SiC 基板のコストは、単結晶成長の実行で最終的に何枚の適格なウェーハを生産できるかによって決まります。結晶の成長、配向と成形、スライス、研削、CMP、および洗浄により、材料の損失と品質要件が徐々に伝達されます。低鋸ロス、低損傷、きれいな表面を同時に最適化する必要があります。結晶サイズに加えて、材料利用は結晶ポリタイプ、電気的特性、欠陥、および成形後の使用可能な体積にも依存します。スライス後の認定ウェーハの数がコスト計算の分母となります。厚さバジェット: ウェーハあたりの材料ピッチは、最終的な厚さ、後続のプロセスでの総除去量、およびスライスロスの合計にほぼ等しくなります。より狭い鋸切り口の利点は、追加の損傷除去によって相殺される可能性があります。表面許容度: 厚さと TTV、全体的な反り、局所的な粗さ、傷、および汚染は個別に測定されます。鏡のような外観は、フルウェーハの品質検査に代わることはできません。
1. 結晶成長は、下流プロセスで使用できる材料の品質を決定します
SiC基板を製造するには、まず目的のポリタイプ、電気的特性、欠陥レベルを備えた単結晶を取得します。パワーデバイスに一般的に使用される4H導電性SiCをメインラインとして、物理的蒸気輸送（PVT）が成熟した工業化ルートです。ここでは、プロセスが 6 つの主要モジュールに統合されており、面取り、焼きなまし、工程内洗浄、検査が散在しています。エンドポイントは、その後のエピタキシーの準備ができたベア基板です。
PVT 炉では、粉末は高温ゾーンで昇華し、蒸気相は比較的低温の種結晶の近くに移動し、そこで結晶化します。欠陥と成形除去ゾーンが概略的に示されています。 PVT は蒸気輸送によって結晶を成長させます。高純度の SiC 粉末が黒鉛るつぼの底に置かれ、その上に種結晶が置かれます。高温低圧下で原料が昇華してシリコンや炭素を含む気相成分が生成され、温度勾配や濃度差によって種結晶付近まで輸送され、再結晶して単結晶が形成されます。成長速度、界面形態、およびポリタイプの安定性のバランスをとるために、熱場、圧力、および原料の状態は成長中に適切な進化を維持する必要があります。
ポリタイプ、転位、および電気的特性によって、使用可能な範囲が決まります。ヘテロポリタイプの介在物、マイクロパイプ、転位、亀裂は異なる欠陥であり、使用可能な領域や下流のデバイスのリスクに与える影響も異なります。導電性製品には、ドーピングと抵抗率分布の制御も必要です。結晶の直径と長さが増加するにつれて、適切な領域を同時に維持することによってのみ、納品可能な基板の数を増やすことができます。バルク結晶欠陥は主に成長管理と選別管理によって管理されます。
成長効率は、同じ仕様の適格な出力に反映されなければなりません。成長を加速すると、単位結晶あたりに占める炉の時間を短縮できますが、それに応じて欠陥、応力、または不適格領域が増加すると、下流での選別の損失も拡大します。 Tianyue Advanced が公開しているプロセスの説明では、PVT 状態の制御と下流への損傷伝達を強調しており、成長と加工を最終仕様に基づいてリンクする必要があることを示しています。この段階を評価するときは、同じ仕様の結晶の実効出力と品質の分布に注目する必要があります。
2. 配向と成形により、結晶の配向、寸法、スライス基準が確立されます。
成長した結晶は、不規則な部分を除去し、結晶方位を測定し、端面と外径をトリミングし、スライスクランプ基準を確立する必要があります。このモジュールは、成長によって得られた材料を、指定された姿勢および寸法で加工できるインゴットに変換します。その一方で、ヘッド、テールおよびエッジの材料ロスが発生し、次のステップで使用できる長さと直径が直接変更されます。
オフカット角は、ウェーハ表面の法線と結晶の c 軸の間の角度であり、エッジの面取りとは別に制御されます。. 4 度は、導電性 4H 製品の一般的な例です。具体的な値は製品の仕様によって異なります。 X線配向により、結晶配向が処理治具に転写されます。 SiC には結晶異方性があり、結晶方位とオフカット角はその後のエピタキシャルのステップ構造や加工挙動に影響を与えます。導電性 4H 製品では、基底面に対して小さなオフカットが使用されることがよくあります。たとえば、一部の Wolfspeed 150 mm および 200 mm 製品仕様では 4 度のオフカットが使用されています。方向測定、端面トリミング、接着、取り付けは、目標の切断面を確実に行う必要があります。角度を正確に測定するだけでも、スライス姿勢に正しく移行する必要があります。
