Lep- en polijstprocessen voor siliciumcarbide, saffier en galliumnitride

Siliciumcarbide, saffier en galliumnitride

Inhoudsopgave

Invoering

Toepassingsvereisten

Systeemspecificaties

Verwerkingsstroom

Invoering

Bij de productie van halfgeleiderapparaten wordt het streven naar kostenreductie altijd gedreven door output en opbrengst. Vergeleken met traditionele halfgeleidertechnologieën zijn siliciumcarbide (SiC), saffier en galliumnitride (GaN) drie steeds populairder wordende materialen die de kosten aanzienlijk kunnen verlagen. Hemei Semiconductor (HSM) heeft een succesvolle methode ontwikkeld om substraten van siliciumcarbide, saffier en galliumnitride te verwerken tot een "EPI-ready" staat.

Saffier is bijzonder aantrekkelijk voor beoefenaars in de laserindustrie vanwege de uniforme diëlektrische constante en de hoogwaardige kristalstructuur-. Dit heeft geleid tot de toegenomen toepassing van saffiersubstraten in blauwe laserdiodes, en saffier is ook de basis geworden voor de huidige radiofrequentie (RF) schakeltoepassingen.

Siliciumcarbide heeft eigenschappen zoals hoge thermische geleidbaarheid, hoge oxidatieweerstand, chemische inertheid en hoge mechanische sterkte. Deze kenmerken maken het een ideaal materiaal voor een verscheidenheid aan toepassingen, waaronder biomedische materialen, halfgeleiderapparaten voor hoge- temperaturen, optische componenten met synchrotronstraling en lichtgewicht structuren met hoge- sterkte. In bepaalde toepassingen met korte- (biocompatibele), hoge- temperaturen, stralings- en hoge- vermogens vertoont siliciumcarbide superieure fysieke en elektronische eigenschappen vergeleken met silicium en galliumarsenide.

Galliumnitride wordt momenteel gebruikt in transistors met hoog-vermogen die bij hoge temperaturen kunnen werken. Deze transistors maken gebruik van het vermogen van galliumnitride om een ​​hoog-vermogen te genereren in een klein volume. Gecombineerd met de hoge efficiëntie van het materiaal in eindversterkers bij ultra-hoge frequenties en microgolffrequenties, is galliumnitride een ideaal materiaal geworden voor toekomstige ontwikkeling in een breed scala aan opto-elektronische toepassingen.

Toepassingsvereisten

In elk geval is het doel van het polijsten van saffier-, siliciumcarbide- en galliumnitridewafels het verminderen van de uiteindelijke dikte van het substraat tot de gewenste doelwaarde, met een totale diktevariatie (TTV) beter dan ± 2 μm en een oppervlakteruwheid verbeterd tot minder dan 2 nanometer (Ra <2 nm). Dit wordt bereikt door de wafer eerst aan een kwartsglassubstraat te hechten met behulp van Hemei's Wafer Substrate Bonding Unit (WB).

Na het lijmen moet de wafer worden geslepen om overtollig materiaal te verwijderen, gevolgd door polijsten. Het lepproces wordt uitgevoerd met behulp van HS-, MS- en HSM-CMP-apparatuur uitgerust met Hemei's SJ- en ASJ-precisiepolijstarmaturen.

Tijdens het leppen wordt het armatuur gemonteerd op een gietijzeren lepplaat. Er zijn verschillende procesparameteropties beschikbaar om gebruikers inzicht te geven in het materiaalverwijderingsproces.

Na het leppen moet de wafer worden gereinigd en van het glazen substraat worden verwijderd. Vervolgens wordt het overgebracht naar een armatuur die is ontworpen voor een nauwkeurig hoge-polijstsysteem met een polijstkop. Met behulp van een van deze twee systemen kunnen wafers van de drie materialen (in verschillende hoeveelheden) worden gepolijst tot een herhaalbare afwerking op nanoschaal.

(Figuur: polijstmachine)

(Afbeelding: polijstarmatuur)

Systeemspecificaties

Afhankelijk van het aantal te verwerken wafers biedt Hemei diverse systemen voor het polijsten van saffier, siliciumcarbide en galliumnitride. Elk systeem kan echter de volgende componenten bevatten:

Verwerkingsstroom

Installatie, bevestiging en leppen

Met behulp van de Wafer Substrate Bonding Unit (WB) worden saffier-, siliciumcarbide- of galliumnitridewafels tijdelijk op een glazen steunplaat gebonden. Dit systeem zorgt ervoor dat de wafer en de steunplaat altijd zeer parallel zijn, ongeacht of een enkele grote wafer of meerdere kleine wafers van verschillende diktes worden verbonden. Na succesvolle verlijming kan de steunplaat op het vacuümspanoppervlak van het Hemei-armatuur worden gemonteerd. Vervolgens wordt het armatuur omgedraaid, met de verwerkingszijde naar beneden gericht, en op de gietijzeren lepplaat van de HSM-L-apparatuur geplaatst. Vervolgens wordt het systeem ingesteld om te roteren met een maximale snelheid van 100 omwentelingen per minuut (rpm), terwijl de lep-slurry met een constante stroomsnelheid naar het plaatoppervlak wordt afgeleverd via een peristaltische pomp voor lepvloeistof (bestuurd door de besturingsinterface), en de gebruiker kan onafhankelijk de hoeveelheid slurry die naar het plaatoppervlak wordt afgeleverd, regelen.

