Lors de l'achat d'unplaquette de carbure de silicium pour la croissance épitaxiale, il ne suffit pas de spécifier uniquement le diamètre de la plaquette, le polytype et le type de dopage. L'angle hors axe de la tranche, également connu sous le nom d'angle de mauvaise coupe, peut affecter de manière significative la croissance du flux échelonné, la stabilité du polytype, la morphologie de la surface, la propagation des défauts et le rendement final du dispositif.

Pour les plaquettes 4H-SiC, trois orientations couramment évoquées sont :

• 0° ou nominalement sur l'axe
• 4° hors axe
• 8° hors axe

Ces angles ne sont pas interchangeables. Une plaquette à 0° n'est pas automatiquement plus précise, tandis qu'une plaquette à 8° n'est pas automatiquement meilleure pour l'épitaxie. Chaque angle crée une structure de surface différente et doit être adapté au processus d'épitaxie et à l'application du dispositif.

Ce guide explique comment les angles de coupe incorrects des plaquettes SiC de 0°, 4° et 8° affectent l'épitaxie et fournit une liste de contrôle RFQ pour sélectionner le bon substrat.

Quel est l'angle hors axe d'une plaquette SiC ?

Un cristal SiC a des plans et des directions cristallographiques définis. Pour une plaquette 4H-SiC standard à plan C, la surface nominale est perpendiculaire à l'axe c du cristal, représenté par le plan (0001).

Une tranche sur axe est découpée approximativement parallèlement à ce plan basal.

Une tranche hors axe est intentionnellement découpée selon un petit angle par rapport au plan basal exact, normalement vers une direction cristallographique spécifiée telle que :

4° vers ⟨11-20⟩

L'inclinaison intentionnelle crée une surface contenant des terrasses atomiques séparées par des marches. Ces étapes fournissent des sites privilégiés pour les atomes arrivant lors de la croissance épitaxiale.

La spécification hors axe comprend donc deux éléments distincts :

1. Angle hors axe
2. Direction hors axe

Une spécification indiquant seulement « 4° hors axe » est incomplète si la direction cristallographique et la tolérance angulaire ne sont pas incluses.

Pourquoi l'épitaxie SiC utilise une erreur de coupe intentionnelle

Le carbure de silicium existe dans de nombreuses structures cristallines appelées polytypes. Les exemples courants incluent le 3C-SiC, le 4H-SiC et le 6H-SiC.

Lors de la croissance homoépitaxiale, l'objectif est normalement de reproduire le polytype du substrat. Par exemple, un substrat en 4H-SiC doit produire une couche épitaxiale en 4H-SiC.

Les étapes atomiques sur une surface hors axe aident les espèces de silicium et de carbone arrivant à suivre la séquence d’empilement du cristal sous-jacent. Ce mécanisme est appeléépitaxie contrôlée par étapesoucroissance par étapes.

Les recherches publiées confirment que l'épitaxie 4H-SiC utilise couramment des substrats hors angle de 4° pour améliorer la croissance par écoulement progressif et maintenir la stabilité du polytype.Recherche de matériaux sur la formation d'inclusions 3C

La relation générale est :

• Angle de coupe plus petit : terrasses plus larges et densité de marches plus faible
• Angle de coupe plus grand : terrasses plus étroites et densité de marches plus élevée

Cependant, l'augmentation de la densité des marches modifie également le regroupement des marches, la rugosité de la surface, le comportement des défauts et l'utilisation des matériaux.

Plaquettes SiC sur axe 0°

Caractéristiques des surfaces

Une plaquette de SiC nominalement sur l'axe a une surface proche du plan basal exact (0001). Ses terrasses sont plus larges et sa densité naturelle de pas est inférieure à celle des tranches de 4° ou 8°.

« Sur l'axe » ne signifie pas toujours exactement 0,000°. Les vraies tranches peuvent encore contenir une petite désorientation résiduelle causée par la courbure du cristal, la précision du découpage, la courbure de la tranche et le polissage.

Par conséquent, une demande de prix doit indiquer une tolérance angulaire, telle que :

Sur l'axe (0001) ±0,5°

Pour des recherches exigeantes, une tolérance plus stricte ou une carte d’orientation de la tranche complète peut être nécessaire.