エッジの丸み、端面、および位置決めマークには、それぞれ寸法上のタスクが伴います。外径加工により直径を制御し、端面加工により基準を設け、平坦部やノッチの位置決めにより結晶方位や取り付け方向を特定するのに役立ちます。位置決めマークと保護エッジの面取りは、異なる幾何学的要件です。トリミングが不十分だと寸法やエッジの問題が残りますが、過剰なトリミングではすでに成長コストが発生した材料が消費されます。したがって、マージンは結晶品質マップと製品寸法と組み合わせて決定する必要があります。
シェーピングロスはウェーハカウント前に発生します。原価計算で使用可能な長さは、頭尾のトリミングと必要な選別が完了した後の結晶から開始する必要があります。原石結晶全体の長さからウェーハの生産量を見積もると、後で必ず除去しなければならない部分も生産量としてカウントされます。 Tianyue Advanced が公開している加工プロジェクト資料には、これらの基準確立ステップを反映して、外周の丸み付け、平面加工、位置決め平面加工、およびワイヤーのスライスが個別にリストされています。
3. スライスでは、ソーロス、ウェーハの厚さ、損傷に材料を割り当てます。
スライスでは、材料を消費して表面の損傷を除去しながら、インゴットを薄いウェーハに分割します。各ウェーハは、その後の研削と研磨のために厚さを確保しておく必要があります。したがって、スライスの経済性を判断するには、実際の鋸の切り口、切断後の損傷、厚さの変化、チッピング、および破壊を一緒に考慮する必要があります。ダイヤモンドワイヤー切断とレーザー内部改質分離は異なるスライスルートです。ピッチモデルでは、スライス損失には割り当てられたインゴット修復除去も含める必要がありますが、その後のウェーハ表面処理の許容値は個別に計算されます。
線径を小さくするには、安定した切断を維持する必要があります。ダイヤモンド ワイヤは砥粒を使用して硬くて脆い SiC を切断します。実際の鋸の切り口は、ワイヤーの直径、研磨突起、ワイヤーの動き、切断状態の影響を受けます。細いワイヤーを使用すると材料の消費量を減らすことができますが、張力、振動、研磨剤の保持、および切りくずの除去を調整する必要があります。 Gaoche GC-SCDW8300 は、6 ～ 8 インチの結晶切断をターゲットとして、調整可能な軸間隔、ワークピースの揺動、専用ダイヤモンド ワイヤ、張力制御を公に採用しています。その技術的な組み合わせは、機器と消耗品の調整の必要性を反映しています。
切断ダメージはその後の除去量に反映されます。ソーマーク、局所的な厚さの偏差、および表面下の微小亀裂は、下流で修復する必要があります。切削速度を上げるためだけに切削負荷を高めると、損傷が深くなると切り代を厚くする必要が生じ、研削時間が長くなる場合があります。局所的な欠けや破損は、処理を継続できるウェーハの数を直接的に減少させます。スライスコスト削減の目標は、歩留まりの制約の下でルート全体で材料と時間の消費を削減することです。
レーザー分離により、材料損失の構成が変化します。ディスコのKABRAは、インゴット内部の所定の深さに改質剥離層を形成し、その層からウェーハを剥離します。従来の鋸引きによる材料除去の一部を内部修正と分離に置き換えますが、分離面と残りのインゴットにはその後の調整が必要です。 2 つのルートを比較する場合、ウェーハ表面の修復、インゴットの再処理、破損を総損失に含め、ウェーハ生産量を最終仕様に従って比較する必要があります。
4. 研削により幾何学的形態が修正され、CMP による損傷負担が軽減されます。
スライス後、ウェーハはソーマークを除去し、厚さと平行度を調整し、大きな加工ダメージを修復する必要があります。研削、ラッピング、シンニング、機械前研磨をルートに応じて組み合わせることができます。中心的なタスクは、比較的高い効率で幾何学的形態を確立し、その後の CMP のために制御可能な浅い除去負担を残すことです。粗研削と細研削は通常、損傷の深さを徐々に減少させますが、それぞれが新たな加工損傷を引き起こす可能性があります。 TTV と反りは、それぞれ厚さの一貫性と全体的な反りを表します。図の断面図は拡大図です。
