Контроль морфологии травления подложки 4H-SiC +

PAM-XIAMEN предлагает подложки 4H‑SiC с низким уровнем дефектов в следующих спецификациях для университетов и исследовательских институтов. По вопросам, пожалуйста, свяжитесь с нами по адресу[email protected]

параметр	Диапазон технических характеристик
Polytype	4H-SiC
Диаметр	2 дюйма, 4 дюйма, 6 дюймов, 8 дюймов
Ориентация	На оси, вне оси
Тип проводимости	Полуизолирующий (В), тип Н (Н), тип П (Ал)
Чистота поверхности	ССП, ДСП

 

Карбид кремния (SiC) — представитель полупроводникового материала третьего поколения, отличающийся широкой запрещенной зоной, высоким критическим полем пробоя, высокой теплопроводностью и высокой скоростью дрейфа насыщенных электронов. Он широко используется в силовой электронике, радиочастотных устройствах и МЭМС-датчиках. Среди своих политипов 4H-SiC является наиболее зрелым и обеспечивает крупномасштабные коммерческие поставки подложек 4H-SiC.

При характеристике качества подложек и слоев 4H-SiC травление расплавленным гидроксидом калия (KOH) является распространенным методом статистики плотности дислокаций. Принцип основан на более высокой энергии деформации и более сильной химической активности в ядрах дислокаций, которые преимущественно подвергаются атаке в расплавленной щелочи, образуя характерные ямки травления, соответствующие типам дислокаций. Однако фактические результаты травления показывают, что ямки, образовавшиеся на разных гранях кристалла (Si-грань и C-грань) и для разных типов дислокаций, имеют существенные различия по форме и размеру, что влияет на точность классификации дислокаций и оценки характеристик устройства. Это особенно важно для устройств MEMS, таких как датчики давления, где шероховатость поверхности и концентрация напряжений, создаваемая ямками травления, напрямую влияют на производительность устройства.

На основе экспериментальных исследований травления 4H‑SiC расплавленным КОН, в этой статье систематически анализируются физико-химические причины различий в форме ямок травления, оценивается их дифференцированное влияние на силовые устройства и датчики давления, а также предлагаются стратегии по улучшению морфологии после травления, предоставляя ссылки на соответствующие исследования.

1. Механизмы формирования различий в форме ямок травления.

1.1. Полярность поверхности SiC приводит к анизотропному поведению травления

Лицо (0001) Si и (000-1) C-грани 4H-SiC демонстрируют разные характеристики травления в расплавленном КОН. На Si-грани происходит анизотропное преимущественное травление, образующее на дислокациях гексагональные ямки; на C-грани, как правило, преобладает изотропная коррозия, образующая более гладкую поверхность с круглыми или неглубокими ямками. Измерения энергии активации показывают, что энергия активации травления составляет 35,75 ккал/моль на Si-грани и 25,09 ккал/моль на C-грани, при этом скорость травления C-грани значительно выше, чем у Si-грани. Расчеты из первых принципов показывают, что (1 × 1) восстановленная поверхностная энергия C-грани ниже, чем (3 × 3) реконструированной Si-грани, но после окисления поверхность C-грани становится нестабильной; оксиды легче удаляются КОН, что приводит к преобладанию равномерной коррозии.

1.2 Тип дислокации влияет на геометрию ямки

Разные типы дислокаций соответствуют различным особенностям ямок травления:

• Микропайп: большие шестиугольные глубокие ямы;
• Резьбовая винтовая дислокация (TSD): шестиугольные ямы с острым дном на грани Си и приподнятые холмы на грани С;
• Прорезание смешанного вывиха (TMD): шестиугольный, но с перекрывающейся морфологией с TSD и TED;
• Краевая дислокация резьбы (TED): неглубокие ямы шестиугольной или круглой формы меньшего размера;
• Базальная плоская дислокация (БПД): ямки эллиптической или раковидной формы.

Синхротронная рентгеновская топография (SXRT) в сочетании с травлением подтверждает, что на Si-грани формы ямок TSD и TED легко спутать, тогда как на C-грани холмы, образовавшиеся из TSD после травления, соответствуют один к одному с результатами SXRT, что способствует точной статистике.

Рис. 1. Сравнение синхротронной рентгеновской топографии (SXRT) и селективного травления дислокаций расплавом KOH на грани 4H-SiC (0001) Si-face.

1.3 Циклический механизм окисления-удаления

Процесс травления протекает по циклу, состоящему из двух стадий: окисления поверхности SiC растворенным кислородом и удаления оксидов расплавленным КОН. Поверхность C имеет гораздо более высокую поверхностную долю C=O/C–O (16,31%), чем поверхность Si (4,8%), что делает ее более легко разлагаемой после окисления, так что равномерная коррозия преобладает над травлением с преимущественным дислокацией, что приводит к образованию неглубоких и круглых ямок.

