При покупке кремниево-карбидной подложки для эпитаксиального роста недостаточно указать только диаметр подложки, политип и тип легирования. Угол отклонения подложки от оси, также известный как угол смещения, может существенно влиять на рост в режиме пошагового потока, стабильность политипа, морфологию поверхности, распространение дефектов и выход годных приборов.

Для подложек 4H-SiC обычно обсуждаются три ориентации:

• 0° или номинально на оси
• 4° от оси
• 8° от оси

Эти углы не взаимозаменяемы. Подложка 0° не является автоматически более точной, а подложка 8° не является автоматически лучшей для эпитаксии. Каждый угол создает различную структуру ступеней на поверхности и должен соответствовать эпитаксиальному процессу и применению прибора.

В этом руководстве объясняется, как углы смещения подложек SiC 0°, 4° и 8° влияют на эпитаксию, и приводится контрольный список для запроса коммерческого предложения по выбору правильной подложки.

Что такое угол отклонения от оси подложки SiC?

Кристалл SiC имеет определенные кристаллографические плоскости и направления. Для стандартной подложки 4H-SiC C-типа номинальная поверхность перпендикулярна оси c кристалла, представленной плоскостью (0001).

Подложка на оси вырезается примерно параллельно этой основной плоскости.

Подложка от оси намеренно нарезается под небольшим углом от точной основной плоскости, обычно в направлении определенного кристаллографического направления, такого как:

Преднамеренный наклон создает поверхность, содержащую атомные террасы, разделенные ступенями. Эти ступени предоставляют предпочтительные места для атомов, прибывающих во время эпитаксиального роста.

Таким образом, спецификация отклонения от оси включает два отдельных пункта:

1. Угол отклонения от оси
2. Направление отклонения от оси

Спецификация, указывающая только «4° от оси», является неполной, если не указано кристаллографическое направление и допустимое отклонение угла.

Почему в эпитаксии SiC используется намеренное смещение

Карбид кремния существует во многих кристаллических структурах, называемых политипами. Типичные примеры включают 3C-SiC, 4H-SiC и 6H-SiC.

Во время гомоэпитаксиального роста целью обычно является воспроизведение политипа подложки. Например, подложка 4H-SiC должна давать эпитаксиальный слой 4H-SiC.

Атомные ступени на поверхности с отклонением от оси помогают прибывающим кремниевым и углеродным частицам следовать последовательности укладки нижележащего кристалла. Этот механизм называется эпитаксией, управляемой ступенями или ростом в режиме пошагового потока.

Опубликованные исследования подтверждают, что в эпитаксии 4H-SiC обычно используются подложки с отклонением от оси 4° для улучшения роста в режиме пошагового потока и поддержания стабильности политипа. Исследование материалов по образованию включений 3C

Общая зависимость следующая:

• Меньший угол смещения: более широкие террасы и более низкая плотность ступеней
• Больший угол смещения: более узкие террасы и более высокая плотность ступеней

Однако увеличение плотности ступеней также изменяет группировку ступеней, шероховатость поверхности, поведение дефектов и использование материала.

Подложки SiC 0° на оси

Характеристики поверхности

Номинально на оси подложка SiC имеет поверхность, близкую к точной основной плоскости (0001). Ее террасы шире, а естественная плотность ступеней ниже, чем у подложек 4° или 8°.

«На оси» не всегда означает ровно 0,000°. Реальные подложки могут все еще содержать небольшую остаточную ориентацию, вызванную кривизной кристалла, точностью резки, прогибом подложки и полировкой.

Поэтому запрос коммерческого предложения должен содержать допустимое отклонение угла, например:

На оси (0001) ±0,5°

Для требовательных исследований может потребоваться более жесткое допустимое отклонение или карта ориентации всей подложки.