古い損傷を除去しながら、新しい損傷を制御する必要があります。硬くて脆い材料は、摩耗作用により局所的に脆性破壊を起こす可能性があります。粗い処理では除去率が高く、新たな微小亀裂や乱れた層が残る可能性もあります。微細な処理では、粒子ごとのアクションと損傷の深さを減らす必要があります。粗いステップと細かいステップの調整は、損傷の深さと最終的な厚さの予算に基づいて行う必要があります。 CMP への切り替えが早すぎると研磨に時間がかかり、過度の研削は材料を消費します。
TTV、グローバルワープ、粗さは個別に制御されます。 TTV はウェーハ全体の最大厚さと最小厚さの差であり、反りはウェーハ中央表面の全体的な反り範囲を反映し、局所的な表面粗さは小規模な起伏を表します。 Wolfspeed 200 mm 導電性製品リストには、TTV が 5 μm 以下、ワープが 20 μm 以下と記載されているものもあります。これは、送達が複数の形態学的インジケーターを同時に制約する必要があることを示しています。これらの値は特定の製品仕様に属しており、測定状態とエッジ除外ルールも一致する必要があります。
両面加工は、動き、キャリア、研磨剤の調整に依存します。両面研削により、上部プレートと下部プレート、キャリアギアなどの構造による相対運動が組織化されます。研磨材、圧力、プレート表面の状態、キャリアの状態が均一性に影響します。 Yujing YJ-16B5LC は、上部プレート、下部プレート、内部ギア リング、サンギアに個別のドライブを使用した、SiC ウェーハの両面研削を明確にカバーしています。この構造により処理動作の調整が容易になりますが、最終的な効果は依然として特定の処理の組み合わせによって決まります。
ダメージコントロールは、材料の利用と研磨能力を結びつけます。 CMP の目標除去速度が同じ場合、研削後に残る損傷が深いほど、除去および研磨に必要な材料と時間が多くなります。したがって、研削側の改善により、厚さの許容値と CMP 負荷を同時に減らすことができます。生産ラインの場合、これは、単一の研削盤が 1 時間あたりに処理するウェーハの枚数を単に比較するよりも、最終コストに近いものになります。
5. 化学機械研磨により、制御可能なダメージをプレエピタキシー表面に変換します。
幾何学的成形が完了した後、プレエピタキシ要件を満たす表面を得るために、CMP は粗さと残留処理損傷をさらに低減する必要があります。 SiC は硬く、化学的に安定しています。強い機械的作用のみに依存すると、傷が増える傾向があります。化学機械研磨は、表面反応と研磨剤の除去の相乗効果によって、除去速度と表面の完全性の間にウィンドウを確立します。 SiC CMP は一般に、反応性成分と研磨剤の相乗効果によって表面改質層を形成および除去します。この図は一般的なメカニズムを示しており、単一のスラリー配合物に対応するものではありません。異なる結晶面と装置条件を個別に適合させる必要があります。
反応層の生成と除去は相互に一致する必要があります。研磨液中の反応成分により最表面の状態が変化し、研磨材と研磨パッドによって最表面が除去され、その後新たに露出した表面は反応を続けます。表面反応が遅すぎると、除去速度が制限されます。研磨剤の凝集、局部的な負荷、またはパッド表面の状態が制御不能になると、傷や不均一性が発生する可能性があります。ウェーハの異なる極性結晶面の化学反応と除去挙動も個別に適合させる必要があります。
アップストリームの許容値によって、CMP が動作しなければならない時間が決まります。同じ安定した除去速度でも、除去する必要がある厚さが大きくなるほど、必要な処理時間は長くなります。インテグリスが公開している SiC ソリューションでは、フロントエンドの研削損傷、スラリー、研磨パッド、濾過、および後洗浄を一緒に考慮しています。これは、これらの部品が表面品質と処理時間を共同で決定するためです。単に研磨圧力を高めるだけでは、新たに導入された欠陥による除去速度の向上が相殺される可能性があります。
鏡面外観については定量検査を追加する必要があります。 AFMは局所的な粗さを測定できますが、RaまたはRqの値を比較する場合、スキャン範囲、サンプリング、データ処理方法を統一する必要があります。ローカル スキャンの結果は、ウェーハ全体のスクラッチ、粒子、形態検査と組み合わせる必要もあります。研磨されたベア基板は、その後のエピタキシーに使用できます。デバイスに必要なエピタキシャル層の厚さ、ドーピング、欠陥制御は次の製造段階に属します。
6. 洗浄により加工残留物が除去され、すでに達成されている表面品質が保護されます。
