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SiC的检测,计量挑战越来越大

在迫切需要在当前和未来的SiC器件中发现有问题的缺陷的情况下,检查和计量在碳化硅 (SiC)工业中变得越来越重要。

对于SiC器件来说,找到缺陷始终是一项具有挑战性的任务。 但随着碳化硅设备供应商开始为下一波应用(特别是电池电动汽车)扩大生产范围,找到致命缺陷并减少它们变得越来越迫切。

因此,SiC器件制造商需要通过更多的晶圆厂检测和计量来加强其过程控制措施。 幸运的是,SiC的检测和计量设备最近已经可以使用,但这些工具增加了晶圆厂方程式的成本。 通常,检查系统在晶片上定位缺陷,而计量工具表征器件中的结构。 这两种技术都用于查明问题并确保所有芯片类型的产量。

SiC是一种基于硅和碳的化合物半导体材料,用于制造专用功率半导体,用于高压应用,如电动汽车,电源和太阳能逆变器。 与传统的硅基功率半导体(如IGBT和功率MOSFET)相比,SiC具有多个优势。 但基于硅的解决方案占据市场主导地位,因为它们比SiC便宜。

最近,SiC器件制造商完成了从100毫米(4英寸)到150毫米(6英寸)晶圆的艰难过渡。 不过,一些供应商仍在努力应对150毫米的产量和缺陷水平。 然而,一些供应商已经克服了大多数这些挑战。

在市场挑战中,SiC设备制造商现在看到电池电动汽车的需求增加。 多年来,SiC供应商在有限的程度上为汽车市场服务。 但对于下一代电动汽车,该行业需要将该技术提升到新的水平,并满足该行业严格的可靠性,缺陷和成本规格。

应用材料公司战略营销总监Llewellyn Vaughan-Edmunds说:“产量的提高对于SiC的重要市场采用至关重要,因为这最终反映了器件定价和定位,使SiC更接近IGBT市场定价。”

还有另一种方式来看待这种情况。 Canccord Genuity分析师杰德·多尔斯海默(Jed Dorsheimer)表示,“正如Cree最近宣布投资10亿美元建设碳化硅产能一样,人们越来越清楚知道碳化硅和氮化硅不再是家庭手工业。” “汽车行业的严格规范将需要更大的计量和基于SiC和GaN的设备的合规性,以满足任务关键型应用。”

5月, Cree宣布了SiC和RF 氮化镓 (GaN)的主要扩展计划。 RF GaN主要面向5G无线网络和其他应用,而SiC正在为汽车行业升温。 本文将重点关注SiC,其中许多供应商正在扩展并面临一些挑战。

SiC挑战 
SiC器件的供应商包括Infineon,Littlefuse,Microchip,On Semiconductor,STMicroelectronics,Rohm和Cree的Wolfspeed装置。

SiC功率半导体是市场上众多类型的功率器件之一。 一些功率半导体是专用晶体管,其作为系统中的开关操作。 它们允许电源以“开”状态流动并使其处于“关闭”状态。 这些设备可提高效率并最大限度地减少系统中的能量损失。

基于SiC的功率半导体被认为是宽带隙技术,这意味着它们提供比基于硅的解决方案更快的开关速度和更高的击穿电压。

通常,器件制造商销售SiC功率MOSFET和SiC二极管,用于600伏至10千伏应用。 SiC功率MOSFET是功率开关晶体管。 二极管是一种在一个方向上通电并在相反方向阻挡它的装置。

SiC正在电动汽车和其他应用中脱颖而出。 这些装置用于汽车的各个地方,旨在提高车辆的效率。

“电动汽车和电动混合动力汽车的领先制造商采用碳化硅技术已大幅增加,” Lam Research战略营销高级主管大卫海恩斯说。 “另一个新兴的应用是创建智能电网基础设施。 在中国,尤其如此,智能电网应用以及汽车和高速铁路应用预计将对SiC器件产生巨大需求。

SiC不是新的。 事实上,它已经在工作多年。 从2005年开始,该行业开始在100mm晶圆厂生产SiC功率器件。 然后,从2016年到2017年,设备制造商完成了从100mm到150mm晶圆厂的迁移。 如今,150mm是SiC的主流晶圆尺寸,其中200mm(8英寸)晶圆厂正在开发中。

从100毫米到150毫米的过渡很困难。 “回顾当大多数SiC半导体制造商从4英寸晶圆转向6英寸SiC晶圆时,这种转变的速度让SiC芯片供应商感到意外,”IHS Markit分析师Richard Eden表示。 “在保持高质量和高产量的同时,扩大晶圆直径并非易事。 即使在今天,仍有一两家供应商仍在努力实现这一目标。“

其他人领先150mm曲线。 Cree公司首席执行官格雷格·洛瑞(Gregg Lowe)在最近的一次电话会议上说:“我们的制造团队刚刚将公司的产能扩大,不仅以惊人的速度,而且以超高的品质实现了这一目标。” 。 “事实上,我们目前从碳化硅生产和晶圆厂等工厂获得的产量处于创纪录的高位。”

