Läpp- und Polierverfahren für Siliziumkarbid, Saphir und Galliumnitrid

Siliziumkarbid, Saphir und Galliumnitrid

Inhaltsverzeichnis

Einführung

Bewerbungsvoraussetzungen

Systemspezifikationen

Verarbeitungsablauf

Einführung

Bei der Herstellung von Halbleiterbauelementen ist das Streben nach Kostensenkung immer von Leistung und Ertrag bestimmt. Im Vergleich zu herkömmlichen Halbleitertechnologien sind Siliziumkarbid (SiC), Saphir und Galliumnitrid (GaN) drei zunehmend beliebte Materialien, die die Kosten erheblich senken können. Hemei Semiconductor (HSM) hat eine erfolgreiche Methode entwickelt, um Siliziumkarbid-, Saphir- und Galliumnitrid-Substrate in einen „EPI-ready“-Zustand zu bringen.

Saphir ist aufgrund seiner gleichmäßigen Dielektrizitätskonstante und seiner hochqualitativen Kristallstruktur besonders attraktiv für Praktiker in der Laserindustrie. Dies hat zu einem zunehmenden Einsatz von Saphirsubstraten in blauen Laserdioden geführt, und Saphir ist auch zur Grundlage für heutige Hochfrequenz-(RF)-Schaltanwendungen geworden.

Siliziumkarbid verfügt über Eigenschaften wie hohe Wärmeleitfähigkeit, hohe Oxidationsbeständigkeit, chemische Inertheit und hohe mechanische Festigkeit. Diese Eigenschaften machen es zu einem idealen Material für eine Vielzahl von Anwendungen, darunter biomedizinische Materialien, Hochtemperatur-Halbleiterbauelemente, optische Synchrotronstrahlungskomponenten und leichte hoch{2}feste Strukturen. Bei bestimmten Anwendungen mit kurzer-Wellenlänge (biokompatibel), hoher-Temperatur, Strahlung-und hoher-Leistung weist Siliziumkarbid im Vergleich zu Silizium und Galliumarsenid überlegene physikalische und elektronische Eigenschaften auf.

Galliumnitrid wird derzeit in Hochleistungstransistoren verwendet, die bei hohen Temperaturen betrieben werden können. Diese Transistoren nutzen die Fähigkeit von Galliumnitrid, eine hohe Leistung-in einem kleinen Volumen zu erzeugen. In Kombination mit der hohen Effizienz des Materials in Leistungsverstärkern bei Ultrahoch- und Mikrowellenfrequenzen ist Galliumnitrid zu einem idealen Material für die zukünftige Entwicklung in einem breiten Spektrum optoelektronischer Anwendungen geworden.

Bewerbungsvoraussetzungen

In jedem Fall besteht das Ziel beim Polieren von Saphir-, Siliziumkarbid- und Galliumnitrid-Wafern darin, die endgültige Dicke des Substrats auf den gewünschten Zielwert zu reduzieren, mit einer Gesamtdickenschwankung (TTV) von besser als ±2 μm und einer auf weniger als 2 Nanometer (Ra < 2 nm) verbesserten Oberflächenrauheit. Dies wird erreicht, indem der Wafer zunächst mit der Wafer Substrate Bonding Unit (WB) von Hemei an ein Quarzglassubstrat gebondet wird.

Nach dem Bonden muss der Wafer geschliffen werden, um überschüssiges Material zu entfernen, und anschließend poliert werden. Der Läppvorgang wird mit HS-, MS- und HSM-CMP-Geräten durchgeführt, die mit den Präzisionspoliervorrichtungen SJ und ASJ von Hemei ausgestattet sind.

Beim Läppen wird die Vorrichtung auf einer Läppplatte aus Gusseisen montiert, und es stehen verschiedene Prozessparameteroptionen zur Verfügung, damit Benutzer den Materialabtragsprozess verstehen können.

Nach dem Läppen muss der Wafer gereinigt und von seinem Glassubstrat entfernt werden. Anschließend wird es in eine Vorrichtung überführt, die für ein Präzisions-Hochgeschwindigkeitspoliersystem mit Polierkopf ausgelegt ist. Mit jedem dieser beiden Systeme können Wafer aus den drei Materialien (in verschiedenen Mengen) auf ein wiederholbares Finish im Nanomaßstab poliert werden.

(Abbildung: Poliermaschine)

(Abbildung: Poliervorrichtung)

Systemspezifikationen

Abhängig von der Anzahl der zu bearbeitenden Wafer bietet Hemei verschiedene Systeme zum Polieren von Saphir, Siliziumkarbid und Galliumnitrid an. Jedes System kann jedoch die folgenden Komponenten umfassen:

Verarbeitungsablauf

Installation, Befestigung und Läppen

Mit der Wafer Substrate Bonding Unit (WB) werden Saphir-, Siliziumkarbid- oder Galliumnitrid-Wafer temporär auf einer Glasträgerplatte befestigt. Dieses System stellt sicher, dass der Wafer und die Trägerplatte stets hochparallel sind, unabhängig davon, ob ein einzelner großer Wafer oder mehrere kleine Wafer unterschiedlicher Dicke verklebt werden. Nach erfolgreicher Verklebung kann die Trägerplatte auf der Vakuumspannfläche der Hemei-Vorrichtung montiert werden. Anschließend wird die Vorrichtung mit der Bearbeitungsseite nach unten umgedreht und auf die gusseiserne Läppplatte der HSM-L-Ausrüstung gelegt. Anschließend wird das System auf eine maximale Drehzahl von 100 Umdrehungen pro Minute (U/min) eingestellt, während die Läppschlämme mit einer konstanten Durchflussrate über eine dosierende Läppflüssigkeits-Peristaltikpumpe (gesteuert durch die Steuerschnittstelle) auf die Plattenoberfläche gefördert wird und der Benutzer die Menge der auf die Plattenoberfläche abgegebenen Läppschlämme unabhängig steuern kann.