Installatie, bevestiging en polijsten

Nadat het overtollige materiaal door middel van leppen van het substraat is verwijderd, wordt het C-ASJ-aandrijfkoppolijstsysteem met hoge- snelheid gebruikt om het wafeloppervlak te polijsten. Hierdoor ontstaat op elke wafel een oppervlak van hoge-kwaliteit.

Het HSM-CMP-systeem maakt gebruik van bevestigingsmethoden zoals wateraanzuiging en vacuüm om de wafer vast te klemmen en te fixeren, waardoor er geen glazen substraat nodig is. Voordat de wafer op de polijstkop van het HSM-CMP-systeem wordt geplaatst, moet deze daarom van het glassubstraat worden verwijderd. Elke polijstkop wordt aangepast aan de specifieke eisen van de klant om optimale resultaten uit het polijstproces te garanderen.

Gedurende het hele polijstproces biedt het HSM-CMP-systeem een ​​hoge mate van beheersbaarheid, omdat handmatige handelingen "in-situ" kunnen worden uitgevoerd. Procesparameters zoals plaatsnelheid, neerwaartse belasting van de polijstkop en slurrystroomsnelheid kunnen allemaal worden geregeld via een aanraakscherm, waardoor gebruikers onmiddellijke en nauwkeurige aanpassingen en controle kunnen uitvoeren.

Resultaten

Door Hemei's polijstsysteem te gebruiken om de voorbereiding van siliciumcarbide-, saffier- of galliumnitridesubstraten te voltooien, kan een ideale oppervlakteruwheid worden bereikt vóór daaropvolgende verwerking met behulp van traditionele CMOS-technologie. Bij elke gepolijste wafel wordt tijdens de verwerking een uniforme hoeveelheid materiaal verwijderd, wat resulteert in een uniform vlak oppervlak.

Door de druk (belasting) aan te passen die tijdens de verwerking op het substraat wordt uitgeoefend, kunnen optimale materiaalverwijderingssnelheden (MRR) van 6 μm/u voor saffier en 1-2 μm/u voor siliciumcarbide worden bereikt.

De volgende resultaten voor siliciumcarbide en galliumnitride worden verkregen uit een batch wafers met een diameter van 12 2-inch, verwerkt op het HSM-CMP-systeem; de resultaten voor saffier zijn verkregen uit een batch wafeltjes met een diameter van 84 2-inch, verwerkt op het HSM-CMP-systeem.

(Grafiekbeschrijving: A. Siliciumcarbide B. Saffier C. Galliumnitride)

[Afbeelding: A. Siliciumcarbide; B. Saffier; C. Galliumnitride. Assen: initiële Ra-waarden (nm), uiteindelijke Ra-waarden (nm), gemiddelde MRR (micron per uur). Gegevenspunten: A - Initiële Ra: 120 nm, Finale Ra: 6 nm, MRR: 1-2 μm/u; B - Initiële Ra: 100 nm, Finale Ra: 1 nm, MRR: 6 μm/u; C - Initiële Ra: 80 nm, Finale Ra: 3 nm, MRR: 15 μm/h]

Initiële Ra-waarden (na leppen)

A: 120 nm

B: 100 nm

C: 80 nm

Uiteindelijke Ra-waarden (na polijsten)

A: 6 nm

B: 1 nm

C: 3 nm

Gemiddelde MRR (micron per uur)

A: 1-2 μm/h

B: 6 μm/h

C: 15 μm/h

A. Siliciumcarbidewafel

Diameter: 2 inch

Materiaalverwijderingssnelheid (MRR): 1-2 μm/u

Uiteindelijke Ra-waarde: <3 nm

Vlakheid: ± 2 μm

Boeg: < 25 μm

B. Saffierwafel

Diameter: 2 inch

Materiaalverwijderingssnelheid (MRR): 6 μm/u

Uiteindelijke Ra-waarde: < 1 nm

Vlakheid: ± 2 μm

Boeg: < 25 μm

C. Galliumnitridewafel

Diameter: 2 inch

Materiaalverwijderingssnelheid (MRR): 15 μm/u (afhankelijk van het kristalvlak)

Uiteindelijke Ra-waarde: <3 nm

Vlakheid: ± 2 μm

Boeg: < 25 μm

(Gemeten met een Dektak 150 Surface Profiler)