碳化硅晶片成功的秘诀

半导体工艺与设备 2023-03-20 11:01

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我们今天使用的几乎所有设备都依赖于半导体。新的技术进步和要求要求要求在许多要求苛刻的半导体应用中使用碳化硅（SiC）。由于其物理和电子特性，基于SiC的设备非常适合高温和高功率/高频电子设备，从而实现电动汽车（EV），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，但生产高质量的SiC衬底给晶圆制造商带来了许多挑战。15年来，Pureon一直为SiC晶圆制造商提供最先进的切片和表面处理步骤。作者：DR. WILLIAM GEMMILL， TERRY M. KNIGHT， DIPL.-ING.HELGE WILLERS，DR. RAVI BOLLINA和ARTHUR LENART来自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时，我们会检查智能手机以获取最新消息和更新。然后，我们将电动汽车从充电器上拔下插头，然后开车去上班。在工作中，我们通过在基于云的计算机和视听通信系统的帮助下与整个世界建立联系来完成我们的工作。

半导体改善了我们的日常生活
我们已经遵循了戈登摩尔定律，达到了曾经难以想象的水平，半导体已经彻底改变了我们的工作，沟通，旅行，娱乐，利用能源和治疗疾病的方式。它们不仅使我们日常生活中有用的设备成为可能，而且还使它们更紧凑，更便宜，更强大。以手机的发展为例：80年代的第一批设备非常重，成本几乎与汽车一样高，并且只能充电约30分钟的通话时间。今天，我们的智能手机是高度智能的移动设备，几乎与普通计算机一样强大，每个人都可以使用。令人惊讶的是，最大的潜力还在前面。作为技术的基石，基于SiC的半导体将继续实现重大突破：从航空航天和消费电子产品到能源和医学 - 整个行业都将发生转变。这种转变的一个很好的例子是汽车行业。电动汽车已经从生态位产品发展成为首选的日常替代品。这一发展得到了更强大的电动传动系统的支持，使用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，可靠性更高。不仅在工业上，而且在半导体材料本身上都有一个转变。为了应对日益增长的电气器件要求，SiC已成为先进半导体的首选基板材料，尤其是电力电子器件。它允许10倍的介电击穿场强，15倍的击穿电压，并提供3倍的导热性。此外，SiC可实现更高的工作温度（硅最高可达400°C，而硅为150°C），电流密度可提高2-3倍。

SiC半导体在高温、高压和高压下工作的能力导致其在多个行业的需求增加。例如，数据中心将SiC用于电源，从而大大减少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，导致电力需求上升。SiC半导体用于MHz开关，以更小的尺寸提供更高的功率。

得益于SiC，电动汽车的突破，特别是汽车行业受益于SiC的优势。得益于SiC半导体的更高效率，像保时捷这样的制造商能够从400 V电池过渡到800 V电池。这样可以缩短充电时间，减少电池使用时间，延长运行时间ges.受益于SiC：
⊕板载电池充电器的其他应用：将外部AC转换为DC以为电池充电，并且可以以一半的尺寸将功率加倍⊕板载DC / DC转换器：将板载电池电压转换为干净的~12VDC总线，为板载设备
供电⊕动力总成：逆变器、电动机及其与传动系统的机械附件。将损耗切换至80%以下，尺寸减小30%。电池更小（重量更轻，热量更小）和续航里程
更长⊕板外直流快速充电器：用于快速充电

的更快直流充电站对行业的挑战随着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的晶圆数量庞大，而且晶圆规格的变化也反映了硅晶圆的规格。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。

SiC衬底制造商有动力提高工艺效率并降低晶圆生产成本，因为市场正在努力争取功率器件价格与Si基器件平价。此外，需求的巨大增长（生产斜坡，新设施等）和全球供应链限制的导航，对基于SiC的应用的需求激增以及对所有类型半导体的整体需求激增，需要制造工艺的创新。

从一开始就优化成本每晶圆成本将成为开发或优化工艺步骤时的驱动因素。大多数人会寻求减少处理时间或更便宜的耗材，认为这将降低成本。随着SiC越来越多地被设备制造所采用，并从研发材料转向商业化，提高产量是实现拥有成本显着改善的地方。在最小化返工的同时最大限度地提高产量，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为制造过程中提供表面处理解决方案。未经验证的解决方案和新供应商的不可靠性会导致减慢甚至停止生产或扩大规模的风险。这通常会导致耗材、工具和客户资格的交货时间过长，这是扩大生产能力的巨大障碍。这就是为什么耗材对整个过程有影响的原因。垫料、浆料和模板在运行到运行和批次到批次之间的一致性对于优化产量的努力至关重要。

PUREON-碳化硅晶圆的全过程解决方案提供商
，Pureon在半导体行业拥有多年的经验，并为晶圆生产开发了经过验证的解决方案。普瑞龙支持制造商建立可靠和高效的流程。普瑞龙的半导体历史，二十年来开发产品SiC市场有助于克服关键的制造挑战。

在路线图中尽早与客户接洽以识别瓶颈、定义资源和期望至关重要。作为一家具有内部晶圆加工能力的耗材制造商，Pureon能够通过自己的抛光和表面实验室进行测试并生成数据。此功能为 Pureon 提供了显著缩短的开发周期时间，并为客户提供了具有代表性的数据，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时间。Pureon与OEM合作进行全面测试以确认调查结果。这消除了客户必须将工具或单元从生产中取出以进行测试并收集数据以与当前记录过程进行比较的挑战。

