Les plaquettes de carbure de silicium sont largement utilisées dans l'électronique de puissance, les dispositifs RF, l'électronique à haute température et la recherche sur les semi-conducteurs. Cependant, deuxplaquettes SiCavec le même diamètre et la même épaisseur peuvent fonctionner très différemment lors de l'épitaxie ou de la fabrication du dispositif.

Les défauts des cristaux, les dommages de surface, les variations géométriques, la non-uniformité de la résistivité et la contamination peuvent tous affecter le rendement du processus et la fiabilité du dispositif. Par conséquent, il ne suffit pas de vérifier uniquement le diamètre de la plaquette et l’apparence de sa surface.

Ce guide explique les éléments d'inspection les plus importants des plaquettes SiC, comment ils sont mesurés et ce que les acheteurs doivent demander à un fournisseur avant d'approuver un lot de production.

Qu'est-ce qui détermine la qualité des plaquettes SiC ?

La qualité des plaquettes SiC est généralement évaluée dans cinq domaines principaux :

1. Structure cristalline et défauts cristallographiques
2. Dimensions et géométrie des plaquettes
3. Qualité de surface et rugosité
4. Propriétés électriques et uniformité
5. Propreté, identification et traçabilité

L'importance de chaque élément dépend de l'application envisagée. Un substrat de qualité dispositif préparé pour la croissance épitaxiale nécessite normalement des contrôles plus stricts qu'une plaquette de recherche, une plaquette factice ou une plaquette d'étalonnage d'équipement.

Il n’existe pas de spécification unique définissant une « bonne » plaquette SiC pour chaque application. Les limites d'acceptation correctes doivent être établies en fonction du processus du dispositif, de la taille de la plaquette, du type de conductivité et du rendement de production requis.

Aperçu rapide des éléments courants d'inspection des plaquettes SiC

1. Vérifiez le polytype SiC

Le carbure de silicium possède de nombreuses structures cristallines, appelées polytypes. Les qualités de semi-conducteurs les plus courantes sont le 4H-SiC et le 6H-SiC.

Aujourd'hui, le 4H-SiC est couramment sélectionné pour les dispositifs de puissance en raison de sa mobilité favorable des porteurs, de sa large bande interdite et de son champ électrique critique élevé. Cependant, le 6H-SiC peut encore être utilisé pour certaines applications de recherche, optiques ou spécialisées.

Le polytype doit être clairement indiqué sur le certificat d'analyse. La spectroscopie Raman et la diffraction des rayons X peuvent être utilisées pour confirmer la structure cristalline et identifier d'éventuelles inclusions polytypiques.

Un acheteur ne doit pas supposer que toutes les tranches de SiC ont la même structure cristalline simplement parce qu’elles ont la même couleur, le même diamètre ou le même type de conductivité.

2. Vérifiez l’orientation du cristal et l’angle hors axe

La plupart des substrats commerciaux en 4H-SiC sont produits avec une orientation cristallographique définie, généralement basée sur le plan (0001). La tranche peut également avoir un angle et une direction hors axe spécifiés.

L'orientation hors axe est particulièrement importante pour la croissance épitaxiale. Il favorise la croissance par étapes et aide à contrôler la formation de structures cristallines indésirables dans la couche épitaxiale.

Les informations d’orientation importantes peuvent inclure :

• Plan de cristal
• Face Si ou Face C
• Angle hors axe
• Direction hors axe
• Tolérance d'orientation
• Orientation primaire à plat ou à encoche

La diffraction des rayons X est couramment utilisée pour vérifier l’orientation des cristaux et les chutes. Lors de la commande de plaquettes pour épitaxie, l'acheteur doit spécifier à la fois l'angle nominal hors axe et la tolérance acceptable.

3. Inspectez les microtuyaux et autres défauts de cristal

Les défauts des cristaux comptent parmi les facteurs les plus importants affectant la qualité des plaquettes de SiC.

Microtuyaux

Un microtuyau est un défaut creux associé à une grande luxation de vis. Il peut traverser le substrat et interférer avec la croissance épitaxiale ou la fabrication du dispositif.

Les microtuyaux constituaient autrefois une limitation majeure dans la fabrication du SiC. Bien que la croissance cristalline moderne ait considérablement réduit leur densité, l’inspection des microtuyaux reste importante pour les applications haute tension et haute fiabilité.

