检验、计量挑战为碳化硅生长

检验和计量正变得越来越重要碳化硅(原文如此)行业中迫切需要在当前和未来的SiC设备发现有问题的缺陷。

发现缺陷为碳化硅设备一直是一个具有挑战性的任务。但它是越来越迫切需要找到杀手缺陷和减少他们SiC设备厂商开始扩大生产对于下一波的应用程序,特别是电池动力汽车。

所以SiC设备制造商将需要提高他们的过程控制措施检查和计量在工厂。幸运的是,检验和计量设备SiC最近成为可用的,但是这些工具成本添加到工厂方程。一般来说,检查系统晶片定位缺陷,而计量工具描述设备的结构。两种技术被用来确定问题和确保所有芯片类型的收益率。

原文如此,基于硅和碳的化合物半导体材料,被用于制造专业功率半导体高压应用,如电动汽车、电力供应和太阳能逆变器。碳化硅有几个优势传统硅功率半决赛igbt和功率场效应管。但硅基解主导市场,因为它们比原文如此便宜。

在最近时期,SiC设备制造商完成了一个艰难的转变从100毫米(4英寸)到150毫米(6英寸)的晶圆工厂。不过,一些厂商仍在挣扎与收益率和缺陷水平150毫米。一些供应商已经克服了这些挑战,然而。

在市场的挑战,SiC设备制造商现在看到电池动力汽车需求的增加。多年来,SiC厂商获得有限的汽车市场。但对于下一代电动汽车,该行业将需要把技术更上一层楼,满足行业的严格的可靠性、缺陷和成本规格。

“产量改进重大市场采用碳化硅至关重要,因为这最终反映到设备价格和定位拉近SiC IGBT市场定价,”卢埃林Vaughan-Edmunds说,战略营销总监应用材料。

还有另一种方式来看待。”就是明证克里族最近宣布投资10亿美元建立碳化硅的能力,越来越清晰,碳化硅和氮化镓不再是家庭手工业,”杰德Dorsheimer说Canaccord Genuity分析师。“汽车行业的严格规范将需要更大的计量和合规SiC -和GaN-based任务关键型应用程序的设备。”

今年5月,克里族宣布了碳化硅和射频的主要扩张计划出(甘)。RF GaN是针对5 g无线网络和其他应用程序,同时为汽车SiC正在升温。本文将关注原文如此,很多供应商正在扩大,面临着一些挑战。

碳化硅的挑战
Littlefuse, SiC设备包括供应商英飞凌芯片,在半导体、意法半导体、罗门哈斯、克里族Wolfspeed单位。

碳化硅功率半决赛是许多类型的电力设备市场。有些电源元件专业晶体管,操作系统的开关。他们允许功率流在“开”状态,停止它处于“关闭”状态。这些设备提高效率和减少损失的能量系统。

权力基于SiC被认为是宽禁带半导体技术,这意味着他们提供更快的开关速度和击穿电压高于硅的解决方案。

通常,设备制造商出售碳化硅功率场效应管和碳化硅二极管,用于600伏10-kilovolt应用程序。碳化硅功率MOSFET功率开关晶体管。二极管是一种装置,通过电力在一个方向上和块在相反的方向。

SiC起飞在电池动力汽车和其他应用程序。使用的设备,在车里,在不同的地区是为了提高效率。

“SiC的采用技术的电动汽车和混合动力汽车的主要制造商已经显著提高,”大卫·海恩斯说,战略营销高级总监林的研究。”另一个新兴的应用程序创建的智能电网基础设施。在中国尤其如此,智能电网应用程序,以及汽车和高速铁路应用程序中,将创建一个重要需求SiC设备。”

SiC并不新鲜。事实上,它是在工作多年。从2005年开始,该行业在100 mm晶圆厂开始生产碳化硅电力设备。然后,从2016年到2017年,设备制造商完成了迁移从100 mm到150 mm晶圆厂。今天,150毫米的主流在碳化硅晶片大小,与200毫米(8英寸)的晶圆厂。

从100毫米到150毫米的转变是困难的。“回顾当大多数碳化硅半导体制造商迁移从4英寸到6英寸的碳化硅晶片,转变的速度引起了碳化硅晶片供应商感到意外,”理查德·伊登说,IHS分析师Markit。“这不是一项容易的任务扩大晶圆的直径,同时保持高质量和产量。一个或两个供应商仍难以实现,甚至今天。”

其他人则在150毫米曲线。“我们制造团队刚刚撞掉了公园的扩张能力和做它不仅令人难以置信的速度,但由于超级高质量,”格雷格·劳说,克里族首席执行官在最近的一次电话会议。“事实上,收益率,我们的工厂现在在碳化硅生产晶圆厂等等均创历史新高。”