Avantages des plaquettes 0°

Les avantages potentiels comprennent :

• Meilleure utilisation du matériau des boules
• Moins de matériaux cristallins perdus lors du découpage en angle
• Aptitude aux substrats RF semi-isolants
• Adéquation à certains processus GaN-sur-SiC
• Réplication réduite de certaines luxations du plan basal dans des conditions de croissance spécifiques
• Disponibilité pour la recherche en homoépitaxie basse hors axe ou sur axe

Les défis de l’homoépitaxie 0°

Avec moins d'étapes de surface, les atomes ont moins de sites d'incorporation préférés aux bords des étapes. La nucléation bidimensionnelle peut devenir plus probable si le processus n'est pas soigneusement contrôlé.

Pour l’homéoépitaxie 4H-SiC, cela peut conduire à :

• Inclusions 3C-SiC
• Instabilité des polytypes
• Défauts triangulaires
• Îles de surface
• Formation de marches non uniformes
• Zone utilisable réduite de l’appareil

La recherche sur le 4H-SiC à face nominale Si-face a démontré qu'une homoépitaxie de haute qualité est possible, mais le contrôle des inclusions de 3C-SiC reste un défi de traitement important.Etude d'épitaxie 4H-SiC sur axe

La conception moderne des réacteurs, la gravure in situ, le contrôle de la température, la montée en puissance des précurseurs et l'optimisation du rapport C/Si peuvent améliorer la croissance sur l'axe. Néanmoins, une recette épitaxiale développée pour des tranches de 4° ne peut pas être simplement transférée sur des tranches de 0° sans développement de procédé.

Applications typiques

Les plaquettes 4H-SiC sur axe peuvent être sélectionnées pour :

• Substrats SiC semi-isolants de haute pureté
• Épitaxie RF GaN-sur-SiC
• Substrats pour dispositifs micro-ondes et radar
• Applications optiques et de recherche
• Processus de croissance homoépitaxiaux alternatifs
• Recherche sur les luxations du plan basal
• Structures épitaxiales non standards sur mesure

L'angle correct pour le GaN-sur-SiC doit être confirmé auprès du fournisseur d'épitaxie GaN, car la nucléation de l'AlN, la polarité et les conditions du réacteur peuvent modifier l'erreur de coupe préférée.

Plaquettes SiC 4° hors axe

Pourquoi 4° est devenu un choix courant

Une plaquette 4H-SiC hors axe de 4° offre un équilibre pratique entre la densité des pas, la stabilité du processus épitaxial et le coût de fabrication du substrat.

La surface contient suffisamment de marches pour supporter une croissance par écoulement tout en évitant certains des inconvénients d'utilisation du matériau associés à une coupe plus grande de 8°.

Une spécification courante pour les substrats conducteurs de dispositifs de puissance 4H-SiC est :

4° vers ⟨11-20⟩ ±0,5°

La direction exacte et la tolérance doivent encore être confirmées pour chaque processus.

Avantages des plaquettes 4°

Un substrat 4° correctement préparé peut apporter :

• Réplication stable du polytype 4H
• Épitaxie par étapes fiable
• Compatibilité avec les processus établis en matière de dispositifs d'alimentation
• Bon contrôle de l'épaisseur d'épitaxie et du dopage
• Perte de matière inférieure à une chute de 8°
• Large disponibilité pour le 4H-SiC de type N
• Compatibilité avec la production de MOSFET SiC et de diodes Schottky

La recherche a démontré des couches épitaxiales épaisses de 4H-SiC à taux de croissance élevé avec une morphologie contrôlée sur des substrats hors axe de 4° lorsque la température, la chimie de surface, le rapport C/Si et la gravure de pré-croissance sont optimisés.