Cree及其Wolfspeed装置在碳化硅方面有着悠久的历史,并且多年来一直在销售产品。 其他人则在被认为具有挑战性的制造过程中苦苦挣扎。

在生产流程中,将高纯度SiC材料降低到坩埚中并加热。 这又产生了铸锭,然后将其拉出并切成SiC衬底。 然后,使用沉积工艺在衬底上生长薄外延层。 然后在工厂中处理所得衬底以制造功率器件。

第一个重大挑战是制造基材。 “制造SiC的主要挑战与其材料特性有关,”Applied的Vaughan-Edmunds说。 “SiC几乎与金刚石材料一样坚硬,需要更高的温度,更高的能量和更多的晶体生长和加工时间。 SiC非常缓慢地生长以形成约35-50mm高的4-6英寸晶锭。 通常,15-20mm是单晶,其中15-20个晶片可用于每个晶锭。 将其与硅锭相比较,利用Czochralski工艺,(锭)可高达2米,每个锭产生约2,000个晶圆。

还有其他挑战。 “4H-SiC是目前用于各种功率器件应用的最常见的多型,” KLA产品营销经理Mukund Raghunathan说。 “它的透明度和高折射率使其成为一种具有挑战性的材料,可以检测可能会影响外延生长或最终器件产量的表面缺陷。”

在制造流程期间,SiC衬底易于出现各种缺陷类型,例如晶体堆垛层错,微管,凹坑,划痕,污点和表面颗粒。 微管是一种螺旋位错。

此外,微小颗粒状缺陷网络可以在基板上浮现。 而且,基板也易于刮擦。 “划痕是SiC衬底上感兴趣的关键缺陷,因为它们可能导致晶体缺陷,如三角形,堆垛层错,基面位错和外延后的阶梯聚束。 因此,适当抛光碳化硅衬底晶片至关重要,“Raghunathan说。 “堆叠衬底上的故障转移到外延并可能影响某些器件的性能。 总的来说,我们已经看到150mm晶圆上的堆垛层错密度高于100mm。

同时,一旦制造了基板,就将它们加工成工厂中的器件。 将经处理的晶片切割并包装。 “与硅相比,SiC存在挑战,因为它已经证明难以处理,研磨和锯,” ASE业务开发高级副总裁Rich Rice表示。

切割过程很困难。 “碳化硅是地球上第三种硬度最高的复合材料,莫氏硬度为9.5,” Veeco产品营销总监Meng Lee表示。 “由于SiC的高硬度和脆性,制造商正面临着周期时间,成本和切割性能方面的挑战。”

现在,Cree,Rohm等人正在开发SiC-200mm的下一个晶圆尺寸。 据IHS称,200mm SiC晶圆厂将在2022年投入生产。

200mm将为SiC供应商带来一些挑战。 “晶圆尺寸的每次增加都会带来重大问题,”华威大学副教授彼得·金门说。 “第一个问题是材料质量 - 使增长和外延质量恢复到上一代的水平,这是再次降低缺陷密度的情况。 (今天,6英寸缺陷密度远远超过4英寸)。 第二个问题是升级或改造可能是为当时最先进的技术设计或实施新工艺的晶圆厂,“

这不是200mm的唯一挑战。 华威大学(University of Warwick)副教授Vishal Ajit Shah补充说:“基础设施的重组和基础设施的改善都需要以指数成本完成。” “例如,SiC外延CVD是在不用于硅(超过1,500ºC)的高温下进行的。 因此,扩大这个热区可能需要一个新的基础设施,电力成本与硅无关。“

检查/计量挑战 
碳化硅开始的应用非常有限。 Cyber​​Optics公司总裁兼首席执行官Subodh Kulkarni表示,“这更多是针对军事硬件的。” “现在,它正变得越来越消费者,特别是随着电动汽车的推出。”

通常,在汽车中,设备制造商存在严格的可靠性和成本要求。 “通过合适的认证,例如AEC-Q101,汽车应用设备的可靠性应得到保证,”IHS的伊登说。

因此,供应商必须遵守工厂中严格的过程控制。 它还需要使用工厂中的各种检测和计量工具进行广泛的器件筛选过程。

工具类型取决于设备。 例如,在逻辑芯片中,芯片制造商使用电子束和光学系统来发现晶圆上的缺陷。 此外,逻辑行业使用十几种或更多的计量工具类型。

SiC具有与逻辑不同的要求,但缺陷检测也很重要。 “为了满足功率器件晶圆的预测需求,SiC晶圆供应链需要开发一种降低生产成本的方法,”布鲁克产品经理David Jacques表示。 “这将通过使用改进的或新的计量工具的统一和更受控制的晶圆规格来实现,这些工具可以表征材料的质量并且可以更好地理解设备故障。 开发能够检测这些缺陷的新计量技术至关重要,以便了解它们在晶体中的形成方式,最终目标是减少或消除它们。