Luxations des vis filetées

Les luxations des vis filetées, ou TSD, s'étendent approximativement dans la direction de croissance des cristaux. Ils peuvent influencer le comportement en cas de panne, le courant de fuite et la fiabilité des appareils.

Leur effet dépend de la structure de l'appareil, de son emplacement et de la conception du processus. Par conséquent, la densité des défauts et la distribution spatiale peuvent être pertinentes.

Luxations du bord du filetage

Les luxations de bord de filetage, ou TED, sont couramment trouvées dans les substrats SiC. Bien qu'elles puissent être moins destructrices que les microtuyaux, les densités élevées peuvent néanmoins affecter la qualité de l'épitaxie et les performances du dispositif.

Luxations du plan basal

Les luxations du plan basal, ou BPD, sont importantes dans les applications de dispositifs bipolaires car elles peuvent contribuer à la formation ou à l'expansion de défauts d'empilement sous contrainte électrique.

Pour les applications sensibles à la dégradation bipolaire, la densité BPD et le comportement de conversion pendant l'épitaxie doivent être soigneusement évalués.

Défauts d'empilement et inclusions de polytypes

Les défauts d'empilement sont des interruptions dans la séquence d'empilement normale du cristal SiC. Les inclusions polytypiques sont des régions dans lesquelles une structure cristalline SiC involontaire est présente.

Ces deux défauts peuvent interférer avec l’épitaxie et affecter les performances électriques.

Les méthodes courantes d’inspection des défauts comprennent :

• Cartographie de photoluminescence
• Topographie aux rayons X
• Microscopie optique
• Inspection par diffusion laser
• Spectroscopie Raman
• Gravure au KOH fondu

Certaines méthodes sont non destructives, tandis que la gravure chimique est destructrice. Les acheteurs doivent confirmer quelle méthode d'inspection a été utilisée et si le résultat rapporté représente la tranche entière ou uniquement des zones échantillonnées.

4. Mesurer le diamètre et l'épaisseur de la plaquette

Le diamètre et l'épaisseur de la plaquette déterminent si le substrat est compatible avec les équipements de traitement, de manipulation, de polissage et d'épitaxie.

Les éléments dimensionnels clés comprennent :

• Diamètre nominal
• Tolérance de diamètre
• Épaisseur nominale
• Tolérance d'épaisseur
• Profil de bord
• Dimensions encoche ou à plat

Les exigences en matière d'épaisseur peuvent varier en fonction du diamètre de la plaquette et de l'utilisation prévue. Une tranche plus fine peut être nécessaire pour un processus de dispositif spécifique, tandis qu'un substrat plus épais peut offrir une meilleure stabilité mécanique pendant la recherche ou les tests d'équipement.

Pour les tranches d'épaisseur personnalisée, les acheteurs doivent également évaluer si un meulage ou un polissage supplémentaire peut augmenter les dommages causés par l'arc, la déformation ou le sous-sol.

5. Évaluer la variation de l’épaisseur totale

La variation d'épaisseur totale, communément abrégée en TTV, est la différence entre l'épaisseur maximale et minimale mesurée sur la tranche dans une zone de mesure définie.

Un faible TTV est important car une variation excessive de l’épaisseur peut affecter :

• Focus lithographie
• Mandrin de plaquettes
• Uniformité du broyage et de l’amincissement
• Conditions du processus d'épitaxie
• Contrôle de l'épaisseur de la couche de l'appareil
• Collage de plaquettes

Les valeurs TTV peuvent être influencées par la méthode de mesure, le nombre de points de mesure et la zone d'exclusion des bords. Par conséquent, une spécification ne doit pas indiquer uniquement une valeur TTV maximale. Il convient également d'identifier les conditions de mesure convenues.

6. Vérifiez l'arc et la chaîne

L'arc et la chaîne décrivent la forme d'une plaquette libre et non serrée, mais ils n'ont pas la même mesure.

Arcdécrit généralement l'écart de la surface médiane de la plaquette par rapport à un plan de référence.

Chaînereprésente la différence globale entre les points les plus élevés et les plus bas de la surface médiane par rapport à un plan de référence.

