Podłoża z węglika krzemu są szeroko stosowane do produkcji urządzeń zasilających przeznaczonych do pracy przy wysokim napięciu, wysokiej temperaturze i dużej częstotliwości przełączania. Jednak zalety elektryczne SiC można w pełni wykorzystać dopiero wtedy, gdy podłoże i warstwy epitaksjalne mają wystarczająco niską gęstość defektów krystalograficznych.
Wśród defektów związanych ze wzrostem kryształów SiC szczególnie istotne są mikrorurki i przemieszczenia płaszczyzny podstawy. Chociaż różnią się znacznie strukturą i zachowaniem, oba mogą zmniejszyć wydajność urządzenia, wpłynąć na parametry elektryczne i stworzyć długoterminowe ryzyko niezawodności.
Zrozumienie tych defektów pomaga producentom urządzeń, dostawcom epitaksji i nabywcom substratów ocenić, czy aPłytka SiC nadaje się do diod Schottky'ego, tranzystorów MOSFET, urządzeń bipolarnych i innych wymagających zastosowań półprzewodnikowych.
Mikrorurka to pusty w środku defekt krystalograficzny, który często rozwija się wokół przemieszczenia śruby za pomocą dużego wektora Burgersa. Zamiast tworzyć zamknięty rdzeń dyslokacyjny w skali atomowej, kryształ zawiera wąski pusty kanał rozciągający się przez część lub całość kuli SiC.
Wada na ogół rośnie w przybliżeniu wzdłuż krystalograficznej osi c i może przecinać wypolerowaną powierzchnię płytki.
Ponieważ mikrorurka ma właściwie pusty rdzeń, jest ona poważniejsza niż zwykłe przemieszczenie gwintu. Tworzy lokalny obszar, w którym struktura kryształu i właściwości elektryczne są zasadniczo zakłócone.
Mikrorurki należały niegdyś do głównych ograniczeń wpływających na komercyjne podłoża SiC. Udoskonalenia w zakresie wzrostu fizycznego transportu pary, jakości nasion i kontroli pola termicznego znacznie zmniejszyły gęstość mikrorurek w nowoczesnych waflach dostępnych na rynku. Niemniej jednak inspekcja mikrorurek pozostaje ważna w przypadku urządzeń wysokiego napięcia i urządzeń o dużej powierzchni, ponieważ nawet niewielka liczba krytycznych defektów może zmniejszyć wydajność produkcji.
Mikrorurki mogą wpływać na urządzenie na kilka sposobów.
Mikrorura zakłóca rozkład pola elektrycznego wewnątrz urządzenia. Po przyłożeniu wysokiego napięcia wstecznego pole elektryczne może skoncentrować się wokół wady.
To lokalne wzmocnienie pola może spowodować awarię urządzenia przy napięciu znacznie niższym od zamierzonego.
Efekt jest szczególnie poważny w urządzeniach wysokiego napięcia, ponieważ powierzchnia aktywna urządzenia jest większa i wzrasta prawdopodobieństwo napotkania krytycznej wady podłoża.
Pusty rdzeń i otaczające zniekształcenia sieci mogą tworzyć ścieżki wycieków przez podłoże i strukturę epitaksjalną.
Urządzenia umieszczone w pobliżu mikrorurek mogą zatem wykazywać podwyższony prąd upływowy wsteczny, niestabilną charakterystykę blokowania lub awarie podczas ekranowania elektrycznego.
Mikrorura może wpływać na całą pionową konstrukcję urządzenia powyżej jej położenia. Każda matryca wykonana bezpośrednio nad wadą może wymagać odrzucenia.
W przypadku urządzeń o dużej powierzchni pojedyncza mikrorurka może sprawić, że cała matryca będzie bezużyteczna. Dlatego zmniejszenie gęstości mikrorurek jest niezbędne dla poprawy powierzchni użytkowej urządzenia i obniżenia kosztów produkcji.
Wady podłoża SiC mogą rozprzestrzeniać się w warstwie homoepitaksjalnej wyrosłej na płytce. Wady podłoża związane ze śrubami mogą zatem wpływać na morfologię i jakość krystaliczną przerośniętej epiwarstwy.