2. Дифференцированное влияние ям травления на производительность устройства.

2.1 Силовые устройства: ямы травления не являются фактором отказа

В процессе производства силовых устройств (например, МОП-транзисторов, JBS-диодов) травление расплавленным КОН используется только для проверки плотности дислокаций и не сохраняется в конечной структуре устройства. Влияние дислокаций на ток утечки обусловлено их электрической активностью, а не морфологией поверхности. Эпитаксиальный рост может отфильтровать большинство дислокаций подложки, а конструкция устройства может выдерживать определенную плотность дислокаций, не оказывая существенного влияния на напряжение пробоя и сопротивление открытого состояния. Поэтому сама форма ямок травления не влияет на конечную работу силовых устройств.

2.2 Датчики давления: ямки травления снижают надежность работы

Чувствительные конструкции датчиков давления (такие как диафрагмы и пьезорезисторы) изготавливаются непосредственно на подложке или на слое. Эффекты, вызванные ямками травления, включают:

• Концентрация стресса: шестиугольные ямки с острым дном создают локальные сингулярности напряжений под давлением, что приводит к увеличению нелинейности пьезорезистивного выхода и даже к зарождению трещин;
• Шероховатость поверхности: равномерное травление на С-грани увеличивает шероховатость поверхности, ухудшая точность начального контроля зазора в емкостных датчиках;
• Слияние ям: чрезмерное травление приводит к соединению соседних ямок, образуя микротраншеи, которые нарушают целостность диафрагмы.

Эти факторы напрямую влияют на чувствительность, линейность и долговременную стабильность датчиков давления.

3. Стратегии процесса улучшения морфологии травления

3.1 Оптимизация окна температуры и времени травления

Для Si‑face существует оптимальное временное окно (2–6 минут); далее ямки сливаются, и поверхность становится шероховатой. При повышении температуры от 465°C общая скорость травления увеличивается, но селективность снижается, размывая границы ямок. Рекомендации:

• Выявление дислокации Si-face: 465–480°С, 2–5 минут;
• C-травление грани: сократить время до 1–2 минут, чтобы избежать чрезмерного роста холмиков.

Рис. 2. Влияние температуры на общую скорость травления и селективность при травлении 4H‑SiC расплавом КОН: (слева) – общая скорость травления; (справа) оптические микрофотографии дислокационных ямок травления грани Si при различных температурах травления.

Рис. 3. Изменение диаметра ямки микротрубки в зависимости от времени травления расплавленным КОН на Si-грани и C-грани 4H-SiC (480°C)

3.2 Метод одностороннего защищенного травления

Ян и др. использовал стопку из двух подложек, соединенных спиной к спине, обернутых никелевой проволокой, обнажая внешние поверхности как Si-face и C-face соответственно, одновременно защищая внутренние поверхности. Этот метод позволяет независимо контролировать время травления с каждой стороны и подходит для подготовки подложек для датчиков давления, требующих односторонней плоскостности.

3.3 Обработка после травления

Для подложек датчиков давления рекомендуется добавить короткую стадию химико-механической полировки (ХМП) или очистку HF низкой концентрации после травления КОН для удаления поверхностных оксидов и микрошероховатостей. В качестве альтернативы можно принять последовательность «сначала травление, затем световая полировка»: сначала завершить проверку плотности дислокаций, затем удалить поверхностные дефекты и, наконец, приступить к изготовлению сенсорной структуры.

Различия в форме ямок травления на подложках SiC определяются совместно полярностью поверхности, типом дислокаций и циклом окисления-удаления. Эти ямы не влияют на работу силового устройства, но отрицательно влияют на распределение напряжений и качество поверхности датчиков давления. Точно контролируя температуру и время травления, применяя одностороннее защищенное травление, применяя обработку после ХМП и изучая аддитивные процессы, можно эффективно улучшить морфологию травления, чтобы она соответствовала требованиям сенсорных приложений.

Если вам нужны пластины 4H-SiC для исследований или промышленного применения, свяжитесь с нами по электронной почте:[email protected] и [email protected].

 

Ссылки:

1. Ян Г., Сюй Л., Цуй К., Пи Х., Ян Д. и Ван Р. (2024). Механизмы анизотропного травления 4H-SiC: экспериментальные данные и основные принципы. Журнал полупроводников, 45 (1), 012502.
2. Сумакерис Дж. Дж., Леонард Р. Т., Дейнека Э., Хлебников Ю., Пауэлл А. Р., Симэн Дж. … и Балкас Э. (июнь 2016 г.). Характеристика дислокаций в кристаллах 4H-SiC. На Форуме материаловедения (том 858, стр. 393–396). Транс Тех Публикации Лтд.
3. Сюваярви М., Якимова Р. и Янзин Э. (2000). Анизотропное травление SiC. Журнал Электрохимического общества, 147(9), 3519-3522.