Un arc ou une déformation excessive peut causer des problèmes dans les cas suivants :

• Gestion automatisée des plaquettes
• Serrage sous vide
• Lithographie
• Croissance épitaxiale
• Collage de plaquettes
• Meulage et polissage
• Dépôt de film

Les tranches de SiC de plus grand diamètre et plus fines peuvent être plus sensibles à la déformation géométrique. Les acheteurs doivent définir la méthode de mesure, l'exclusion des bords et les conditions de prise en charge des plaquettes lorsqu'ils comparent les données de différents fournisseurs.

7. Inspecter la rugosité de la surface

Une surface SiC prête à l’épitaxie doit être extrêmement lisse et exempte de dommages de polissage importants.

La microscopie à force atomique, ou AFM, est couramment utilisée pour mesurer la rugosité quadratique moyenne de la surface. Cependant, la valeur rapportée dépend fortement de la zone de numérisation, des paramètres de l'instrument et du lieu de mesure.

Un résultat de rugosité doit donc inclure :

• Valeur RMS ou Ra
• Taille de numérisation AFM
• Nombre d'emplacements testés
• Surface de mesure
• Condition d'exclusion de bord

Une seule valeur de rugosité sans taille de numérisation ni plan d'échantillonnage est difficile à comparer.

Pour les tranches destinées à l'épitaxie, la qualité de la surface doit également être évaluée pour détecter les défauts liés au polissage tels que les rayures, les piqûres, les dommages résiduels sous la surface et le regroupement des gradins.

8. Examiner les rayures, les piqûres et les défauts de surface

Une tranche peut paraître propre à l'œil nu tout en contenant des défauts affectant la croissance épitaxiale ou la fabrication du dispositif.

Les défauts de surface courants comprennent :

• Rayures
• Fosses
• Bosses
• Taches
• Brume
• Particules
• Puces de bord
• Marques de polissage
• Texture peau d'orange
• Dommages souterrains

L'inspection peut être effectuée à l'aide de microscopie à fond clair, de microscopie à fond sombre, de systèmes de diffusion laser et de scanners de surface automatisés.

Les critères d'acceptation doivent définir la taille minimale des défauts détectables, le nombre de défauts autorisé et la zone d'exclusion des bords. Des descriptions telles que « poli miroir » ou « sans rayures » ne suffisent pas à moins d'être accompagnées de normes mesurables.

9. Confirmez la finition Si-Face, C-Face et de surface

Les plaquettes SiC ont deux surfaces polaires : la face terminée en silicium et la face terminée en carbone. Ces surfaces ne se comportent pas de manière identique lors d'une oxydation, d'une gravure, d'un polissage ou d'une épitaxie.

Le fournisseur doit identifier :

• De quel côté est la face Si
• De quel côté est la face C
• Quel côté est épi-prêt
• Que la plaquette soit polie sur une seule face ou polie sur deux faces
• Rugosité ou finition de l'arrière
• Méthode d'identification frontale

Une identification incorrecte des faces peut entraîner une défaillance du processus, en particulier lors de la croissance épitaxiale ou de l'étude de surface.

Pour les plaquettes polies sur une seule face, l'acheteur doit également confirmer si la face arrière est finement meulée, gravée, rodée ou polie.

10. Évaluer la résistivité et l’uniformité du dopage

Les performances électriques sont un autre élément essentiel de la qualité des plaquettes SiC.

Les plaquettes conductrices de SiC de type N sont généralement dopées à l'azote. D'autres types de dopage et qualités semi-isolantes sont également disponibles pour des applications spécialisées.

Les paramètres électriques importants peuvent inclure :

• Type de conductivité
• Dopant
• Plage de résistivité
• Uniformité de la résistivité
• Concentration de porteurs
• Mobilité des transporteurs
• Uniformité radiale et axiale

Des tests par sonde à quatre points, des mesures de résistivité sans contact, une cartographie par courants de Foucault et des mesures à effet Hall peuvent être utilisés en fonction du type de tranche et de la plage de résistance.

Une valeur de résistivité moyenne à elle seule peut ne pas suffire. Pour la fabrication de dispositifs, la variation du centre de la tranche au bord et d’une tranche à l’autre au sein d’un même lot peut être tout aussi importante.

Pour les plaquettes SiC semi-isolantes, la méthode de mesure doit être adaptée aux matériaux à haute résistivité. Le fournisseur doit indiquer la température d'essai, la plage de mesure et les critères d'acceptation.