Badania nad epitaksją SiC wykazały, że dyslokacje podłoża mogą się replikować lub przekształcać w miarę wzrostu warstwy epitaksjalnej, dlatego jakość defektów podłoża pozostaje istotna nawet po osadzeniu epitaksjalnym.
Przemieszczenie w płaszczyźnie podstawowej, powszechnie określane w skrócie BPD, to przemieszczenie leżące głównie w płaszczyźnie podstawowej sześciokątnego kryształu SiC.
W 4H-SiC płaszczyzna podstawna odpowiada płaszczyźnie krystalograficznej prostopadłej do osi c. W przeciwieństwie do dyslokacji gwintowych, które rozciągają się w przybliżeniu na grubość płytki, BPD mogą przemieszczać się poprzecznie przez kryształ.
BPD mogą powstawać podczas wzrostu kryształów podczas fizycznego transportu pary z powodu naprężenia termicznego, nierównomiernego rozkładu temperatury lub relaksacji odkształceń. Badania wskazują, że naprężenia termoelastyczne w rosnącym krysztale mogą sprzyjać zarodkowaniu i namnażaniu BPD, szczególnie gdy rozdzielone naprężenie ścinające wzdłuż płaszczyzny podstawowej staje się wystarczająco wysokie.
Mogą być również związane z naprężeniami powstającymi podczas chłodzenia, krojenia, mielenia lub innych etapów przetwarzania wafli.
BPD są szczególnie ważne, ponieważ mogą wpływać zarówno na bipolarne, jak i unipolarne urządzenia SiC.
Jednym z najbardziej znaczących zagrożeń związanych z przemieszczeniem płaszczyzny podstawowej jest jego zdolność do działania jako źródło ekspansji spowodowanej uskokiem spiętrzającym.
Kiedy prąd bipolarny przepływa przez urządzenie SiC, rekombinacja elektron-dziura w pobliżu BPD może dostarczyć energię, która umożliwia rozprzestrzenienie się błędu układania w warstwie epitaksjalnej.
Powiększony błąd układania zmienia lokalną strukturę elektroniczną i tworzy obszar o zdegradowanym transporcie przewoźników.
Rozszerzanie spowodowane błędem układania może zwiększyć napięcie przewodzenia bipolarnego urządzenia SiC podczas pracy. Zjawisko to jest powszechnie nazywane degradacją dwubiegunową.
W przeszłości był to główny problem dotyczący niezawodności urządzeń takich jak:
W miarę zwiększania się błędu układania, efektywny obszar przewodzenia może się zmniejszać, a rezystancja urządzenia w stanie włączenia może rosnąć.
Urządzenie może początkowo przejść testy elektryczne, ale po długotrwałym zasilaniu prądem jego działanie stopniowo ulega pogorszeniu.
Chociaż tranzystory MOSFET SiC są klasyfikowane jako urządzenia jednobiegunowe, ich wewnętrzne diody przewodzą prąd bipolarny.
Gdy dioda korpusu działa przez dłuższy czas, ekspansja z powodu błędu układania związana z BPD może powodować dryf napięcia w kierunku przewodzenia lub zwiększoną rezystancję włączenia.
Nowoczesne konstrukcje urządzeń i procesy epitaksjalne znacznie zmniejszyły to ryzyko, ale gęstość BPD pozostaje ważnym czynnikiem, gdy oczekuje się działania korpus-dioda MOSFET.
BPD i powiązane błędy układania mogą modyfikować czas życia lokalnej nośnej, zachowanie rekombinacji i przepływ prądu.
W zależności od ich umiejscowienia i interakcji z innymi defektami, mogą przyczyniać się do:
BPD niekoniecznie powoduje natychmiastową, katastrofalną awarię. Jego wpływ zależy od rodzaju urządzenia, warunków panujących w nim, struktury epitaksjalnej oraz tego, czy dyslokacja pozostaje w płaszczyźnie podstawnej, czy też przekształca się w inny typ dyslokacji.
Podczas wzrostu epitaksjalnego 4H-SiC BPD powstający w podłożu może zachowywać się na dwa główne sposoby.