优化当前和开发新工艺
该行业面临的主要挑战是晶锭和晶片的可用性有限，从而增加了对运输任何可以制造的东西的需求。这强调了高效可靠的生产过程的重要性。但是，任何流程变更都可能导致完全重新获得资格，这可能需要数月时间。因此，制造商有能力优化其当前的生产流程，以从较低的工艺成本中受益。Pureon支持这项工作，提供延长易损件使用寿命和缩短周期时间的解决方案，同时优化和提高产量。

与此同时，市场需求也在不断变化。因此，该行业正在向主要硅片规格靠拢，要求制造商开发新工艺。一个很好的例子是从150 mm到200 mm晶圆的移动，需要完全不同的制造流程和设备。为了实现满足这些新要求的大批量制造工艺，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，具有独特的优势，可为SiC晶圆制造商提供下一代解决方案，通过提高生产率和降低拥有成本来支持市场的成熟。

SiC锭的多线锯加工 - 最佳碳化硅锭切片的秘密酱汁
为了制备用于器件制造的SiC基板，必须首先从单晶或硅锭中切割晶圆坯料。实现这一目标的主要方法是使用多线锯，该锯利用高速移动的细线与金刚石磨料浆料相结合，从SiC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，线材的类型和尺寸以及金刚石磨料浆料的特性。切割的质量是根据晶圆形状的响应来判断的，即翘曲，翘曲和总厚度变化（TTV）。在线锯步骤中成功切割高质量毛坯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进非常难以实现。

Pureon以金刚石磨料浆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。普瑞龙提供油基（WSO）和非油基（WSG）浆料解决方案。Pureon 专有的化学成分和浆料中的分级钻石可提供批次间的一致性，从而在客户现场实现可重复的工艺。此外，这消除了内部混合线锯浆料的需要，并减少了开销。无论是第一个晶圆还是第1000个晶圆，TTV，翘曲，翘曲和表面质量的性能都得到精确控制。从而提高晶圆的产量和质量。

与现有解决方案相比，Pureon在线锯浆料产品方面的最新进展为多线锯工艺
提供了令人兴奋的机会，可以改善翘曲，翘曲和TTV，同时减少与传统油基浆料相关的环境和职业危害。非油基浆料配方设计的最新进展被证明可以提供出色的晶圆质量。这些解决方案使客户能够从锯上生产出更高质量的晶圆，从而为后续加工的成功做好准备，如表1所示。

SiC晶圆的金刚石机械抛光 SiC基板制造的下一个主要过程是使用含有金刚石的抛光浆料和抛光垫对晶圆进行机械抛光。典型的工艺在双面，单面或双面和单面抛光工具的某种组合上进行。该工艺步骤的输出是为最终抛光操作呈现非常平坦且相对较低的粗糙度晶圆。

关键输入包括正确选择金刚石基抛光浆料和抛光垫，抛光压力和工作台速度等加工参数，以及机器选择。在关键输入中，抛光浆料和抛光垫对成功的工艺优化贡献最大。Pureon通过在安装的工具中结合适当的抛光垫和抛光浆料，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时，已经确定了最佳的工艺解决方案。Pureon在通过金刚石机械抛光加工SiC晶圆方面的丰富经验可以利用来最大限度地提高工艺效率，无论客户设施中的工具如何设置。表 2 描述了用于批量和精细去除步骤的DMP工艺流程。

多年来，基于金刚石的浆料开发一直是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SiC基板不同面上的材料去除率。Pureon 鉴定出的钻石类型与适当的抛光垫和工艺参数协同作用，继续从该工艺中提取更多性能并提高效率，例如参见图 1。Pureon认为，随着150mm SiC衬底市场在未来几年的成熟，在降低这一工艺步骤的拥有成本方面存在巨大机遇。

SiC晶圆
的化学机械抛光 SiC晶圆生产的最后一个主要过程通常被称为化学机械抛光（CMP）步骤。该工艺步骤仅旨在准备外延生长的基板表面，同时赋予晶圆形状零或尽可能少的变化。这通常使用高反应性化学基抛光浆料和聚氨酯基或聚氨酯浸渍毡型抛光垫来实现，以仅从晶圆表面去除几微米。晶圆被输送到抛光垫上，并通过单面批处理工具中的模板或晶圆夹具或通过单晶圆工具中带有背衬膜的真空卡盘固定到位。这些晶圆载体中使用的材料暴露于抛光浆料的高反应性化学中，因此需要对反应性化学的坚固耐受性。

WSG是一种先进的乙二醇基金刚石悬浮液，用于SiC滚球的多线锯切片 - 带有专有添加剂，用于悬浮液的漆包稳定性。

Pureon继续开发先进的晶圆载体和薄膜，以延长使用寿命，从而提高拥有成本。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年ECSCRM上展出。这些下一代CMP抛光垫通过CMP工艺实现了更高的生产率和更高的质量。多年来，最终抛光浆料的配方一直是广泛研究的主题，并且该领域的创新仍在继续。因此，对于优化来说，深入了解这个过程步骤中不同耗材组合之间的相互作用至关重要。Pureon与最终的CMP浆料供应商密切合作，将他们的技术与最佳的抛光垫，垫处理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率的提高。Pureon继续推动耗材的创新解决方案和SiC晶圆最终抛光工艺。

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）响应表面。

SiC器件市场的增长要求在当前状态和下一代基板的开发方面，在基板制造方面取得重大进展。近20年来，Pureon一直凭借其在该市场的知识、解决方案和经验为SiC晶圆行业提供支持。他们的专家不断创新，以提高衬底良率并降低SiC晶圆的成本，从而能够更快地采用该技术。Pureon将SiC制造推向新的极限，改善了我们所有人的生活。这就是为什么创新和挑战极限在Pureon永无止境的原因。详细了解他们使用新型焊盘 IRINO-PRO-C 研磨 SiC 晶圆的最新解决方案。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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