11. Vérifiez la contamination des surfaces et les niveaux de particules

La contamination métallique, les résidus organiques et les particules peuvent réduire le rendement de l'épitaxie et du dispositif même lorsque la tranche répond à ses spécifications géométriques.

Les techniques d'inspection possibles comprennent :

• Analyse automatisée des particules
• Fluorescence X à réflexion totale
• Spectroscopie photoélectronique à rayons X
• Spectrométrie de masse des ions secondaires
• Ion de surface ou analyse chimique

Toutes les commandes ne nécessitent pas de tests de contamination avancés. Cependant, les acheteurs doivent au moins confirmer le processus de nettoyage des plaquettes, l'environnement d'emballage final et le niveau de particules maximum autorisé lorsque le matériau est destiné à la fabrication sensible de semi-conducteurs.

12. Inspectez le bord de la plaquette, plat ou encoché

Le bord de la plaquette affecte la résistance mécanique et la manipulation automatisée.

Inspectez le bord pour :

• Puces
• Fissures
• Défauts de biseau
• Profils de bord inégaux
• Encoche incorrecte ou dimensions plates
• Position incorrecte du repère d'orientation

De petits défauts de bord peuvent se développer lors du traitement à haute température, du meulage ou du transport des plaquettes. Pour cette raison, l’inspection des bords doit être incluse dans le contrôle qualité entrant, en particulier pour les tranches minces ou de grand diamètre.

La position et les dimensions du méplat ou de l'encoche primaire doivent également correspondre aux exigences de l'équipement de traitement et de l'orientation cristallographique.

13. Examinez la carte des plaquettes, le COA et la traçabilité des lots

Un certificat d'analyse complet doit clairement relier les résultats de l'inspection à la plaquette ou au lot de production fourni.

Selon la commande, la documentation utile peut inclure :

• Numéro d'identification unique de la plaquette
• Numéro de lot et boule de cristal
• Polytype et orientation
• Diamètre et épaisseur
• TTV, arc et chaîne
• Rugosité de la surface
• Type de conductivité et résistivité
• Données de microtuyau ou de luxation
• Résultats des défauts de surface
• Date et méthode d'inspection
• Cartes de défauts ou de résistivité au niveau de la tranche
• Informations sur l'emballage et le nettoyage

Une moyenne au niveau du lot ne peut pas toujours révéler des défauts locaux ou des variations d'une tranche à l'autre. Pour les applications critiques, demandez des données de tranche individuelles ou des cartes de tranche plutôt que de vous fier uniquement à un certificat de lot général.

La traçabilité est également importante lors de la comparaison des résultats d'épitaxie, de l'identification des problèmes de processus ou de l'évaluation de la cohérence des fournisseurs à long terme.

L’inspection du substrat est différente de l’inspection des plaquettes épitaxiales

Un substrat SiC nu et une plaquette SiC épitaxiale nécessitent des plans d'inspection différents.

En plus des paramètres du substrat, une plaquette épitaxiale peut nécessiter une évaluation de :

• Épaisseur de la couche épitaxiale
• Uniformité de l'épaisseur
• Concentration de dopage
• Uniformité du dopage
• Morphologie des surfaces
• Densité des défauts épitaxiaux
• Durée de vie du transporteur
• Regroupement par étapes
• Défauts triangulaires
• Particules de chute
• Conversion de luxation du plan basal

Les acheteurs doivent clairement indiquer s'ils ont besoin d'un substrat poli, d'un substrat épi-prêt ou d'une plaquette avec une couche épitaxiale.

Comment effectuer une inspection entrante

Un processus pratique d’inspection à l’arrivée peut être divisé en quatre étapes.

Étape 1 : Vérifier la documentation

Confirmez que l’identification de la plaquette, le bon de commande, l’étiquette d’emballage et le COA font référence à la même plaquette ou au même lot.

Étape 2 : Effectuer une inspection visuelle et dimensionnelle

Vérifiez le diamètre, l'épaisseur, l'état des bords, l'identification de la surface et les rayures, particules ou éclats visibles.

Étape 3 : Mesurer les paramètres critiques

Mesurez les propriétés les plus pertinentes pour le processus, telles que le TTV, l'arc, la déformation, la rugosité ou la résistivité.