在逻辑上,检查和计量步骤在整个工艺流程中进行。 SiC也是如此。 “一般来说,晶圆缺陷检测对于晶种工艺的状态是必要的,”Lasertec的董事Hirokazu Seki说。 “在CMP之后,外延生长之后和退火之后也需要它。 这是因为杀手缺陷不仅可以在基板上表面,而且可以通过高温和CMP工艺产生或转化。 众所周知,某些工艺会损坏晶圆,从而产生致命缺陷。“

对于SiC,没有一种工具可以处理所有检查/计量任务 - 它需要几个系统来完成这项工作。 例如,光学技术用于缺陷检查。 光致发光和X射线用于计量。 也使用其他工具。

所有工具类型都面临类似的挑战 “在检查晶圆或外延层方面,主要是吞吐量与细节,”Warwick的Shah说。 “另一个重要参数是能够在整个晶圆厚度和表面识别缺陷。”

目前用于SiC的缺陷检测工具声称具有高吞吐量和其他优点,但是存在与它们相关的成本。 “其中一些可以产生表面粗糙度和大规模缺陷的数字,但这些密度在生产级100mm和150mm晶圆中很低,”Shah说。 “如果资金不受限制,你可以买得起这些工具。 有一小部分让这些工具变得更快,更便宜。“

同时,在一方面,KLA和Lasertec销售的系统结合了两种技术 - 表面缺陷检测和光致发光计量。 光致发光是一种非接触光谱技术,它研究器件的晶体结构。

表面缺陷检查使用光学成像。 例如,在其工具中,Lasertec结合了用于表面光学成像的共焦和差分干涉对比光学器件。 “SiC晶圆光学缺陷检测的主要挑战是通过检测和分类关键缺陷类型来实现有效的过程监控和产量预测,这些缺陷类型在晶圆表面上并非总是以非常高的吞吐量可见,”Lasertec's Seki说。 “共聚焦系统光学系统可避免晶圆背面的错误检测,即使对于像SiC这样的透明晶圆也是如此。 微分干涉对比实现了纳米深度浅层缺陷的清晰可视化。“

光致发光测量功能在这些系统中也很重要。 “理想情况下,SiC的缺陷检测系统应该能够检测SiC衬底和外延层上的关键表面和亚表面缺陷,”KLA的Raghunathan说。 “增加复杂性的原因是许多缺陷类型都是亚表面的,只能用光致发光测量。”

在光致发光模式中,选择系统中的波长,使得它穿透外延层以产生信号。 “4H-SiC的带隙约为3.2eV(~385nm),”Raghunathan说。 “因此,355nm左右的波长是SiC检测的理想选择,因为当波长低于带隙激发时,光致发光变得活跃,而在355nm处,穿透深度仅为~50μm。”


图1:用于SiC外延缺陷检测的集成表面和光致发光通道。 资料来源:KLA

由于各种原因,使用表面检查和光致发光能力。 “在外延片上,有许多类型的晶体缺陷具有不同的杀伤率,”Raghunathan说。 “使SiC更有趣的是,每种缺陷类型的杀伤率根据最终应用而变化。 例如,基面缺陷是功率MOSFET的可靠性杀手,但它对肖特基二极管没有影响。“

一般的想法是查看反射光并推断有关模具表面的信息。 “使用硅,氮化硅和碳化硅,反射会产生很大的不同,”Cyber​​Optics的Kulkarni表示。 “我们正在使用反射失真来检测细微的表面结构和不同的硅结构。”

更多检测 
同时,X射线计量也用于SiC,即X射线衍射成像(XRDI)。 “结晶缺陷会引起晶格周围(应变)和/或旋转(倾斜)的变化,形成应变场,”布鲁克的雅克说。“基于布拉格的X射线衍射,XRDI是一种非破坏性技术,通过测量晶圆上衍射强度的变化,对这些缺陷引起的应变场进行成像。”

XRDI的使用有几个原因。 “SiC晶体生长和器件制造已大大改善,但晶体缺陷的高密度仍然阻碍了工艺产量,这对器件性能和长期可靠性都是有害的,”Jacques说。 “目前用于检测SiC晶片中这些晶体缺陷的技术面临着一些局限性。 一方面,使用熔融化学品的蚀刻过程带来安全风险并且具有破坏性,这使得分析的样品不会被带回生产线。 另一方面,光致发光和散射技术与用于最先进的SiC器件的重度n掺杂衬底的相互作用有限。“

XRDI还解决了其他问题。 “它能够在所有类型的SiC晶片(包括n +掺杂衬底)上进行无损检测有害螺纹位错,螺纹边缘位错,堆垛层错和基面位错,”他说。“此外,XRDI还可以快速生产,具有足够的分辨率,并包括机器人晶圆处理。”

结论 
很明显,SiC有几个晶圆厂面临的挑战。 好消息是,设备行业已经采用了一些创新的缺陷检测工具。

此外,SiC器件制造商也在投资新的晶圆厂和设备。 为了满足需求,该行业需要更大的规模。 它不再适用于小屋心态。

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