4H-SiC substratets morfologikontroll +

PAM-XIAMEN erbjuder lågdefekta 4H-SiC-substrat i följande specifikationer för universitet och forskningsinstitut. För frågor, vänligen kontakta oss på[email protected]

Parameter	Specifikationsområde
polytyp	4H-SiC
Diameter	2 tum, 4 tum, 6 tum, 8 tum
Orientering	På axeln, utanför axeln
Konduktivitetstyp	Halvisolerande (V), N-typ(N), P-typ(Al)
Ytfinish	SSP, DSP

 

Kiselkarbid (SiC) är ett representativt tredje generationens halvledarmaterial, med ett brett bandgap, högt kritiskt nedbrytningsfält, hög värmeledningsförmåga och hög mättad elektrondrifthastighet. Det används ofta i kraftelektronik, RF-enheter och MEMS-sensorer. Bland dess polytyper är 4H‑SiC den mest mogna och har uppnått storskalig kommersiell leverans av 4H‑SiC-substrat.

Vid kvalitetskarakterisering av 4H-SiC-substrat och epilager är etsning av smält kaliumhydroxid (KOH) en vanlig metod för statistik över dislokationsdensitet. Principen är baserad på den högre töjningsenergin och starkare kemiska aktiviteten vid dislokationskärnor, vilka företrädesvis angrips i den smälta alkalin och bildar karakteristiska etsgropar motsvarande dislokationstyper. Men faktiska etsningsresultat visar att gropar som bildas på olika kristallytor (Si-face och C-face) och för olika dislokationstyper uppvisar betydande skillnader i form och storlek, vilket påverkar noggrannheten i dislokationsklassificeringen och utvärdering av enhetens prestanda. Detta är särskilt viktigt för MEMS-enheter som trycksensorer, där ytjämnheten och spänningskoncentrationen som införs av etsgropar direkt påverkar enhetens prestanda.

Baserat på experimentella studier av smält KOH-etsning av 4H-SiC, analyserar den här artikeln systematiskt det fysikalisk-kemiska ursprunget till formskillnader i ets-grop, utvärderar deras differentierade effekter på kraftenheter och trycksensorer, och föreslår strategier för att förbättra morfologi efter etsning, vilket ger en referens för relaterad forskning.

1. Bildningsmekanismer för formskillnader i etch-grop

1.1 SiC ytpolaritet leder till anisotropiskt etsningsbeteende

(0001) Si-face och (000-1) C-face av 4H-SiC uppvisar olika etsningsegenskaper i smält KOH. På Si-face sker anisotropisk preferensetsning, som bildar sexkantiga gropar vid dislokationer; på C-ytan tenderar isotrop korrosion att dominera, vilket ger en jämnare yta med cirkulära eller grunda gropar. Aktiveringsenergimätningar visar att etsningsaktiveringsenergin är 35,75 kcal/mol på Si-face och 25,09 kcal/mol på C-face, med C-face-etsningshastigheten betydligt högre än den för Si-face. Beräkningar av de första principerna indikerar att den (1×1) rekonstruerade ytenergin för C-ytan är lägre än den (3×3) rekonstruerade Si-ytan, men efter oxidation blir C-ytan instabil; oxiderna avlägsnas lättare av KOH, vilket leder till att likformig korrosion dominerar.

1.2 Dislokationstyp påverkar gropgeometrin

Olika dislokationstyper motsvarar distinkta etch-pit-egenskaper:

• Mikrorör: stora sexkantiga djupa gropar;
• Dislokation av gängskruv (TSD): sexkantiga, skarpbottnade gropar på Si-face, och upphöjda kullar på C-face;
• Trådning av blandad dislokation (TMD): hexagonal men med överlappande morfologi med TSD och TED;
• Dislokation av gängkant (TED): mindre sexkantiga eller cirkulära grunda gropar;
• Basalplansdislokation (BPD): elliptiska eller skalformade gropar.

Synkrotronröntgentopografi (SXRT) kombinerat med etsning bekräftar att på Si-face kan gropformerna för TSD och TED lätt förväxlas, medan kullarna som bildas av TSD efter etsning på C-sidan motsvaras en-till-en med SXRT-resultat, vilket underlättar korrekt statistik.

Fig. 1 Jämförelse av synkrotronröntgentopografi (SXRT) och smält KOH-selektiv etsning för dislokationer på 4H-SiC (0001)-ytan

1.3 Cyklisk mekanism för avlägsnande av oxidation

Etsningsprocessen fortskrider via en cykel av två steg: oxidation av SiC-ytan genom löst syre och avlägsnande av oxiderna med smält KOH. C-ytan har en mycket högre yta C=O/C-O-fraktion (16,31 %) än Si-ytan (4,8 %), vilket gör den lättare att sönderdelas efter oxidation, så att jämn korrosion råder över dislokationspreferentiell etsning, vilket resulterar i grunda och runda gropar.