Może:
Zwykle preferowana jest konwersja na przemieszczenie krawędzi gwintu, ponieważ przemieszczenie krawędzi gwintu jest mniej prawdopodobne, aby wygenerować rozszerzający się błąd układania w płaszczyźnie podstawowej pod wpływem prądu dwubiegunowego.
Badania epitaksji 4H-SiC wykazały, że BPD podłoża przekształcają się w przemieszczenia krawędzi gwintowanej w pobliżu granicy faz. Na zachowanie konwersji wpływa wzrost skokowy i warunki epitaksjalne.
Do ważnych zmiennych procesowych mogą należeć:
Z tego powodu jakości SiC na poziomie urządzeń nie można ocenić wyłącznie na podstawie badania podłoża. Podłoże i warstwę epitaksjalną należy traktować jako zintegrowany system materiałowy.
Chociaż oba są defektami krystalograficznymi, mikrorury i BPD stwarzają różne zagrożenia dla urządzeń.
| Charakterystyczny | Mikrorura | Zwichnięcie płaszczyzny podstawowej |
|---|---|---|
| Podstawowa struktura | Wada związana ze śrubą drążoną | Zwichnięcie leżące głównie w płaszczyźnie podstawnej |
| Typowa orientacja | Mniej więcej wzdłuż osi c | Głównie bocznie w płaszczyźnie podstawowej |
| Główna obawa | Natychmiastowa zabójcza wada | Postępująca degradacja i niezawodność |
| Typowy efekt urządzenia | Wyciek i przedwczesna awaria | Rozszerzanie spowodowane błędem układania i dryf napięcia w kierunku przewodzenia |
| Wpływ na plon | Często powoduje bezpośrednie odrzucenie matrycy | Może powodować opóźnioną lub zależną od warunków pracy awarię |
| Zachowanie epitaksjalne | Może rozprzestrzeniać się poprzez strukturę epitaksjalną | Może rozprzestrzeniać się lub przekształcać w przemieszczenie krawędzi gwintu |
| Najbardziej wrażliwe urządzenia | Urządzenia wysokiego napięcia i wielkopowierzchniowe | Urządzenia bipolarne i diody korpusowe MOSFET |
Mówiąc prościej, mikrorury są często kojarzone z natychmiastową utratą wydajności produkcyjnej, podczas gdy BPD są ściślej powiązane z degradacją operacyjną i długoterminową niezawodnością.
Jednak rzeczywisty skutek każdej wady zależy od jej lokalizacji, rozmiaru, otaczającego pola naprężeń i związku z aktywną strukturą urządzenia.
Żadna pojedyncza metoda kontroli nie zapewnia pełnych informacji na temat każdej wady SiC. Producenci często łączą kilka technik.
Trawienie stopionym wodorotlenkiem potasu selektywnie ujawnia dyslokacje w postaci wgłębień trawiennych na powierzchni SiC.
Mikrorurki, przemieszczenia śrub gwintujących, przemieszczenia krawędzi gwintu i przemieszczenia płaszczyzny podstawy mogą powodować wytrawienie o różnych kształtach i rozmiarach.
Trawienie KOH jest przydatne do pomiaru i badań gęstości defektów, ale jest destrukcyjne, ponieważ modyfikuje powierzchnię płytki. Badanie wytrawionego 6H-SiC wykazało, że zoptymalizowane warunki stopionego KOH mogą ujawnić mikrorurki i wiele typów dyslokacji.
Topografia rentgenowska to nieniszcząca technika mapowania zniekształceń sieci spowodowanych defektami krystalograficznymi.
Może ujawnić:
Synchrotronowa topografia rentgenowska zapewnia szczególnie szczegółowe obrazy defektów i jest szeroko stosowana w zaawansowanych badaniach kryształów SiC i analizie mechanizmów defektów.
Pola naprężeń wokół dyslokacji zmieniają odpowiedź optyczną kryształu. Obrazowanie w świetle spolaryzowanym można zatem wykorzystać do nieniszczącej wizualizacji dyslokacji i wzorców naprężeń szczątkowych.
Niedawne prace podkreśliły, że obserwacja w świetle spolaryzowanym jest szybką metodą wizualizacji defektów i automatycznej kontroli jakości płytek.