克里族及其与SiC Wolfspeed单位有很长的历史,他们多年来一直运输产品。其他人正被认为是一个具有挑战性的制造过程。

生产流程,高纯碳化硅材料是降低坩埚和加热。反过来,这创造了一个锭,然后把切成碳化硅基板。然后,薄外延层生长衬底上沉积过程。产生的基质处理工厂的电源设备。

第一个大挑战是使底物。“SiC制造业的主要挑战与材料属性,“应用Vaughan-Edmunds说。“SiC几乎和钻石一样硬的材料,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。碳化硅生长非常缓慢形成4 - 6英寸/议会关于35-50mm高。15-20mm是单一的水晶一般,15 - 20晶片可用于每个议会。比较这个硅锭,利用直拉法(锭),可达2米高,生产2000片左右。”

还有其他挑战。“4 h-sic今天是最常见的多种类型的用于各种电源设备的应用程序,“说Mukund Raghunathan,产品营销经理心理契约。“这是透明度和高折射率使它具有挑战性的材料检查表面缺陷,可能影响外延生长或最终设备产量。”

在制造流程,SiC基质容易各种缺陷类型,如水晶堆积层错,micropipes,坑、划痕、污渍和表面粒子。micropipe是一个类型的螺旋位错。

此外,网络微小的粒子可以在基板表面缺陷。此外,基质也容易产生划痕。“划痕缺陷至关重要的利息SiC基质可能导致晶体缺陷像三角形,堆积层错,底面混乱和步骤聚束外延。因此,适当的碳化硅衬底抛光晶片是至关重要的,”Raghunathan说。“堆积层错基质转移到外延和可能影响性能的某些设备。总的来说,我们已经看到更高密度的堆积层错比100毫米150毫米晶圆上。”

与此同时,一旦基质,它们在工厂加工成设备。处理晶圆丁和包装。“挑战与原文如此,因为它已被证明难以处理,研磨,看到,与硅相比,“说丰富的水稻,业务发展高级副总裁日月光半导体。

切割过程是很困难的。“碳化硅是地球上第三个困难的复合材料与材料的硬度在摩氏9.5规模,“孟Lee说,产品营销主管Veeco。“由于碳化硅的硬度和脆性高,制造商正面临周期时间,成本和切割性能挑战。”

现在,克里族、Rohm等发展的下一个晶片大小sic - 200毫米。200毫米SiC晶圆厂不会进入生产,直到2022年,根据IHS。

200毫米对SiC供应商将带来一些挑战。“每个增量在晶片规模带来了重大问题,”彼得说胡说,华威大学的副教授。“第一个问题是材料quality-getting增长和外延质量恢复到上一代的水平,这是一个的情况下减少缺陷密度。(今天,6英寸的缺陷密度远远超过4英寸)。第二个问题是升级或重组晶圆厂,可以为一天的最先进的设计或实施新的流程”

这并不是唯一的挑战200毫米。“fab重组和改善基础设施指数成本是必需的,”Vishal Ajit Shah说英国华威大学的副教授。“例如,碳化硅外延CVD在高温下不执行用于硅(超过1500ºC)。这个热区扩展可能需要新的基础设施和电力成本与硅无关。”

检查/计量挑战
碳化硅开始更有限的应用程序。:“这是对军事装备Subodh Kulkarni的总裁兼首席执行官CyberOptics。“现在,越来越多的消费者,特别是在引入电动汽车。”

一般来说,在汽车,有严格的可靠性和成本要求设备制造商。“汽车应用程序应保证设备的可靠性通过合适的批准,如AEC-Q101,“说IHS伊甸园。

所以供应商工厂必须遵守严格的过程控制。它还需要一个广泛的设备筛选过程使用各式各样的工厂检验和计量工具。

工具类型取决于设备。例如,在逻辑芯片,芯片制造商使用电子束和光学系统晶片上发现的缺陷。此外,逻辑行业使用十几个或更多的计量工具类型。

比逻辑SiC有不同的要求,但缺陷检测也很重要。“为了满足预期需求的电力设备,硅片SiC晶片供应链需要开发一种方法来压低生产成本,”大卫·雅克说产品经理在力量。“这将是通过统一和控制晶片规格使用改进或新计量工具,描述材料的质量,并允许更好的了解设备故障。关键是开发新的计量技术能够检测这些缺陷为了理解它们如何形成的晶体,减少或消除他们的最终目标。”