2. Differentierad inverkan av etsgropar på enhetens prestanda

2.1 Strömenheter: Etsgropar utgör inte en felfaktor

I tillverkningsflödet av kraftenheter (t.ex. MOSFETs, JBS-dioder) används smält KOH-etsning endast för inspektion av dislokationstäthet och bibehålls inte i den slutliga enhetsstrukturen. Inverkan av dislokationer på läckström kommer från deras elektriska aktivitet snarare än ytmorfologi. Epitaxiell tillväxt kan filtrera bort de flesta substratdislokationer, och enhetsdesign kan tolerera en viss täthet av dislokationer utan att nämnvärt påverka genombrottsspänningen och på-motståndet. Därför påverkar själva formen av etsgropar inte den slutliga prestandan hos kraftenheter.

2.2 Trycksensorer: Etsgropar minskar prestandatillförlitligheten

De känsliga strukturerna hos trycksensorer (som membran och piezoresistorer) tillverkas direkt på substratet eller epilagret. Effekterna som introduceras av etch pits inkluderar:

• Stresskoncentration: hexagonala gropar med skarp botten genererar lokala spänningssingulariteter under tryck, vilket leder till ökad olinjäritet i piezoresistiv uteffekt och till och med sprickinitiering;
• Ytjämnhet: enhetlig etsning på C-ytan ökar ytjämnheten, vilket försämrar precisionen i den initiala gapkontrollen i kapacitiva sensorer;
• Gropsammansmältning: överetsning gör att intilliggande gropar ansluts och bildar mikrogravar som äventyrar membranets integritet.

Dessa faktorer påverkar direkt känsligheten, linjäriteten och långtidsstabiliteten hos trycksensorer.

3. Processstrategier för att förbättra etsmorfologi

3.1 Optimera etsningstemperaturen och tidsfönstret

För Si-face finns det ett optimalt tidsfönster (2–6 minuter); bortom detta smälter gropar samman och ytan blir grov. När temperaturen höjs från 465°C ökar den totala etsningshastigheten men selektiviteten minskar, vilket gör att gropgränserna suddas ut. Rekommendationer:

• Si-face dislokation avslöjande: 465–480°C, 2–5 minuter;
• C-face etsning: förkorta tiden till 1–2 minuter för att undvika överdriven bergtillväxt.

Fig. 2 Effekt av temperatur på total etshastighet och selektivitet under smält KOH-etsning av 4H-SiC: (vänster) total etshastighet; (höger) optiska mikrofotografier av Si-face dislokation etsgropar vid olika etsningstemperaturer

Fig. 3 Variation av mikrorörsgropdiameter med smält KOH-etsningstid på ytan och C-ytan av 4H-SiC (480°C)

3.2 Enkelsidig skyddad etsmetod

Yang et al. använde en bunt av två substrat rygg-mot-rygg lindade med nickeltråd, som exponerade de yttre ytorna som Si-face respektive C-face samtidigt som de inre ytorna skyddades. Denna metod tillåter oberoende kontroll av etsningstiden på varje sida och är lämplig för att förbereda trycksensorsubstrat som kräver enkelsidig planhet.

3.3 Behandling efter etsning

För trycksensorsubstrat rekommenderas det att lägga till ett kort kemisk-mekanisk poleringssteg (CMP) eller en lågkoncentrerad HF-rengöring efter KOH-etsning för att avlägsna ytoxider och mikroråhet. Alternativt kan en "etsning-först, sedan ljuspolering"-sekvens användas: slutför först inspektionen av dislokationens täthet, ta sedan bort ytdefekterna och fortsätt slutligen med tillverkningen av sensorstrukturen.

Formskillnaderna för etsgropar på SiC-substrat bestäms gemensamt av ytpolaritet, dislokationstyp och oxidations-borttagningscykeln. Dessa gropar har ingen inverkan på kraftenhetens prestanda, men de påverkar spänningsfördelningen och ytkvaliteten hos trycksensorer negativt. Genom att exakt kontrollera etsningstemperaturen och -tiden, använda ensidig skyddad etsning, tillämpa post-CMP-behandling och utforska additiva processer, kan etsningsmorfologin förbättras effektivt för att möta kraven för sensorapplikationer.

Oavsett om du behöver 4H-SiC-skivor för forskning eller för industriella tillämpningar, vänligen kontakta oss via e-post på[email protected] och [email protected].

 

Referenser:

1. Yang, G., Xu, L., Cui, C., Pi, X., Yang, D., & Wang, R. (2024). Anisotropiska etsningsmekanismer för 4H-SiC: Experimentella och första principer insikter. Journal of Semiconductors, 45(1), 012502.
2. Sumakeris, JJ, Leonard, RT, Deyneka, E., Khlebnikov, Y., Powell, AR, Seaman, J., … & Balkas, E. (2016, juni). Dislokationskarakterisering i 4H-SiC-kristaller. I Materials Science Forum (Vol. 858, s. 393-396). Trans Tech Publications Ltd.
3. Syväjärvi, M., Yakimova, R., & Janzén, E. (2000). Anisotropisk etsning av SiC. Journal of the Electrochemical Society, 147(9), 3519-3522.