Étape 4 : Comparez les résultats avec les cartes de plaquettes et les performances du processus

Pour une utilisation en production, corrélez les données d'inspection entrantes avec les défauts épitaxiaux, le rendement de fabrication et les performances finales du dispositif. Cela permet de déterminer quels paramètres de substrat ont le plus grand effet sur le processus réel.

Liste de contrôle de l'appel d'offres pour les plaquettes SiC

Avant de demander un devis, fournissez les informations suivantes :

• Demande ou processus prévu
• Polytype SiC : 4H-SiC, 6H-SiC ou autre type
• Diamètre de la plaquette
• Orientation des cristaux
• Angle et direction hors axe
• Exigence Si-face ou C-face
• Qualité conductrice ou semi-isolante
• Type de conductivité et dopant
• Plage de résistivité et uniformité
• Épaisseur nominale et tolérance
• TTV maximum, arc et chaîne
• Polissage simple face ou double face
• Exigence de rugosité de surface
• Niveaux de défauts de cristal et de surface autorisés
• Exigences en matière de bord, de plat ou d'encoche
• Exigences de nettoyage et d’emballage
• COA, carte des plaquettes et exigences de traçabilité
• Quantité requise

Fournir une spécification complète réduit le temps de clarification technique et aide le fournisseur à sélectionner la qualité de plaquette appropriée.

Foire aux questions

Quel est le paramètre de qualité des plaquettes SiC le plus important ?

Il n’existe pas de paramètre le plus important pour chaque application. Les défauts cristallins, l’état de surface, la géométrie et la résistivité doivent être considérés ensemble. Pour l'épitaxie, l'angle hors axe, la rugosité de la surface, les dommages souterrains et les défauts cristallins sont souvent particulièrement importants.

Un TTV inférieur est-il toujours meilleur ?

Un TTV inférieur améliore généralement l'uniformité du processus, mais des spécifications plus strictes peuvent augmenter le coût de fabrication. La limite correcte doit être basée sur l'équipement, le processus de lithographie, la méthode de liaison et les exigences du dispositif final.

L’inspection visuelle peut-elle détecter tous les défauts des plaquettes SiC ?

L’inspection visuelle peut identifier les rayures, les éclats, les taches et les défauts de surface importants, mais elle ne peut pas révéler tous les défauts souterrains ou cristallographiques. La cartographie PL, la topographie aux rayons X, l'AFM et d'autres méthodes analytiques peuvent être nécessaires.

Pourquoi la taille de l’analyse AFM est-elle importante ?

La rugosité de la surface peut apparaître différente lorsqu'elle est mesurée sur différentes zones de numérisation. Un résultat AFM doit toujours inclure la taille du scan, l’emplacement de mesure et le nombre de points échantillonnés.

Quelle est la différence entre les plaquettes SiC de qualité recherche et celles de qualité appareil ?

Les plaquettes de qualité recherche peuvent avoir des tolérances plus larges ou des niveaux de défauts admissibles plus élevés. Les plaquettes de qualité périphérique ou prêtes à l'épi nécessitent généralement un contrôle plus strict des défauts des cristaux, de l'état de surface, de la géométrie, de la résistivité et de la traçabilité.

Les acheteurs devraient-ils demander une carte d’inspection au niveau de la tranche ?

Une carte au niveau de la tranche est recommandée pour les applications où la position du défaut, l'uniformité de la résistivité ou les conditions de surface locales peuvent affecter le rendement du dispositif. Il fournit des informations plus utiles qu’une valeur moyenne d’un seul lot.

Conclusion

L'évaluation de la qualité des plaquettes SiC nécessite plus que la simple vérification du diamètre, de l'épaisseur et de l'apparence visuelle. La structure cristalline, la densité de dislocation, le TTV, la courbure, la déformation, la rugosité de surface, la résistivité, la contamination et la traçabilité peuvent tous influencer la croissance épitaxiale et le rendement du dispositif.

La première étape consiste à définir l’application prévue de la plaquette. Les acheteurs peuvent ensuite établir des critères d'acceptation mesurables et demander des résultats d'inspection en fonction des paramètres qui affectent directement leur processus.

Lors d’une demande de devis, fournissez le polytype, le diamètre, l’orientation, la conductivité, l’épaisseur, les tolérances géométriques, les exigences de surface et les besoins en documentation. Une demande d'offre détaillée facilite la comparaison précise des plaquettes et évite de recevoir du matériel qui répond à une description générale mais ne correspond pas à l'application réelle.