Преимущества подложек 0°

Потенциальные преимущества включают:

• Лучшее использование материала буля
• Меньше кристаллического материала теряется при наклонной резке
• Пригодность для полуизолирующих ВЧ-подложек
• Пригодность для выбранных процессов GaN-на-SiC
• Уменьшение репликации определенных дислокаций основной плоскости при определенных условиях роста
• Доступность для исследований гомоэпитаксии с низким отклонением от оси или на оси

Проблемы гомоэпитаксии 0°

При меньшем количестве ступеней на поверхности атомы имеют меньше предпочтительных мест для включения на краю ступени. Двумерная нуклеация может стать более вероятной, если процесс не контролируется тщательно.

Для гомоэпитаксии 4H-SiC это может привести к:

• Включения 3C-SiC
• Нестабильность политипа
• Треугольным дефектам
• Островки на поверхности
• Неравномерное образование ступеней
• Уменьшение полезной площади прибора

Исследования номинально на оси Si-лицевой 4H-SiC показали, что высококачественная гомоэпитаксия возможна, но контроль включений 3C-SiC остается важной технологической проблемой. Исследование эпитаксии на оси 4H-SiC

Современная конструкция реактора, травление in-situ, контроль температуры, постепенное увеличение прекурсоров и оптимизация соотношения C/Si могут улучшить рост на оси. Тем не менее, эпитаксиальный рецепт, разработанный для подложек 4°, не может быть просто перенесен на подложки 0° без разработки процесса.

Типичные применения

Подложки 4H-SiC на оси могут быть выбраны для:

• Высокочистые полуизолирующие подложки SiC
• ВЧ-эпитаксия GaN-на-SiC
• Подложки для СВЧ и радиолокационных приборов
• Оптические и исследовательские применения
• Альтернативные процессы гомоэпитаксиального роста
• Исследование дислокаций основной плоскости
• Индивидуальные нестандартные эпитаксиальные структуры

Правильный угол для GaN-на-SiC следует подтвердить с поставщиком эпитаксии GaN, поскольку нуклеация AlN, полярность и условия реактора могут изменить предпочтительное смещение.

Подложки SiC 4° от оси

Почему 4° стало распространенным выбором

Подложка 4H-SiC с отклонением от оси 4° обеспечивает практический баланс между плотностью ступеней, стабильностью эпитаксиального процесса и стоимостью производства подложки.

Поверхность содержит достаточно ступеней для поддержки роста в режиме пошагового потока, избегая при этом некоторых недостатков использования материала, связанных с большим углом среза 8°.

Распространенная спецификация для проводящих подложек силовых приборов 4H-SiC:

Точное направление и допустимое отклонение следует подтверждать для каждого процесса.

Преимущества подложек 4°

Правильно подготовленная подложка 4° может обеспечить:

• Стабильное воспроизведение политипа 4H
• Надежная эпитаксия в режиме пошагового потока
• Совместимость с установленными процессами силовых приборов
• Хороший контроль толщины и легирования эпитаксиального слоя
• Меньшие потери материала по сравнению с 8°
• Широкая доступность для N-типа 4H-SiC
• Совместимость с производством МОП-транзисторов и диодов Шоттки на SiC

Исследования показали возможность получения эпитаксиальных слоев 4H-SiC большой толщины с высокой скоростью роста и контролируемой морфологией на подложках с отклонением от оси 4° при оптимизации температуры, химии поверхности, соотношения C/Si и предварительного травления перед ростом. 

Потенциальные дефекты на подложках 4°

Угол отклонения от оси 4° не устраняет эпитаксиальные дефекты. Возможные проблемы включают:

• Группировка ступеней
• Треугольным дефектам
• Дефекты типа «морковь»
• Дислокации основной плоскости
• Пронизывающие краевые или винтовые дислокации
• Царапины на поверхности, перенесенные в эпитаксиальный слой
• Локальные включения политипа
• Неоднородность толщины, связанная с краем

Конечная плотность дефектов зависит как от подложки, так и от процесса роста. Подготовка поверхности, травление водородом, скорость роста, давление, температура и соотношение прекурсоров влияют на результат.