Défauts potentiels sur les plaquettes 4°

Un angle hors axe de 4° n’élimine pas les défauts d’épitaxie. Les problèmes possibles incluent :

• Regroupement par étapes
• Défauts triangulaires
• Défauts de la carotte
• Luxations du plan basal
• Bord de filetage ou luxations de vis
• Rayures superficielles transférées dans la couche épitaxiale
• Inclusions de polytypes locaux
• Non-uniformité de l'épaisseur liée aux bords

La densité finale des défauts dépend à la fois du substrat et du processus de croissance. La préparation de la surface, la gravure à l'hydrogène, le taux de croissance, la pression, la température et le rapport des précurseurs influencent tous le résultat.

Applications typiques

Une plaquette SiC 4H-N hors axe de 4° est généralement envisagée pour :

• MOSFET SiC
• Diodes à barrière Schottky
• Diodes Schottky à barrière de jonction
• Diodes PiN
• Appareils électriques à haute tension
• Onduleurs pour véhicules électriques
• Chargeurs embarqués
• Alimentations industrielles
• Convertisseurs d'énergie renouvelable
• Couches épitaxiales épaisses de SiC

Pour la plupart des projets de dispositifs d'alimentation conducteurs standard en 4H-SiC, 4° est la première orientation que les acheteurs doivent évaluer.

Plaquettes SiC hors axe 8°

Caractéristiques des surfaces

Une plaquette hors axe de 8° a environ deux fois l'inclinaison nominale d'une plaquette de 4°. Il présente donc une plus grande densité de marches en surface et des terrasses plus étroites.

Historiquement, les substrats hors axe de 8° étaient largement utilisés pour fournir des conditions de flux échelonné fortes et une réplication fiable des polytypes.

Avantages des plaquettes 8°

Les avantages potentiels comprennent :

• Densité de surface élevée
• Forte croissance par étapes
• Risque réduit de nucléation bidimensionnelle indésirable
• Bonne réplication du polytype dans des conditions de croissance compatibles
• Compatibilité avec les procédés d'épitaxie existants développés autour de substrats à 8°
• Aptitude à la recherche spécialisée ou aux structures d'appareils personnalisées

Limites des plaquettes 8°

Un angle hors axe plus grand peut présenter des inconvénients commerciaux et de traitement :

• Plus grande perte de matériau de boule lors du tranchage en angle
• Coût de fabrication du substrat plus élevé
• Contrôle d'angle et de direction plus exigeant
• Sensibilité accrue au regroupement par étapes
• Différences possibles de morphologie de surface
• Interchangeabilité réduite avec les recettes épitaxiales modernes 4°
• Disponibilité standard inférieure chez certains fournisseurs

L'angle de coupe plus grand signifie que moins de tranches peuvent être obtenues à partir d'une boule de cristal donnée. Cet inconvénient devient plus important à mesure que le diamètre de la plaquette augmente.

Des recherches comparant les approches hors axe ont identifié les substrats à 4° comme une alternative économique aux substrats à 8° tout en maintenant une croissance efficace par étapes.

Applications typiques

Une plaquette SiC hors axe de 8° peut être appropriée pour :

• Réacteurs épitaxiaux existants qualifiés pour le matériau 8°
• Production d'appareils existants
• Structures épitaxiales épaisses spécialisées
• Recherche par étapes et polytypes
• Epitaxie 4H-SiC ou 6H-SiC sur mesure
• Processus où une densité d’étapes plus élevée est spécifiquement requise

Un acheteur ne doit pas passer de 8° à 4° uniquement pour réduire le coût du substrat sans qualifier au préalable le procédé d'épitaxie.

Comparaison des plaquettes SiC 0° vs 4° vs 8°

Le tableau fournit des conseils généraux de sélection. Les performances réelles dépendent du polytype, de la polarité des faces, de la méthode de croissance, de la taille de la tranche et de la recette épitaxiale.

Comment un angle de coupe incorrect affecte le rendement de l'appareil

1. Inclusions de polytypes

Des inclusions indésirables de 3C-SiC peuvent créer des régions électriquement défectueuses et réduire la surface utilisable de la puce.

La croissance sur l'axe est particulièrement sensible à la nucléation du polytype, tandis que les surfaces 4° et 8° fournissent davantage d'étapes pour maintenir la séquence d'empilement 4H.

2. Morphologie des surfaces

Une surface épitaxiale lisse est essentielle pour la photolithographie, la formation d'oxyde de grille et l'uniformité du dispositif.

