تأثير المعالجة البلورية المفردة لكربيد السيليكون على جودة سطح الرقاقة

تحتل أجهزة الطاقة شبه الموصلة مكانة أساسية في أنظمة الطاقة الإلكترونية، خاصة في سياق التطور السريع لتقنيات مثل الذكاء الاصطناعي واتصالات 5G ومركبات الطاقة الجديدة، وقد تم تحسين متطلبات الأداء لها.

كربيد السيليكونأصبحت (4H-SiC) مادة مثالية لتصنيع أجهزة طاقة أشباه الموصلات عالية الأداء نظرًا لمزاياها مثل فجوة النطاق الواسعة، والتوصيل الحراري العالي، وقوة مجال الانهيار العالية، ومعدل انجراف التشبع العالي، والثبات الكيميائي، ومقاومة الإشعاع. ومع ذلك، 4H-SiC لديه صلابة عالية، وهشاشة عالية، وخمول كيميائي قوي، وصعوبة معالجة عالية. تعد جودة سطح رقاقة الركيزة أمرًا بالغ الأهمية لتطبيقات الأجهزة واسعة النطاق.
ولذلك، فإن تحسين جودة سطح رقائق الركيزة 4H-SiC، وخاصة إزالة الطبقة التالفة على سطح معالجة الرقاقة، هو المفتاح لتحقيق معالجة فعالة ومنخفضة الخسارة وعالية الجودة لرقاقات الركيزة 4H-SiC.

تجربة
تستخدم التجربة سبيكة 4H-SiC من النوع N مقاس 4 بوصة تمت زراعتها بطريقة نقل البخار الفيزيائي، والتي تتم معالجتها من خلال قطع الأسلاك والطحن والطحن الخشن والطحن الدقيق والتلميع، وتسجل سمك الإزالة للسطح C وسطح Si وسمك الرقاقة النهائي في كل عملية.

الشكل 1: رسم تخطيطي للهيكل البلوري 4H-SiC

الشكل 2: تمت إزالة السماكة من الجانب C والجانب Si لـ 4H-رقاقة كربيد السيليكونبعد خطوات المعالجة المختلفة وسمك الرقاقة بعد المعالجة

 

تم تحديد السماكة والشكل السطحي والخشونة والخواص الميكانيكية للرقاقة بشكل كامل بواسطة جهاز اختبار معلمات هندسة الرقاقة ومجهر التداخل التفاضلي ومجهر القوة الذرية وأداة قياس خشونة السطح ومثبت النانو. وبالإضافة إلى ذلك، تم استخدام مقياس حيود الأشعة السينية عالي الدقة لتقييم الجودة البلورية للرقاقة.
توفر هذه الخطوات التجريبية وطرق الاختبار دعمًا فنيًا مفصلاً لدراسة معدل إزالة المواد وجودة السطح أثناء معالجة 4H-رقائق كربيد السيليكون.
ومن خلال التجارب، قام الباحثون بتحليل التغيرات في معدل إزالة المواد (MRR)، وتشكل السطح والخشونة، وكذلك الخواص الميكانيكية وجودة الكريستال لـ 4H-.رقائق كربيد السيليكونفي خطوات المعالجة المختلفة (قطع الأسلاك، الطحن، الطحن الخشن، الطحن الناعم، التلميع).

الشكل 3: معدل إزالة المواد للوجه C وSi-face لـ 4H-رقاقة كربيد السيليكونفي خطوات المعالجة المختلفة

وجدت الدراسة أنه نظرًا لتباين الخواص الميكانيكية للأوجه البلورية المختلفة لـ 4H-SiC، هناك فرق في MRR بين C-face وSi-face تحت نفس العملية، كما أن MRR لـ C-face أعلى بكثير من أن من سي الوجه. مع تقدم خطوات المعالجة، يتم تحسين شكل السطح وخشونة رقائق 4H-SiC تدريجيًا. بعد التلميع، يبلغ Ra لـ C-face 0.24 نانومتر، ويصل Ra لـ Si-face إلى 0.14 نانومتر، وهو ما يمكن أن يلبي احتياجات النمو الفوقي.

الشكل 4: صور المجهر الضوئي للسطح C (a~e) وسطح Si (f~j) لرقاقة 4H-SiC بعد خطوات معالجة مختلفة

الشكل 5: صور مجهر القوة الذرية للسطح C (a~c) وسطح Si (d~f) لرقاقة 4H-SiC بعد خطوات معالجة CLP وFLP وCMP

الشكل 6 (أ) المعامل المرن و (ب) صلابة السطح C وسطح Si لرقاقة 4H-SiC بعد خطوات معالجة مختلفة

يُظهر اختبار الخاصية الميكانيكية أن السطح C للرقاقة يتمتع بصلابة أقل من مادة السطح Si، ودرجة أكبر من الكسر الهش أثناء المعالجة، وإزالة المواد بشكل أسرع، وتشكل السطح وخشونته الضعيفة نسبيًا. تعد إزالة الطبقة التالفة من السطح المعالج هو المفتاح لتحسين جودة سطح الرقاقة. يمكن استخدام عرض نصف الارتفاع لمنحنى التأرجح 4H-SiC (0004) لتوصيف وتحليل طبقة الضرر السطحي للرقاقة بشكل بديهي ودقيق.

الشكل 7 (0004) المنحنى المتأرجح نصف عرض الوجه C والوجه Si لرقاقة 4H-SiC بعد خطوات معالجة مختلفة

تظهر نتائج البحث أنه يمكن إزالة طبقة التلف السطحي للرقاقة تدريجيًا بعد معالجة الرقاقة 4H-SiC، مما يحسن بشكل فعال جودة سطح الرقاقة ويوفر مرجعًا تقنيًا للمعالجة عالية الكفاءة ومنخفضة الخسارة وعالية الجودة. من رقائق الركيزة 4H-SiC.

وقام الباحثون بمعالجة رقائق 4H-SiC من خلال خطوات معالجة مختلفة مثل قطع الأسلاك، والطحن، والطحن الخشن، والطحن الناعم والتلميع، ودرسوا تأثيرات هذه العمليات على جودة سطح الرقاقة.
أظهرت النتائج أنه مع تقدم خطوات المعالجة، يتم تحسين شكل السطح وخشونة الرقاقة تدريجيًا. بعد التلميع، تصل خشونة الوجه C والوجه Si إلى 0.24 نانومتر و0.14 نانومتر على التوالي، وهو ما يلبي متطلبات النمو الفوقي. يتميز الوجه C للرقاقة بصلابة أقل من مادة Si-face، وأكثر عرضة للكسر الهش أثناء المعالجة، مما يؤدي إلى مورفولوجيا سطحية وخشونة سيئة نسبيًا. تعد إزالة طبقة التلف السطحي للسطح المعالج هو المفتاح لتحسين جودة سطح الرقاقة. يمكن لنصف عرض منحنى التأرجح 4H-SiC (0004) أن يميز بشكل حدسي ودقيق طبقة الضرر السطحي للرقاقة.
تظهر الأبحاث أن الطبقة التالفة على سطح رقائق 4H-SiC يمكن إزالتها تدريجيًا من خلال معالجة رقاقة 4H-SiC، مما يحسن بشكل فعال جودة سطح الرقاقة، مما يوفر مرجعًا تقنيًا للكفاءة العالية والخسارة المنخفضة والعالية. معالجة الجودة لرقائق الركيزة 4H-SiC.