropowatość płytek 4H-SiC są stopniowo optymalizowane. Po polerowaniu Ra powierzchni C wynosi 0,24 nm, a Ra powierzchni Si osiąga 0,14 nm, co może zaspokoić potrzeby wzrostu epitaksjalnego.
Rysunek 4 Obrazy z mikroskopu optycznego powierzchni C (a~e) i powierzchni Si (f~j) płytki 4H-SiC po różnych etapach przetwarzania
Rysunek 5 Obrazy z mikroskopu sił atomowych powierzchni C (a~c) i powierzchni Si (d~f) płytki 4H-SiC po etapach przetwarzania CLP, FLP i CMP
Rysunek 6 (a) moduł sprężystości oraz (b) twardość powierzchni C i powierzchni Si płytki 4H-SiC po różnych etapach przetwarzania
Test właściwości mechanicznych pokazuje, że powierzchnia C płytki ma gorszą wytrzymałość niż materiał powierzchniowy Si, większy stopień kruchego pękania podczas obróbki, szybsze usuwanie materiału oraz stosunkowo słabą morfologię i chropowatość powierzchni. Usunięcie uszkodzonej warstwy na obrabianej powierzchni jest kluczem do poprawy jakości powierzchni płytki. Szerokość połowy wysokości krzywej wahań 4H-SiC (0004) można wykorzystać do intuicyjnego i dokładnego charakteryzowania i analizowania warstwy uszkodzeń powierzchni płytki.
Figura 7 (0004) krzywa kołysania, połowa szerokości powierzchni C i powierzchni Si płytki 4H-SiC po różnych etapach przetwarzania
Wyniki badań pokazują, że warstwa uszkadzająca powierzchnię płytki może być stopniowo usuwana po obróbce płytki 4H-SiC, co skutecznie poprawia jakość powierzchni płytki i stanowi punkt odniesienia technicznego dla wysokowydajnej, niskostratnej i wysokiej jakości obróbki płytek podłoża 4H-SiC.
Naukowcy przetworzyli płytki 4H-SiC na różnych etapach przetwarzania, takich jak cięcie drutem, szlifowanie, szlifowanie zgrubne, szlifowanie dokładne i polerowanie, a także badali wpływ tych procesów na jakość powierzchni płytki.
Wyniki pokazują, że wraz z postępem etapów obróbki morfologia powierzchni i chropowatość płytki ulegają stopniowej optymalizacji. Po polerowaniu chropowatość powierzchni C i Si osiąga odpowiednio 0,24 nm i 0,14 nm, co spełnia wymagania wzrostu epitaksjalnego. Powierzchnia C płytki ma gorszą wytrzymałość niż materiał powierzchni Si i jest bardziej podatna na kruche pękanie podczas przetwarzania, co skutkuje stosunkowo słabą morfologią i chropowatością powierzchni. Usunięcie warstwy niszczącej obrabianą powierzchnię jest kluczem do poprawy jakości powierzchni płytki. Połowa szerokości krzywej wahań 4H-SiC (0004) pozwala intuicyjnie i dokładnie scharakteryzować warstwę uszkadzającą powierzchnię płytki.
Badania pokazują, że uszkodzoną warstwę na powierzchni płytek 4H-SiC można stopniowo usuwać poprzez obróbkę płytek 4H-SiC, skutecznie poprawiając jakość powierzchni płytki, zapewniając techniczne odniesienie dla wysokiej wydajności, niskich strat i wysokiej jakość przetwarzania płytek podłoża 4H-SiC.
Czas publikacji: 8 lipca 2024 r