Do kontroli warstw epitaksjalnych SiC często stosuje się obrazowanie fotoluminescencyjne.
Może wykrywać defekty aktywne elektrycznie i pomagać w identyfikowaniu błędów układania, cech związanych z BPD i innych niedoskonałości epitaksjalnych.
Można wybrać różne długości fal wzbudzenia, aby sprawdzić różne głębokości lub typy defektów.
Ponieważ mikrorurki zawierają puste w środku rdzenie, niektóre z nich można obserwować za pomocą metod transmisji optycznej lub podczerwieni.
Do mapowania defektów całych płytek można stosować zautomatyzowane systemy kontroli optycznej, chociaż ich zdolność wykrywania zależy od wymiarów defektów, grubości płytki i kontrastu obrazu.
Końcowe testy urządzenia dostarczają dodatkowych dowodów na wpływ defektów podłoża i epitaksjalnych.
Korelacja map defektów z wynikami elektrycznymi może ujawnić, czy dana defekt jest powiązana z:
Ogólnie pożądana jest niższa całkowita gęstość dyslokacji, ale pojedyncza liczba gęstości nie opisuje w pełni jakości podłoża.
Dwie płytki o podobnej ogólnej gęstości defektów mogą zapewniać różną wydajność urządzenia, ponieważ defekty mają różne typy i rozkłady przestrzenne.
Ważne kwestie obejmują:
Płytka przeznaczona do wielu małych urządzeń może tolerować rozkład defektów, który byłby nie do przyjęcia w przypadku małej liczby dużych matryc wysokiego napięcia.
Dlatego specyfikacje podłoża należy oceniać w odniesieniu do planowanej architektury urządzenia i wymiarów matrycy.
Kupując podłoża SiC do epitaksji lub wytwarzania urządzeń, kupujący nie powinni polegać wyłącznie na średnicy, grubości i domieszkowaniu.
Z dostawcą należy również omówić następujące informacje dotyczące usterek.
Zapytaj o maksymalną lub typową gęstość mikrorurki i wyjaśnij, czy wartość dotyczy całej płytki, powierzchni użytkowej czy wybranych punktów pomiarowych.
W przypadku wymagających zastosowań może być wymagana specyfikacja bez mikrorur w obszarze aktywnym.
Zapytaj, w jaki sposób mierzona jest gęstość BPD i czy podana wartość odnosi się do podłoża, warstwy epitaksjalnej czy obu.
Należy określić technikę pomiaru, ponieważ trawienie, topografia rentgenowska i metody optyczne mogą nie dawać bezpośrednio wymiennych wyników.
BPD należy oceniać łącznie z:
Przekształcenie BPD w zwichnięcia gwintowe podczas epitaksji sprawia, że ta łączna ocena jest szczególnie ważna.
W przypadku zastosowań o dużej wartości należy zażądać mapy defektów na poziomie płytki, a nie tylko średniej gęstości.
Mapa defektów ułatwia identyfikację skupisk, defektów związanych z krawędziami i obszarów odpowiednich dla matryc wielkopowierzchniowych.
Potwierdzić, że orientacja podłoża, kąt przycięcia, wykończenie powierzchni i poziom defektów są odpowiednie dla zamierzonego procesu epitaksjalnego.
Propagacja i konwersja BPD może zależeć od warunków wzrostu epitaksjalnego, w tym stosunku C/Si i szybkości wzrostu.
Specyfikacja zakupu powinna określać:
Bez spójnych kryteriów kontroli porównanie wskaźników gęstości defektów od różnych dostawców może być trudne.
Ograniczenie liczby mikrorurek i BPD wymaga kontroli podczas wzrostu kul i produkcji płytek.
Ważne strategie obejmują:
Redukcja mikropipe odniosła ogromne korzyści dzięki ulepszonej technologii wzrostu i selekcji nasion.
Redukcja BPD pozostaje bardziej złożona, ponieważ BPD mogą zarodkować i rozmnażać się pod wpływem stresu termoelastycznego podczas wzrostu buli. Mogą również rozprzestrzeniać się w różny sposób w zależności od warunków epitaksjalnych.
Dopuszczalna specyfikacja wady zależy od końcowego zastosowania.