Типичные применения

Подложка 4H-N SiC с отклонением от оси 4° обычно рассматривается для:

• МОП-транзисторы на SiC
• Диоды Шоттки
• Диоды с барьером Шоттки и переходом
• PiN-диоды
• Высоковольтные силовые приборы
• Инверторы для электромобилей
• Бортовые зарядные устройства
• Промышленные источники питания
• Преобразователи возобновляемой энергии
• Толстые эпитаксиальные слои SiC

Для большинства стандартных проектов силовых приборов на проводящем 4H-SiC, 4° является первой ориентацией, которую покупатели должны оценить.

Подложки SiC 8° от оси

Характеристики поверхности

Подложка с отклонением от оси 8° имеет примерно вдвое больший номинальный наклон, чем подложка 4°. Следовательно, она имеет более высокую плотность ступеней на поверхности и более узкие террасы.

Исторически подложки с отклонением от оси 8° широко использовались для обеспечения сильных условий роста в режиме пошагового потока и надежного воспроизведения политипа.

Преимущества подложек 8°

Потенциальные преимущества включают:

• Высокая плотность ступеней на поверхности
• Сильный рост в режиме пошагового потока
• Снижение риска нежелательной двумерной нуклеации
• Хорошее воспроизведение политипа при совместимых условиях роста
• Совместимость с устаревшими эпитаксиальными процессами, разработанными для подложек 8°
• Пригодность для специализированных исследований или индивидуальных структур приборов

Ограничения подложек 8°

Больший угол отклонения от оси может привести к коммерческим и технологическим недостаткам:

• Большие потери материала буля при наклонной резке
• Более высокая стоимость производства подложки
• Более требовательный контроль угла и направления
• Повышенная чувствительность к группировке ступеней
• Возможные различия в морфологии поверхности
• Сниженная взаимозаменяемость с современными эпитаксиальными рецептами для 4°
• Более низкая стандартная доступность у некоторых поставщиков

Больший угол среза означает, что из данного кристалла буля может быть получено меньше подложек. Этот недостаток становится более важным с увеличением диаметра подложки.

Исследования, сравнивающие подходы с отклонением от оси, определили подложки 4° как экономичную альтернативу подложкам 8° при сохранении эффективного роста в режиме пошагового потока.

Типичные применения

Подложка SiC с отклонением от оси 8° может быть подходящей для:

• Существующие эпитаксиальные реакторы, квалифицированные для материала 8°
• Производство устаревших приборов
• Специализированные толстые эпитаксиальные структуры
• Исследования пошагового потока и политипа
• Индивидуальная эпитаксия 4H-SiC или 6H-SiC
• Процессы, где требуется более высокая плотность ступеней

Покупатель не должен переходить с 8° на 4° только для снижения стоимости подложки без предварительной квалификации эпитаксиального процесса.

Сравнение подложек SiC 0° против 4° против 8°

Таблица предоставляет общие рекомендации по выбору. Фактическая производительность зависит от политипа, полярности грани, метода роста, размера подложки и эпитаксиального рецепта.

Как угол смещения влияет на выход годных приборов

1. Включения политипа

Нежелательные включения 3C-SiC могут создавать электрически дефектные области и уменьшать полезную площадь кристалла.

Рост на оси особенно чувствителен к нуклеации политипа, в то время как поверхности 4° и 8° предоставляют больше ступеней для поддержания последовательности укладки 4H.

2. Морфология поверхности

Гладкая эпитаксиальная поверхность необходима для фотолитографии, формирования диэлектрика затвора и однородности прибора.

Неправильно подобранные угол смещения и условия роста могут привести к:

• Группировке ступеней
• Треугольным дефектам
• Ямкам на поверхности
• Шишкам
• Шероховатым террасам
• Локальным изменениям толщины

3. Дислокации основной плоскости

Дислокации основной плоскости важны для биполярных приборов SiC, поскольку они могут способствовать расширению дефектов укладки и деградации прямого напряжения.