Des chutes et des conditions de croissance mal adaptées peuvent produire :

• Grappes d'étapes
• Défauts triangulaires
• Fosses de surface
• Buttes
• Terrasses brutes
• Variation locale d'épaisseur

3. Dislocations du plan basal

Les dislocations du plan basal sont importantes pour les dispositifs bipolaires SiC car elles peuvent contribuer à l'expansion des défauts d'empilement et à la dégradation de la tension directe.

La croissance hors axe peut reproduire les BPD du substrat vers la couche épitaxiale. Les processus modernes tentent de convertir les BPD en luxations de bord de filetage moins nocives ou d'empêcher leur propagation.

4. Uniformité du dopage épitaxial

La densité des étapes influence la manière dont l'azote et les autres dopants sont incorporés au cours de la croissance. La modification de l'angle hors axe peut donc nécessiter des ajustements du débit de gaz, de la température et du rapport C/Si pour maintenir le dopage cible.

5. Uniformité au niveau de la tranche

L'angle hors-angle réel peut varier du centre au bord en raison de la courbure du plan cristallin et de la géométrie de la tranche. Cela peut entraîner des changements locaux dans la structure des étapes sur la tranche.

Pour des plaquettes plus grandes ou une production exigeante, les acheteurs peuvent demander :

• Cartographie hors angle sur une plaquette complète
• Mesures du centre et des bords
• Cartographie de la direction des chutes
• Rapports d'orientation des rayons X
• Données d'arc et de déformation des plaquettes

6. Coût du substrat et économie de la matrice

Un angle hors axe plus grand peut améliorer certaines conditions d'épitaxie mais réduire le nombre de substrats pouvant être découpés à partir d'une boule.

Le résultat d’épitaxie présentant le défaut le plus faible ne produit pas nécessairement le coût total du dispositif le plus bas. Les acheteurs doivent considérer :

• Prix ​​du substrat
• Rendement épitaxial
• Surface utilisable
• Rendement de l'appareil
• Fiabilité
• Coût de qualification du processus

Si-Face vs C-Face : une autre spécification critique

L'angle hors axe ne doit pas être évalué séparément de la polarité de la tranche.

Une plaquette SiC peut être traitée sur :

• Si-face : (0001)
• Face C : (000-1)

La plupart des épitaxies commerciales de dispositifs de puissance 4H-SiC utilisent la face Si. Le matériau C-face peut être utilisé pour l’épitaxie spécialisée, la recherche, la formation de graphène ou des processus nécessitant une chimie de surface différente.

Les surfaces Si-face et C-face peuvent se comporter différemment lors de :

• Gravure à l'hydrogène
• Formation d'étapes
• Incorporation de dopants
• Oxydation
• Nucléation de polytypes
• Reconstruction de surfaces

Une demande de prix doit donc indiquer à la fois la face et les spécifications hors axe.

Guide de sélection basé sur les applications

MOSFET 4H-SiC ou diode Schottky

Point de départ recommandé :

• SiC conducteur 4H-N
• Si-face
• 4° vers ⟨11-20⟩
• Surface CMP prête à épiler

Dispositif RF GaN-sur-SiC

Point de départ recommandé :

• 4H-SiC semi-isolant de haute pureté
• Orientation dans l'axe ou avec faible erreur de coupe
• Orientation confirmée avec le prestataire d'épitaxie GaN
• Résistivité stricte et contrôle des défauts de surface

Procédé d'épitaxie 8° existant

Point de départ recommandé :

• Maintenir l'angle et la direction qualifiés de 8°
• Comparez le matériel 4° uniquement via un lot de qualification contrôlé
• Réajuster la recette d'épitaxie avant la conversion de la production

Recherche sur l'homoépitaxie 4H-SiC sur axe

Point de départ recommandé :

• Nominal 0° Si-face ou C-face
• Contrôle strict de l'orientation de la tranche entière
• Préparation de surface dédiée
• Nucléation optimisée et rampe de précurseurs
• Cartographie détaillée des inclusions 3C