Mikrorurki i inne defekty, które zwiększają wycieki lub obniżają napięcie przebicia, są krytyczne.
Ponieważ urządzenia Schottky'ego opierają się głównie na transporcie większości nośnych, degradacja bipolarna związana z BPD jest generalnie mniej bezpośrednia niż w diodach PiN. Jednakże defekty podłoża i epiwarstwy mogą w dalszym ciągu wpływać na wydajność i niezawodność.
Aby uzyskać wysoką wydajność rozkładu, konieczna jest niska gęstość mikrorurek.
Kontrola BPD jest również ważna, gdy wewnętrzna dioda korpusu będzie przewodzić podczas pracy konwertera lub testowania niezawodności.
Gęstość BPD jest szczególnie ważna, ponieważ dwubiegunowy wtrysk prądu może wywołać ekspansję z powodu błędu układania i degradację napięcia w kierunku przewodzenia.
Duże matryce mają większe prawdopodobieństwo przecięcia wady zabójczej.
Zastosowania te zazwyczaj wymagają bardziej rygorystycznych specyfikacji defektów i bardziej szczegółowego mapowania całych płytek.
Podłoża klasy testowej lub badawczej mogą tolerować większą gęstość defektów, gdy celem jest testowanie sprzętu, rozwój procesów lub niekrytyczne badania materiałowe.
Jednakże stopień wady powinien być nadal dokumentowany, aby wyniki eksperymentów mogły być prawidłowo interpretowane.
Mikrorurki i przemieszczenia płaszczyzny podstawowej wpływają na działanie podłoża SiC poprzez różne mechanizmy fizyczne.
Mikrorury to wady pustego rdzenia, które mogą powodować poważne wycieki, przedwczesne uszkodzenie i natychmiastową utratę wydajności matrycy. Dyslokacje w płaszczyźnie podstawowej to płaskie defekty krystalograficzne, które mogą rozprzestrzeniać się w warstwie epitaksjalnej lub inicjować ekspansję uskokową pod wpływem prądu dwubiegunowego.
W przypadku urządzeń zasilających SiC jakość podłoża należy zatem oceniać przy użyciu czegoś więcej niż tylko ogólnej specyfikacji gęstości defektów. Kupujący powinni wziąć pod uwagę rodzaj wady, rozmieszczenie przestrzenne, metodę kontroli, zachowanie epitaksjalne i wrażliwość zamierzonej konstrukcji urządzenia.
W miarę ciągłego doskonalenia produkcji płytek SiC, niższa gęstość mikrorur i lepsze zarządzanie BPD pomagają producentom urządzeń osiągnąć wyższą wydajność, stabilniejszą wydajność elektryczną i dłuższą niezawodność działania.
Gęstość mikrorurek w nowoczesnych komercyjnych podłożach SiC jest znacznie niższa niż w materiałach wcześniejszych generacji. Niemniej jednak inspekcja pozostaje ważna, ponieważ pojedyncza mikrorurka może mieć wpływ na duże urządzenie wysokiego napięcia.
Nie koniecznie. Jego działanie zależy od tego, czy przedostaje się do aktywnej epiwarstwy, przekształca się w przemieszczenie nitkowe, czy też sprzyja rozszerzaniu się w trakcie pracy.
Wstrzykiwanie prądu bipolarnego może stymulować rozwój błędów układania pochodzących z BPD. Może to z czasem zwiększyć napięcie przewodzenia i pogorszyć wydajność urządzenia.
Niektóre BPD podłoża mogą przekształcić się w przemieszczenia krawędzi gwintowanej w pobliżu granicy między podłożem a epiwarstwą. Optymalizacja procesu epitaksjalnego może zwiększyć współczynnik konwersji, ale nie eliminuje fizycznie wszystkich defektów krystalograficznych.
Odpowiednia metoda zależy od płytki i zastosowania. Topografia rentgenowska zapewnia szczegółowe, nieniszczące mapowanie defektów, trawienie KOH zapewnia wyraźne wgłębienia po trawieniu dyslokacyjnym, a fotoluminescencja jest szeroko stosowana do kontroli warstwy epitaksjalnej.