CMP では研磨剤、反応生成物、有機成分の残留物が発生し、上流のステップでも金属やその他の汚染が生じる可能性があります。複数の処理ステップを通じて達成される表面品質を維持するために、洗浄ではこれらの残留物を表面から除去し、すすぎ、乾燥、検査、梱包中に再付着や再汚染を軽減する必要があります。ブラシ洗浄、化学洗浄、リンス、および乾燥は、典型的なプロセスの組み合わせです。汚染の種類が異なれば、除去メカニズムも異なります。転位や深い加工損傷は上流の品質管理によって管理されます。
粒子、金属、有機物は異なる除去メカニズムを使用します。粒子の除去には、表面の剥離、液体の輸送、分散の安定性が関係します。金属汚染には、溶解や錯体形成などの化学メカニズムの一致が必要です。有機残留物とスラリー残留物には適切な配合が必要です。ブラシ洗浄、音響補助、化学液体を組み合わせることができますが、過度の強度は表面のリスクを高める可能性があります。したがって、洗浄剤の配合と物理的作用を合わせて選択する必要があります。
すすぎと乾燥によって、残留物が本当に残るかどうかが決まります。汚れが表面から剥がれた後でも、排水やすすぎが不十分であると、汚れが再付着する可能性があります。超純水、ろ過、ブラシの状態、乾燥プロセスは、最終的な粒子とウォーターマークに影響を与えます。インテグリスは SiC 処理残渣専用の洗浄薬品を用意しており、華海青科の HSC-S1300 は化合物半導体洗浄における表裏ブラシ洗浄と酸/アルカリ洗浄の互換性をサポートしており、それぞれ材料と装置の調整を反映しています。
出荷検査では表面品質とバルク品質を別々に判定します。最終的な合格には、形態、粗さ、傷、粒子、汚染指標を組み合わせ、結晶と加工バッチのトレーサビリティを保持する必要があります。きれいな表面はエピタキシーの準備には有益ですが、成長転位や除去されていない深い損傷には依然として対応する検査と上流の制御が必要です。洗浄のコスト上の利点は、最終段階ですでに完成した高価値のウェーハのスクラップや再加工を減らすことです。
原価計算により、6 つのモジュールが同じ材料と歩留まりの予算に戻されます。
6 つの段階を結び付けると、核となる問題は、使用可能な結晶のセグメントが同じ仕様の認定済みのウェーハを何枚形成できるかということです。最終的なウェーハ厚さをｔ、スライス後の表裏研削・研磨による総除去量をａ、ウェーハ１枚あたりに割り当てられるスライスロスをｋとする。この場合、材料のピッチはおよそ p=t + a + k になります。使用可能な長さ H を p で割って切り捨てたものは、単純化されたモデルでの理論上のウェーハ生産量を示します。
計算では、使用可能な長さ 20 mm、最終的な厚さ 350 μm を使用して、さまざまなスライス損失とその後の除去量を比較します。すべてはパラメータの例であり、端の修正と損失の並べ替えは無視されます。
スライスロスの低減: 利点は仕上がり厚さに達する必要があります。有効長さ 20 mm、最終厚さ 350 μm を使用すると、a が 80 μm、k が 170 μm の場合、ピッチは 600 μm、理論上の生産量は 33 枚のウェハになります。 k が 70 μm に低下し、a が 80 μm のままの場合、ピッチは 500 μm に低下し、理論上の生産量は 40 枚のウェーハになります。したがって、材料損失の削減はより多くのウェーハに変換されます。
ダメージが増加すると、鋸損失が少ないという利点が相殺される可能性があります。スライスロスが70μmに低減されたが、その後の除去量aを80μmから180μmに増加する必要がある場合、ピッチは600μmに戻り、理論上のウェーハ生産量は33に戻ります。この例は、細線または新しい分離技術を評価するには、ルート全体の材料使用率を判断するために、それらの背後にある損傷修復代を同時に測定する必要があることを示しています。
最終的なコストは、同じ仕様の認定されたウェーハの数によっても異なります。理論上の出力の後、破壊、結晶の選別、形態、および不適格な表面品質によって引き起こされる損失も差し引く必要があります。総成長コストと処理コストを最終的に認定されたウェーハ数で割ることによってのみ、同じ仕様の基板の単位製造コストに近づくことができます。炉時間、ソーロス、研磨時間の短縮にはそれぞれ効果があります。最も価値のある最適化は、最終納品まで材料と時間を節約することです。