Οι συσκευές ισχύος ημιαγωγών κατέχουν κεντρική θέση στα ηλεκτρονικά συστήματα ισχύος, ειδικά στο πλαίσιο της ταχείας ανάπτυξης τεχνολογιών όπως η τεχνητή νοημοσύνη, οι επικοινωνίες 5G και τα νέα ενεργειακά οχήματα, οι απαιτήσεις απόδοσης για αυτές έχουν βελτιωθεί.
Καρβίδιο του πυριτίουΤο (4H-SiC) έχει γίνει ιδανικό υλικό για την κατασκευή συσκευών ισχύος ημιαγωγών υψηλής απόδοσης λόγω των πλεονεκτημάτων του όπως το μεγάλο διάκενο ζώνης, η υψηλή θερμική αγωγιμότητα, η υψηλή αντοχή πεδίου διάσπασης, ο υψηλός ρυθμός μετατόπισης κορεσμού, η χημική σταθερότητα και η αντίσταση στην ακτινοβολία. Ωστόσο, το 4H-SiC έχει υψηλή σκληρότητα, υψηλή ευθραυστότητα, ισχυρή χημική αδράνεια και υψηλή δυσκολία επεξεργασίας. Η ποιότητα της επιφάνειας της γκοφρέτας υποστρώματος είναι ζωτικής σημασίας για εφαρμογές συσκευών μεγάλης κλίμακας.
Επομένως, η βελτίωση της ποιότητας της επιφάνειας των πλακιδίων υποστρώματος 4H-SiC, ειδικά η αφαίρεση του κατεστραμμένου στρώματος στην επιφάνεια επεξεργασίας πλακιδίων, είναι το κλειδί για την επίτευξη αποτελεσματικής, χαμηλής απώλειας και υψηλής ποιότητας επεξεργασίας πλακιδίων υποστρώματος 4H-SiC.
Πείραμα
Το πείραμα χρησιμοποιεί ένα πλινθίο 4H-SiC τύπου N 4 ιντσών που αναπτύσσεται με φυσική μέθοδο μεταφοράς ατμών, το οποίο επεξεργάζεται μέσω κοπής σύρματος, λείανσης, τραχιάς λείανσης, λεπτής λείανσης και στίλβωσης και καταγράφει το πάχος αφαίρεσης της επιφάνειας C και της επιφάνειας Si και το τελικό πάχος της γκοφρέτας σε κάθε διαδικασία.
Σχήμα 1 Σχηματικό διάγραμμα κρυσταλλικής δομής 4H-SiC
Εικόνα 2 Το πάχος αφαιρέθηκε από την πλευρά C και την πλευρά Si του 4H-Γκοφρέτα SiCμετά από διαφορετικά στάδια επεξεργασίας και πάχος της γκοφρέτας μετά την επεξεργασία
Το πάχος, η μορφολογία της επιφάνειας, η τραχύτητα και οι μηχανικές ιδιότητες της γκοφρέτας χαρακτηρίστηκαν πλήρως από ελεγκτή παραμέτρων γεωμετρίας πλακιδίων, μικροσκόπιο διαφορικής παρεμβολής, μικροσκόπιο ατομικής δύναμης, όργανο μέτρησης τραχύτητας επιφάνειας και νανοindenter. Επιπλέον, χρησιμοποιήθηκε περιθλασίμετρο ακτίνων Χ υψηλής ανάλυσης για την αξιολόγηση της κρυσταλλικής ποιότητας της γκοφρέτας.
Αυτά τα πειραματικά βήματα και οι μέθοδοι δοκιμής παρέχουν λεπτομερή τεχνική υποστήριξη για τη μελέτη του ρυθμού αφαίρεσης υλικού και της ποιότητας της επιφάνειας κατά την επεξεργασία του 4H-Γκοφρέτες SiC.
Μέσω πειραμάτων, οι ερευνητές ανέλυσαν τις αλλαγές στον ρυθμό αφαίρεσης υλικού (MRR), τη μορφολογία και την τραχύτητα της επιφάνειας, καθώς και τις μηχανικές ιδιότητες και την ποιότητα των κρυστάλλων του 4H-Γκοφρέτες SiCσε διάφορα στάδια επεξεργασίας (κοπή σύρματος, λείανση, τραχιά λείανση, λεπτή λείανση, στίλβωση).
Σχήμα 3 Ρυθμός αφαίρεσης υλικού της όψης C και της όψης Si του 4Η-Γκοφρέτα SiCσε διάφορα στάδια επεξεργασίας
Η μελέτη διαπίστωσε ότι λόγω της ανισοτροπίας των μηχανικών ιδιοτήτων των διαφορετικών κρυσταλλικών όψεων του 4H-SiC, υπάρχει διαφορά στο MRR μεταξύ C-όψης και Si-face με την ίδια διαδικασία, και το MRR του C-face είναι σημαντικά υψηλότερο από αυτή του Si-face. Με την πρόοδο των σταδίων επεξεργασίας, η μορφολογία της επιφάνειας και η τραχύτητα των πλακών 4H-SiC βελτιστοποιούνται σταδιακά. Μετά το γυάλισμα, το Ra του C-face είναι 0,24nm και το Ra του Si-face φτάνει τα 0,14nm, το οποίο μπορεί να καλύψει τις ανάγκες της επιταξιακής ανάπτυξης.