Pełne zapytanie powinno określać średnicę płytki, polityp, typ przewodności, domieszkowanie, orientację, kąt odcięcia, grubość, polerowanie, chropowatość powierzchni, gęstość mikrorurki, wymagania dotyczące przemieszczenia, wykluczenie krawędzi, metodę kontroli, ilość i zamierzone zastosowanie.
Podłoża z węglika krzemu są szeroko stosowane do produkcji urządzeń zasilających przeznaczonych do pracy przy wysokim napięciu, wysokiej temperaturze i dużej częstotliwości przełączania. Jednak zalety elektryczne SiC można w pełni wykorzystać dopiero wtedy, gdy podłoże i warstwy epitaksjalne mają wystarczająco niską gęstość defektów krystalograficznych.
Wśród defektów związanych ze wzrostem kryształów SiC szczególnie istotne są mikrorurki i przemieszczenia płaszczyzny podstawy. Chociaż różnią się znacznie strukturą i zachowaniem, oba mogą zmniejszyć wydajność urządzenia, wpłynąć na parametry elektryczne i stworzyć długoterminowe ryzyko niezawodności.
Zrozumienie tych defektów pomaga producentom urządzeń, dostawcom epitaksji i nabywcom substratów ocenić, czy aPłytka SiC nadaje się do diod Schottky'ego, tranzystorów MOSFET, urządzeń bipolarnych i innych wymagających zastosowań półprzewodnikowych.
Mikrorurka to pusty w środku defekt krystalograficzny, który często rozwija się wokół przemieszczenia śruby za pomocą dużego wektora Burgersa. Zamiast tworzyć zamknięty rdzeń dyslokacyjny w skali atomowej, kryształ zawiera wąski pusty kanał rozciągający się przez część lub całość kuli SiC.
Wada na ogół rośnie w przybliżeniu wzdłuż krystalograficznej osi c i może przecinać wypolerowaną powierzchnię płytki.
Ponieważ mikrorurka ma właściwie pusty rdzeń, jest ona poważniejsza niż zwykłe przemieszczenie gwintu. Tworzy lokalny obszar, w którym struktura kryształu i właściwości elektryczne są zasadniczo zakłócone.
Mikrorurki należały niegdyś do głównych ograniczeń wpływających na komercyjne podłoża SiC. Udoskonalenia w zakresie wzrostu fizycznego transportu pary, jakości nasion i kontroli pola termicznego znacznie zmniejszyły gęstość mikrorurek w nowoczesnych waflach dostępnych na rynku. Niemniej jednak inspekcja mikrorurek pozostaje ważna w przypadku urządzeń wysokiego napięcia i urządzeń o dużej powierzchni, ponieważ nawet niewielka liczba krytycznych defektów może zmniejszyć wydajność produkcji.
Mikrorurki mogą wpływać na urządzenie na kilka sposobów.
Mikrorura zakłóca rozkład pola elektrycznego wewnątrz urządzenia. Po przyłożeniu wysokiego napięcia wstecznego pole elektryczne może skoncentrować się wokół wady.
To lokalne wzmocnienie pola może spowodować awarię urządzenia przy napięciu znacznie niższym od zamierzonego.
Efekt jest szczególnie poważny w urządzeniach wysokiego napięcia, ponieważ powierzchnia aktywna urządzenia jest większa i wzrasta prawdopodobieństwo napotkania krytycznej wady podłoża.
Pusty rdzeń i otaczające zniekształcenia sieci mogą tworzyć ścieżki wycieków przez podłoże i strukturę epitaksjalną.
Urządzenia umieszczone w pobliżu mikrorurek mogą zatem wykazywać podwyższony prąd upływowy wsteczny, niestabilną charakterystykę blokowania lub awarie podczas ekranowania elektrycznego.
Mikrorura może wpływać na całą pionową konstrukcję urządzenia powyżej jej położenia. Każda matryca wykonana bezpośrednio nad wadą może wymagać odrzucenia.
W przypadku urządzeń o dużej powierzchni pojedyncza mikrorurka może sprawić, że cała matryca będzie bezużyteczna. Dlatego zmniejszenie gęstości mikrorurek jest niezbędne dla poprawy powierzchni użytkowej urządzenia i obniżenia kosztów produkcji.
