Neue SiC-Poliertechnologie erhöht die Effizienz um das Zehnfache!
Mit der rasanten Weiterentwicklung der Halbleitertechnologie rückt Siliziumkarbid (SiC) aufgrund seiner überlegenen Hochleistungsmaterialeigenschaften in den Mittelpunkt der Forschungsgemeinschaft. Seine außergewöhnliche Härte und chemische Stabilität sind zwar vorteilhaft, stellen jedoch erhebliche Herausforderungen für Polierprozesse dar. Insbesondere bei der präzisen Herstellung von Wafern stehen herkömmliche chemisch-mechanische Poliermethoden (CMP) vor großen Herausforderungen, darunter die effektive Beseitigung von Oberflächendefekten und die Verbesserung der Materialabtragseffizienz.
Kürzlich entwickelte ein Forschungsteam der Ritsumeikan-Universität in Japan eine neue Technologie zum elektrochemisch-mechanischen Polieren (ECMP), mit der eine Materialabtragsrate von etwa 15 μm/h erreicht und damit das Polieren von SiC deutlich verbessert wird.
Bei dieser Technologie wird das Siliziumkarbidsubstrat als Anode verwendet und ein SPE/CeO2-Verbundmaterialpad zwischen dem Substrat und der Polierplatte (Kathode) platziert. Wenn eine Vorspannung angelegt wird, geht die Oberfläche des Siliziumkarbids eine elektrolytische Reaktion mit dem SPE ein und bildet eine leicht entfernbare Oxidschicht. Diese Oxidschicht wird dann durch die CeO2-Partikel im Pad entfernt.
Veränderungen der Oberflächenmorphologie von Siliziumkarbid mit ECMP (links) und
AFM-Bild der mit ECMP behandelten Siliziumkarbidoberfläche (0001) (rechts)
Vorteile von ECMP
• Umweltfreundlich und effizient:Durch die ECMP-Technologie wird der Einsatz schädlicher flüssiger Chemikalien vermieden und die Umweltbelastung verringert.
• Hohe Abtragsleistung:Mit dieser Technologie wird eine Materialabtragsrate (MRR) von etwa 15 μm/h erreicht, was dem Zehnfachen der herkömmlichen CMP-Rate entspricht.
• Gute Qualität:Die Oberfläche des mit ECMP behandelten Siliziumkarbidsubstrats ist glatt und die Rauheit ist auf einen Subnanometerwert reduziert.
Was ist ECMP?
Die aktuelle Materialabtragsrate und Oberflächenrauheit, die durch chemisch-mechanisches Polieren erreicht wird, lässt sich nur schwer durch einfache Prozessänderungen deutlich verbessern. Die Erweiterung des chemisch-mechanischen Polierens mit zusätzlichen Verbesserungen hat sich in den letzten Jahren als optimale Wahl erwiesen, um die Materialabtragsrate deutlich zu erhöhen und die Oberflächenrauheit zu verringern.
ECMP ist ein präziser Prozess, der elektrochemische Korrosion mit mechanischem Polieren kombiniert und dabei einen Elektrolyten als Polierflüssigkeit verwendet. Nach dem elektrischen Aufladen der Oberfläche von einkristallinem SiC (als Anode) bildet sich durch anodische Oxidation eine Oxidschicht, die dann mechanisch mit weichen Schleifmitteln entfernt wird, wodurch eine ultraglatte, beschädigungsfreie Oberfläche entsteht. Diese Technik wird typischerweise verwendet, um Oberflächen mit einem Glanz zu erzeugen, der durch mechanisches Polieren allein nur schwer zu erreichen ist.
Bei dieser Methode ist die Qualität der bearbeiteten Oberfläche jedoch bei schwachem Anodenstrom gut, die Materialabtragsrate ändert sich jedoch kaum; bei starkem Anodenstrom erhöht sich die Materialabtragsrate erheblich, ein zu starker Anodenstrom kann jedoch zu einer verringerten Oberflächenpräzision und Porosität führen. Daher liegt der Schlüssel zum effizienten Erreichen einer glatten Oberfläche beim Anlegen eines externen elektrischen Felds zum elektrochemischen mechanischen Polieren darin, die Oxidationsrate und die Materialabtragsrate der Oberflächenschicht des Teststücks auszugleichen.
Während ihrer Experimente untersuchte das Team zunächst die Auswirkungen der elektrolytischen Stromdichte auf die Materialabtragsrate von Siliziumkarbidsubstraten und fand heraus, dass die MRR proportional zur elektrolytischen Stromdichte ist und bei einer bestimmten Stromdichte eine Sättigung erreicht. Wenn die elektrolytische Stromdichte unter 10 mA/cm² liegt, steigt die MRR mit der Stromdichte. Über 15 mA/cm² erreicht die MRR eine Sättigung und die Faraday-Effizienz beginnt zu sinken, was darauf hindeutet, dass eine weitere Erhöhung der Stromdichte keine höhere Materialabtragseffizienz bringt.
Derzeit ist CMP sowohl vom Prinzip als auch vom Versuchsaufbau her die einfachste und am einfachsten umzusetzende Methode. Die Polierflüssigkeiten enthalten jedoch typischerweise starke Säuren, Basen und Oxidationsmittel, die Risiken für die Umwelt und die Experimentatoren darstellen, und die Poliereffizienz hat einen Engpass erreicht.
Verbesserte chemisch-mechanische Polierverfahren wie ECMP gewinnen immer mehr an Bedeutung. Mit dem wachsenden Anwendungsbereich von SiC-Geräten werden höhere Anforderungen an die Verarbeitungseffizienz und Oberflächenqualität von SiC-Substraten gestellt. Diese neue Technologie gewährleistet nicht nur Verarbeitungseffizienz und Oberflächenqualität, sondern verleiht auch der umweltfreundlichen Entwicklung der SiC-Substratherstellung neuen Schwung.
Quelle:
Experte für Halbleiter der dritten Generation
Zhuangzhi Tian et al.: Forschungsfortschritt bei der ultrapräzisen Verarbeitung von Single-SiC
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