Liste de contrôle des demandes de prix hors axe pour plaquettes SiC

Exemple d'appel d'offres pour une plaquette SiC pour dispositif de puissance 4H-N

Application:Croissance épitaxiale SiC MOSFET
Matériel:4H-SiC
Conductivité:Type N
Diamètre:150 millimètres
Orientation:4° hors axe vers ⟨11-20⟩
Tolérance angulaire :±0,5°
Surface:Si-face CMP, épi-prêt
Arrière:Polissage optique C-face
Épaisseur:Selon les exigences de manipulation de l'appareil
Résistivité:Gamme de production définie
TTV :Maximum défini par l'acheteur
Arc/chaîne :Maximum défini par l'acheteur
Rugosité de la surface :Ra en dessous de la limite CMP convenue
Défauts :Limites MPD, BPD, TSD et défauts de bord requises
Inspection:Rapport d'orientation des rayons X, d'analyse de surface et de géométrie
Quantité:5 wafers pour qualification, suivi d'un ordre de fabrication

Foire aux questions

4° est-il toujours le meilleur angle hors axe pour le 4H-SiC ?

Non. Un angle hors axe de 4° est largement utilisé pour l'épitaxie conductrice des dispositifs de puissance 4H-SiC, mais les substrats RF semi-isolants, les processus existants et la recherche spécialisée peuvent nécessiter un angle de 0°, 8° ou un autre angle.

Une plaquette de SiC à 0° peut-elle être utilisée pour l'épitaxie ?

Oui, mais l’homépitaxie sur axe nécessite généralement un processus de croissance dédié pour contrôler la nucléation des polytypes, les inclusions 3C-SiC et la morphologie de surface.

Pourquoi l’industrie est-elle passée de 8° à 4° pour de nombreuses applications énergétiques ?

Une chute de 4° offre une densité de pas suffisante pour une épitaxie stable tout en améliorant l'utilisation des boules et en réduisant le coût du matériau par rapport à une coupe plus grande de 8°.

La direction hors axe est-elle aussi importante que l’angle ?

Oui. Deux tranches avec le même angle de 4° mais des directions de chute différentes peuvent présenter des structures en escalier et un comportement épitaxial différents. Spécifiez toujours l’angle et la direction.

Quel angle est normalement utilisé pour le SiC semi-isolant ?

Le 4H-SiC semi-isolant est fréquemment fourni sur axe pour les applications RF et GaN-on-SiC. Cependant, des options 4° et 8° peuvent être disponibles pour des processus d'épitaxie personnalisés.

Une plaquette à 4° peut-elle remplacer directement une plaquette à 8° ?

Non sans réserve. La recette épitaxiale peut nécessiter des modifications de la température, du taux de croissance, de la pression, de la pré-gravure et des rapports de précurseurs.

Conclusion

L'angle hors axe de la plaquette de SiC est un paramètre épitaxial fonctionnel plutôt qu'une simple tolérance dimensionnelle.

Une tranche à 0° offre une utilisation élevée du matériau et peut convenir aux substrats RF semi-isolants ou à l'homépitaxie spécialisée, mais elle nécessite un contrôle minutieux de la nucléation des polytypes.

Une plaquette hors axe de 4° offre un équilibre solide entre la stabilité du flux échelonné, le coût et la compatibilité de production, ce qui en fait un choix courant pour les dispositifs d'alimentation conducteurs en 4H-SiC.

Une tranche hors axe de 8° offre une densité de pas élevée et reste précieuse pour les processus existants qualifiés et la croissance épitaxiale spécialisée, bien qu'elle puisse augmenter le coût des matériaux et la sensibilité au regroupement par étapes.

Avant de demander un devis, les acheteurs doivent confirmer :

• Application de l'appareil
• Polytype et conductivité
• Face Si ou Face C
• Angle et direction hors axe
• Tolérance angulaire
• Finition superficielle
• Géométrie et limites de défauts
• Compatibilité des procédés d'épitaxie

La meilleure plaquette de SiC n’est pas celle dont l’angle de coupe est le plus grand ou le plus petit. Il s'agit de la plaquette dont les spécifications d'orientation, de surface et de défauts correspondent au processus d'épitaxie envisagé.

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