Wady podłoża SiC mogą rozprzestrzeniać się w warstwie homoepitaksjalnej wyrosłej na płytce. Wady podłoża związane ze śrubami mogą zatem wpływać na morfologię i jakość krystaliczną przerośniętej epiwarstwy.
Badania nad epitaksją SiC wykazały, że dyslokacje podłoża mogą się replikować lub przekształcać w miarę wzrostu warstwy epitaksjalnej, dlatego jakość defektów podłoża pozostaje istotna nawet po osadzeniu epitaksjalnym.
Przemieszczenie w płaszczyźnie podstawowej, powszechnie określane w skrócie BPD, to przemieszczenie leżące głównie w płaszczyźnie podstawowej sześciokątnego kryształu SiC.
W 4H-SiC płaszczyzna podstawna odpowiada płaszczyźnie krystalograficznej prostopadłej do osi c. W przeciwieństwie do dyslokacji gwintowych, które rozciągają się w przybliżeniu na grubość płytki, BPD mogą przemieszczać się poprzecznie przez kryształ.
BPD mogą powstawać podczas wzrostu kryształów podczas fizycznego transportu pary z powodu naprężenia termicznego, nierównomiernego rozkładu temperatury lub relaksacji odkształceń. Badania wskazują, że naprężenia termoelastyczne w rosnącym krysztale mogą sprzyjać zarodkowaniu i namnażaniu BPD, szczególnie gdy rozdzielone naprężenie ścinające wzdłuż płaszczyzny podstawowej staje się wystarczająco wysokie.
Mogą być również związane z naprężeniami powstającymi podczas chłodzenia, krojenia, mielenia lub innych etapów przetwarzania wafli.
BPD są szczególnie ważne, ponieważ mogą wpływać zarówno na bipolarne, jak i unipolarne urządzenia SiC.
Jednym z najbardziej znaczących zagrożeń związanych z przemieszczeniem płaszczyzny podstawowej jest jego zdolność do działania jako źródło ekspansji spowodowanej uskokiem spiętrzającym.
Kiedy prąd bipolarny przepływa przez urządzenie SiC, rekombinacja elektron-dziura w pobliżu BPD może dostarczyć energię, która umożliwia rozprzestrzenienie się błędu układania w warstwie epitaksjalnej.
Powiększony błąd układania zmienia lokalną strukturę elektroniczną i tworzy obszar o zdegradowanym transporcie przewoźników.
Rozszerzanie spowodowane błędem układania może zwiększyć napięcie przewodzenia bipolarnego urządzenia SiC podczas pracy. Zjawisko to jest powszechnie nazywane degradacją dwubiegunową.
W przeszłości był to główny problem dotyczący niezawodności urządzeń takich jak:
W miarę zwiększania się błędu układania, efektywny obszar przewodzenia może się zmniejszać, a rezystancja urządzenia w stanie włączenia może rosnąć.
Urządzenie może początkowo przejść testy elektryczne, ale po długotrwałym zasilaniu prądem jego działanie stopniowo ulega pogorszeniu.
Chociaż tranzystory MOSFET SiC są klasyfikowane jako urządzenia jednobiegunowe, ich wewnętrzne diody przewodzą prąd bipolarny.
Gdy dioda korpusu działa przez dłuższy czas, ekspansja z powodu błędu układania związana z BPD może powodować dryf napięcia w kierunku przewodzenia lub zwiększoną rezystancję włączenia.
Nowoczesne konstrukcje urządzeń i procesy epitaksjalne znacznie zmniejszyły to ryzyko, ale gęstość BPD pozostaje ważnym czynnikiem, gdy oczekuje się działania korpus-dioda MOSFET.
BPD i powiązane błędy układania mogą modyfikować czas życia lokalnej nośnej, zachowanie rekombinacji i przepływ prądu.
W zależności od ich umiejscowienia i interakcji z innymi defektami, mogą przyczyniać się do:
BPD niekoniecznie powoduje natychmiastową, katastrofalną awarię. Jego wpływ zależy od rodzaju urządzenia, warunków panujących w nim, struktury epitaksjalnej oraz tego, czy dyslokacja pozostaje w płaszczyźnie podstawnej, czy też przekształca się w inny typ dyslokacji.