Εικόνα 4 Εικόνες οπτικού μικροσκοπίου της επιφάνειας C (a~e) και της επιφάνειας Si (f~j) της γκοφρέτας 4H-SiC μετά από διαφορετικά στάδια επεξεργασίας
Εικόνα 5 Εικόνες με μικροσκόπιο ατομικής δύναμης της επιφάνειας C (a~c) και της επιφάνειας Si (d~f) της γκοφρέτας 4H-SiC μετά από στάδια επεξεργασίας CLP, FLP και CMP
Σχήμα 6 (α) μέτρο ελαστικότητας και (β) σκληρότητα της επιφάνειας C και της επιφάνειας Si της γκοφρέτας 4H-SiC μετά από διαφορετικά στάδια επεξεργασίας
Η δοκιμή μηχανικών ιδιοτήτων δείχνει ότι η επιφάνεια C του πλακιδίου έχει φτωχότερη σκληρότητα από το υλικό επιφάνειας Si, μεγαλύτερο βαθμό εύθραυστου σπασίματος κατά την επεξεργασία, ταχύτερη αφαίρεση υλικού και σχετικά κακή μορφολογία και τραχύτητα επιφάνειας. Η αφαίρεση του κατεστραμμένου στρώματος στην επεξεργασμένη επιφάνεια είναι το κλειδί για τη βελτίωση της ποιότητας της επιφάνειας της γκοφρέτας. Το πλάτος μισού ύψους της καμπύλης ταλάντωσης 4H-SiC (0004) μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον διαισθητικό και ακριβή χαρακτηρισμό και την ανάλυση του επιφανειακού στρώματος ζημιάς της γκοφρέτας.
Σχήμα 7 (0004) καμπύλη ταλάντωσης κατά το ήμισυ του πλάτους της όψης C και της όψης Si της γκοφρέτας 4H-SiC μετά από διαφορετικά στάδια επεξεργασίας
Τα αποτελέσματα της έρευνας δείχνουν ότι το στρώμα επιφανειακής ζημιάς της γκοφρέτας μπορεί να αφαιρεθεί σταδιακά μετά την επεξεργασία γκοφρέτας 4H-SiC, η οποία βελτιώνει αποτελεσματικά την ποιότητα της επιφάνειας της γκοφρέτας και παρέχει μια τεχνική αναφορά για επεξεργασία υψηλής απόδοσης, χαμηλής απώλειας και υψηλής ποιότητας γκοφρέτες υποστρώματος 4H-SiC.
Οι ερευνητές επεξεργάστηκαν γκοφρέτες 4H-SiC μέσω διαφορετικών σταδίων επεξεργασίας, όπως κοπή σύρματος, λείανση, τραχιά λείανση, λεπτή λείανση και στίλβωση, και μελέτησαν τις επιπτώσεις αυτών των διεργασιών στην ποιότητα της επιφάνειας της γκοφρέτας.
Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι με την πρόοδο των σταδίων επεξεργασίας, η μορφολογία της επιφάνειας και η τραχύτητα της γκοφρέτας σταδιακά βελτιστοποιούνται. Μετά το γυάλισμα, η τραχύτητα του C-face και του Si-face φτάνει τα 0,24nm και τα 0,14nm αντίστοιχα, γεγονός που ανταποκρίνεται στις απαιτήσεις της επιταξιακής ανάπτυξης. Η επιφάνεια C της γκοφρέτας έχει φτωχότερη σκληρότητα από το υλικό Si-face και είναι πιο επιρρεπής σε εύθραυστη θραύση κατά την επεξεργασία, με αποτέλεσμα σχετικά κακή μορφολογία και τραχύτητα της επιφάνειας. Η αφαίρεση του επιφανειακού στρώματος ζημιάς της επεξεργασμένης επιφάνειας είναι το κλειδί για τη βελτίωση της ποιότητας της επιφάνειας της γκοφρέτας. Το μισό πλάτος της καμπύλης παλινδρόμησης 4H-SiC (0004) μπορεί διαισθητικά και με ακρίβεια να χαρακτηρίσει το επιφανειακό στρώμα ζημιάς της γκοφρέτας.
Η έρευνα δείχνει ότι το κατεστραμμένο στρώμα στην επιφάνεια των πλακών 4H-SiC μπορεί να αφαιρεθεί σταδιακά μέσω της επεξεργασίας γκοφρέτας 4H-SiC, βελτιώνοντας αποτελεσματικά την ποιότητα της επιφάνειας της γκοφρέτας, παρέχοντας μια τεχνική αναφορά για υψηλή απόδοση, χαμηλή απώλεια και υψηλή ποιοτική επεξεργασία γκοφρετών υποστρώματος 4H-SiC.
Ώρα δημοσίευσης: Ιουλ-08-2024