Installation, Befestigung und Polieren

Nachdem das überschüssige Material durch Läppen vom Substrat entfernt wurde, wird das Hochgeschwindigkeitspoliersystem mit C-ASJ-Antriebskopf zum Polieren der Waferoberfläche verwendet. Dadurch entsteht auf jedem Wafer eine hochwertige Oberfläche.

Das HSM-CMP-System verwendet Fixiermethoden wie Wasserabsaugung und Vakuum, um den Wafer einzuspannen und zu fixieren, sodass kein Glassubstrat erforderlich ist. Bevor der Wafer auf den Polierkopf des HSM-CMP-Systems gelegt wird, muss er daher vom Glassubstrat entfernt werden. Jeder Polierkopf wird individuell an die spezifischen Anforderungen des Kunden angepasst, um optimale Ergebnisse beim Polierprozess zu gewährleisten.

Während des gesamten Polierprozesses bietet das HSM-CMP-System ein hohes Maß an Kontrollierbarkeit, da manuelle Vorgänge „vor Ort“ durchgeführt werden können. Prozessparameter wie Plattengeschwindigkeit, Polierkopf-Abwärtslast und Schlammdurchfluss können alle über einen Touchscreen gesteuert werden, sodass Benutzer sofortige und präzise Anpassungen und Kontrollen vornehmen können.

Ergebnisse

Durch den Einsatz des Poliersystems von Hemei zur Vervollständigung der Vorbereitung von Siliziumkarbid-, Saphir- oder Galliumnitrid-Substraten kann eine ideale Oberflächenrauheit vor der anschließenden Bearbeitung mit traditioneller CMOS-Technologie erreicht werden. Bei jedem polierten Wafer wird während der Bearbeitung eine gleichmäßige Menge an Material abgetragen, was zu einer gleichmäßig flachen Oberfläche führt.

Durch die Anpassung des Drucks (der Belastung), der während der Bearbeitung auf das Substrat ausgeübt wird, können optimale Materialabtragsraten (MRR) von 6 μm/h für Saphir und 1–2 μm/h für Siliziumkarbid erreicht werden.

Die folgenden Ergebnisse für Siliziumkarbid und Galliumnitrid wurden aus einer Charge von Wafern mit einem Durchmesser von 12 2-Zoll erhalten, die auf dem HSM-CMP-System verarbeitet wurden; Die Ergebnisse für Saphir stammen aus einer Charge von Wafern mit einem Durchmesser von 84 2-Zoll, die auf dem HSM{3}}CMP-System verarbeitet wurden.

(Diagrammbeschreibung: A. Siliziumkarbid B. Saphir C. Galliumnitrid)

[Bild: A. Siliziumkarbid; B. Saphir; C. Galliumnitrid. Achsen: Anfängliche Ra-Werte (nm), endgültige Ra-Werte (nm), durchschnittliche MRR (Mikrometer pro Stunde). Datenpunkte: A - Anfangs-Ra: 120 nm, End-Ra: 6 nm, MRR: 1-2 μm/h; B - Anfangs-Ra: 100 nm, End-Ra: 1 nm, MRR: 6 μm/h; C – Anfangs-Ra: 80 nm, End-Ra: 3 nm, MRR: 15 μm/h]

Anfängliche Ra-Werte (nach dem Läppen)

A: 120 nm

B: 100 nm

C: 80 nm

Endgültige Ra-Werte (nach dem Polieren)

A: 6 nm

B: 1 nm

C: 3 nm

Durchschnittlicher MRR (Mikrometer pro Stunde)

A: 1-2 μm/h

B: 6 μm/h

C: 15 μm/h

A. Siliziumkarbid-Wafer

Durchmesser: 2 Zoll

Materialabtragsrate (MRR): 1–2 μm/h

Endgültiger Ra-Wert: < 3 nm

Ebenheit: ± 2 μm

Bogen: < 25 μm

B. Saphirwafer

Durchmesser: 2 Zoll

Materialabtragsrate (MRR): 6 μm/h

Endgültiger Ra-Wert: < 1 nm

Ebenheit: ± 2 μm

Bogen: < 25 μm

C. Galliumnitrid-Wafer

Durchmesser: 2 Zoll

Materialentfernungsrate (MRR): 15 μm/h (abhängig von der Kristallebene)

Endgültiger Ra-Wert: < 3 nm

Ebenheit: ± 2 μm

Bogen: < 25 μm

(Gemessen mit einem Dektak 150 Surface Profiler)