Рост от оси может реплицировать BPD из подложки в эпитаксиальный слой. Современные процессы пытаются преобразовать BPD в менее вредные пронизывающие краевые дислокации или предотвратить их распространение.

4. Однородность легирования эпитаксиального слоя

Плотность ступеней влияет на то, как азот и другие легирующие примеси включаются во время роста. Изменение угла отклонения от оси может поэтому потребовать корректировки потока газа, температуры и соотношения C/Si для поддержания целевого легирования.

5. Однородность по всей подложке

Фактический угол отклонения от оси может варьироваться от центра к краю из-за кривизны кристаллографической плоскости и геометрии подложки. Это может вызвать локальные изменения структуры ступеней по всей подложке.

Для подложек большего диаметра или требовательного производства покупатели могут запросить:

• Картирование угла отклонения от оси по всей подложке
• Измерения в центре и по краю
• Картирование направления смещения
• Отчеты об ориентации по рентгеновской дифракции
• Данные о прогибе и коробчатости подложки

6. Стоимость подложки и экономика кристалла

Больший угол отклонения от оси может улучшить определенные эпитаксиальные условия, но уменьшить количество подложек, которые могут быть нарезаны из буля.

Результат эпитаксии с наименьшим количеством дефектов не обязательно приводит к самой низкой общей стоимости прибора. Покупатели должны учитывать:

• Цена подложки
• Выход эпитаксии
• Полезная площадь
• Выход годных приборов
• Надежность
• Стоимость квалификации процесса

Si-лицевая сторона против C-лицевой стороны: еще одна критическая спецификация

Угол отклонения от оси не следует оценивать отдельно от полярности подложки.

Подложка SiC может обрабатываться на:

• Si-лицевая сторона: (0001)
• C-лицевая сторона: (000-1)

Большинство коммерческих эпитаксиальных процессов для силовых приборов на 4H-SiC используют Si-лицевую сторону. Материал C-лицевой стороны может использоваться для специализированной эпитаксии, исследований, формирования графена или процессов, требующих различной химии поверхности.

Поверхности Si-лицевой и C-лицевой сторон могут вести себя по-разному во время:

• Травления водородом
• Образования ступеней
• Включения легирующих примесей
• Окисления
• Нуклеации политипа
• Поверхностной реконструкции

Поэтому запрос коммерческого предложения должен содержать как указание грани, так и спецификацию отклонения от оси.

Руководство по выбору на основе применения

МОП-транзистор или диод Шоттки 4H-SiC

Рекомендуемая отправная точка:

• Проводящий 4H-SiC
• Si-лицевая сторона
• Поверхность CMP, готовая к эпитаксии

ВЧ-прибор GaN-на-SiC

Рекомендуемая отправная точка:

• Высокочистый полуизолирующий 4H-SiC
• Ориентация на оси или с малым смещением
• Ориентация подтверждена с поставщиком эпитаксии GaN
• Строгий контроль удельного сопротивления и поверхностных дефектов

Существующий эпитаксиальный процесс 8°

Рекомендуемая отправная точка:

• Сохранение квалифицированного угла и направления 8°
• Сравнение материала 4° только через контролируемую партию квалификации
• Перенастройка эпитаксиального рецепта перед конверсией производства

Исследование гомоэпитаксии 4H-SiC на оси

Рекомендуемая отправная точка:

• Номинальная 0° Si-лицевая или C-лицевая сторона
• Строгий контроль ориентации по всей подложке
• Специализированная подготовка поверхности
• Оптимизированная нуклеация и постепенное увеличение прекурсоров
• Детальное картирование включений 3C

Контрольный список запроса коммерческого предложения на подложки SiC с отклонением от оси

Пример запроса коммерческого предложения на подложку SiC 4H-N для силовых приборов