在逻辑中,检验和计量步骤进行整个工艺流程。碳化硅的也是如此。“一般来说,晶圆缺陷检验是必要的籽晶的状态过程中,“弘说塞其,Lasertec主管。“这是CMP后还要求,在外延生长和退火之后。这是因为杀手缺陷不仅可以在衬底表面,但它们或转换生成的高温和CMP过程。也知道一些过程会损坏晶片,产生致命的缺陷。”

对于原文如此,没有一个工具可以处理所有检验/计量委派需要多个系统来做这项工作。例如,光学技术用于缺陷检查。光致发光和x射线用于计量。使用其他工具。

所有工具类型都面临类似的挑战。“检查晶片或epi层,最主要的是吞吐量与细节,”沃里克的沙阿说。“另一个重要参数是能够辨别缺陷在整个晶片厚度以及表面。”

当前的缺陷检测工具SiC声称高吞吐量与其他优势,但是有成本。“其中一些可以产生表面粗糙度和大规模的数据缺陷,但这些密度很低在工业生产100毫米和150毫米晶圆,”国王说。“如果资金没有限制,你能负担得起这些工具之一。有一个小竞赛让这些工具更快和更便宜。”

与此同时,在一个方面,解放军和Lasertec出售系统,结合两个technologies-surface缺陷检查及光致发光计量。光致发光是一种非接触式光谱学技术,看起来晶体结构的设备。

表面缺陷检验使用光学成像。例如,在它的工具,Lasertec了共焦光学成像和微分干涉对比光学表面。“SiC晶片光学缺陷检测的主要挑战是使有效的过程监控和控制以及产量预测临界缺陷检测和分类的类型并不总是可见表面的晶片在非常高的吞吐量,“Lasertec塞其说。“共焦光学系统避免错误检测晶片的背后甚至碳化硅等透明的薄片。微分干涉对比实现清晰的可视化在纳米深度浅的缺陷。”

光致发光测量功能在这些系统中也起着至关重要的作用。SiC“理想情况下,缺陷检测系统应该有能力检测临界表面和次表面缺陷对碳化硅衬底和外延层,“心理契约的Raghunathan说。“什么增加了复杂性,许多缺陷类型地下,只能测量使用光致发光”。

在光致发光模式下,系统中的波长选择,这样它可以穿透epi层信号。“能带4 h-sic ~ 3.2 ev (~ 385 nm),“Raghunathan说。“所以波长约为355纳米SiC检查是理想的光致发光以来变得活跃兴奋时波长低于隙,和穿透深度只有~ 50µm 355海里。”

图1:综合表面,光致发光渠道碳化硅外延缺陷检测。来源:解放军的

表面检查和光致发光功能都是用于各种原因。“外延晶片,有许多类型的晶体缺陷与不同杀死比率,“Raghunathan说。“SiC更有趣的是,杀死比每个缺陷类型的变化取决于最终的应用程序。例如,底面缺陷是功率场效应管的可靠性的杀手,但它没有对肖特基二极管的影响。”

总的想法是看模具表面反射光和推断信息。“与硅、氮化硅和碳化硅反射产生很大的差异,“CyberOptics”Kulkarni说。“我们正在使用反映失真检测细微的表面结构和不同的硅结构。”

更多的检测
与此同时,x射线计量也可以用于原文如此,即x射线衍射成像(XRDI)。“晶体缺陷诱导改变间距(应变)和/或旋转(倾斜)晶格周围,形成一个应变场,”力量的雅克说。“基于布拉格的x射线衍射,XRDI是一种非破坏性技术,图像的这些缺陷引起的应变场测量衍射强度的变化在整个晶片”。

XRDI用于以下几个原因。“碳化硅晶体生长和设备生产大大提高了,但是这个过程收益率仍阻碍了高的晶体缺陷密度不利于设备性能和长期可靠性,”雅克说。“目前的技术用于检测这些晶体缺陷SiC晶片面临一些局限性。一方面,蚀刻过程使用熔融物质构成安全风险和破坏性,停止分析样本被带回过程线。另一方面,光致发光和散射技术有限互动严重n型基质用于最先进的设备。”

XRDI还解决了其他问题。“它使有害的非破坏性检测螺纹螺丝混乱,线程边缘混乱、堆积层错和底面混乱在所有类型的碳化硅晶片,包括n +掺杂基质,”他说。“此外,XRDI也在快速的吞吐量,具有足够的分辨率和包括机器人晶片处理。”

结论
很明显,有几个对SiC晶圆厂的挑战。好消息是,设备行业已经采取了一些创新的缺陷检测工具。

此外,SiC设备制造商也投资于新工厂和设备。以满足需求,该行业需要一个更大的规模。它不再能与一个小屋的心态。