Применение: Эпитаксиальный рост МОП-транзисторов на SiC
Материал: 4H-SiC
Проводимость: N-тип
Диаметр: 150 мм
Ориентация:
Допустимое отклонение угла: ±0,5°
Поверхность: Si-лицевая CMP, готовая к эпитаксии
Задняя сторона: C-лицевая полировка оптического качества
Толщина: В соответствии с требованиями обработки при изготовлении приборов
Удельное сопротивление: Определенный производственный диапазон
TTV: Максимально допустимые значения, определенные покупателем
Прогиб/Коробчатость: Максимально допустимые значения, определенные покупателем
Шероховатость поверхности: Ra ниже согласованного предела CMP
Дефекты: Требуются пределы MPD, BPD, TSD и дефектов края
Инспекция: Отчет об ориентации по рентгеновской дифракции, поверхностном сканировании и геометрии
Количество: 5 подложек для квалификации, затем производственный заказ

Часто задаваемые вопросы

Является ли 4° всегда лучшим углом отклонения от оси для 4H-SiC?

Нет. Угол отклонения от оси 4° широко используется для эпитаксии проводящих силовых приборов 4H-SiC, но полуизолирующие ВЧ-подложки, устаревшие процессы и специализированные исследования могут требовать 0°, 8° или другого угла.

Можно ли использовать подложку SiC 0° для эпитаксии?

Да, но гомоэпитаксия на оси обычно требует выделенного процесса роста для контроля нуклеации политипа, включений 3C-SiC и морфологии поверхности.

Почему отрасль перешла от 8° к 4° для многих силовых применений?

Смещение 4° обеспечивает достаточную плотность ступеней для стабильной эпитаксии, улучшая при этом использование буля и снижая стоимость материала по сравнению с большим срезом 8°.

Является ли направление отклонения от оси таким же важным, как угол?

Да. Две подложки с одинаковым углом 4°, но с разными направлениями смещения, могут демонстрировать различную структуру ступеней и эпитаксиальное поведение. Всегда указывайте как угол, так и направление.

Какой угол обычно используется для полуизолирующего SiC?

Полуизолирующий 4H-SiC часто поставляется на оси для ВЧ и GaN-на-SiC применений. Однако варианты 4° и 8° могут быть доступны для индивидуальных эпитаксиальных процессов.

Может ли подложка 4° напрямую заменить подложку 8°?

Не без квалификации. Эпитаксиальный рецепт может потребовать изменений температуры, скорости роста, давления, предварительного травления и соотношения прекурсоров.

Заключение

Угол отклонения от оси подложки SiC является функциональным эпитаксиальным параметром, а не простой размерной толерантностью.

Подложка 0° обеспечивает высокое использование материала и может подходить для полуизолирующих ВЧ-подложек или специализированной гомоэпитаксии, но требует тщательного контроля нуклеации политипа.

Подложка 4° от оси обеспечивает сильный баланс между стабильностью пошагового потока, стоимостью и совместимостью с производством, что делает ее распространенным выбором для проводящих силовых приборов 4H-SiC.

Подложка 8° от оси обеспечивает высокую плотность ступеней и остается ценной для квалифицированных устаревших процессов и специализированного эпитаксиального роста, хотя она может увеличить стоимость материала и чувствительность к группировке ступеней.

Перед запросом коммерческого предложения покупатели должны подтвердить:

• Применение прибора
• Политип и проводимость
• Si-лицевая или C-лицевая сторона
• Угол и направление отклонения от оси
• Допустимое отклонение угла
• Отделка поверхности
• Геометрические пределы и пределы дефектов
• Совместимость с эпитаксиальным процессом

Лучшая подложка SiC — это не та, у которой самый большой или самый маленький угол смещения. Это подложка, чьи спецификации ориентации, поверхности и дефектов соответствуют предполагаемому эпитаксиальному процессу.

ТЕГИ: угол отклонения от оси подложки SiC, подложка SiC 4 градуса, подложка SiC 8 градусов, подложка SiC на оси, смещение подложки SiC, эпитаксия 4H-SiC, ориентация подложки SiC, поставщик подложек SiC