Podczas wzrostu epitaksjalnego 4H-SiC BPD powstający w podłożu może zachowywać się na dwa główne sposoby.
Może:
Zwykle preferowana jest konwersja na przemieszczenie krawędzi gwintu, ponieważ przemieszczenie krawędzi gwintu jest mniej prawdopodobne, aby wygenerować rozszerzający się błąd układania w płaszczyźnie podstawowej pod wpływem prądu dwubiegunowego.
Badania epitaksji 4H-SiC wykazały, że BPD podłoża przekształcają się w przemieszczenia krawędzi gwintowanej w pobliżu granicy faz. Na zachowanie konwersji wpływa wzrost skokowy i warunki epitaksjalne.
Do ważnych zmiennych procesowych mogą należeć:
Z tego powodu jakości SiC na poziomie urządzeń nie można ocenić wyłącznie na podstawie badania podłoża. Podłoże i warstwę epitaksjalną należy traktować jako zintegrowany system materiałowy.
Chociaż oba są defektami krystalograficznymi, mikrorury i BPD stwarzają różne zagrożenia dla urządzeń.
| Charakterystyczny | Mikrorura | Zwichnięcie płaszczyzny podstawowej |
|---|---|---|
| Podstawowa struktura | Wada związana ze śrubą drążoną | Zwichnięcie leżące głównie w płaszczyźnie podstawnej |
| Typowa orientacja | Mniej więcej wzdłuż osi c | Głównie bocznie w płaszczyźnie podstawowej |
| Główna obawa | Natychmiastowa zabójcza wada | Postępująca degradacja i niezawodność |
| Typowy efekt urządzenia | Wyciek i przedwczesna awaria | Rozszerzanie spowodowane błędem układania i dryf napięcia w kierunku przewodzenia |
| Wpływ na plon | Często powoduje bezpośrednie odrzucenie matrycy | Może powodować opóźnioną lub zależną od warunków pracy awarię |
| Zachowanie epitaksjalne | Może rozprzestrzeniać się poprzez strukturę epitaksjalną | Może rozprzestrzeniać się lub przekształcać w przemieszczenie krawędzi gwintu |
| Najbardziej wrażliwe urządzenia | Urządzenia wysokiego napięcia i wielkopowierzchniowe | Urządzenia bipolarne i diody korpusowe MOSFET |
Mówiąc prościej, mikrorury są często kojarzone z natychmiastową utratą wydajności produkcyjnej, podczas gdy BPD są ściślej powiązane z degradacją operacyjną i długoterminową niezawodnością.
Jednak rzeczywisty skutek każdej wady zależy od jej lokalizacji, rozmiaru, otaczającego pola naprężeń i związku z aktywną strukturą urządzenia.
Żadna pojedyncza metoda kontroli nie zapewnia pełnych informacji na temat każdej wady SiC. Producenci często łączą kilka technik.
Trawienie stopionym wodorotlenkiem potasu selektywnie ujawnia dyslokacje w postaci wgłębień trawiennych na powierzchni SiC.
Mikrorurki, przemieszczenia śrub gwintujących, przemieszczenia krawędzi gwintu i przemieszczenia płaszczyzny podstawy mogą powodować wytrawienie o różnych kształtach i rozmiarach.
Trawienie KOH jest przydatne do pomiaru i badań gęstości defektów, ale jest destrukcyjne, ponieważ modyfikuje powierzchnię płytki. Badanie wytrawionego 6H-SiC wykazało, że zoptymalizowane warunki stopionego KOH mogą ujawnić mikrorurki i wiele typów dyslokacji.
Topografia rentgenowska to nieniszcząca technika mapowania zniekształceń sieci spowodowanych defektami krystalograficznymi.
Może ujawnić:
Synchrotronowa topografia rentgenowska zapewnia szczególnie szczegółowe obrazy defektów i jest szeroko stosowana w zaawansowanych badaniach kryształów SiC i analizie mechanizmów defektów.
Pola naprężeń wokół dyslokacji zmieniają odpowiedź optyczną kryształu. Obrazowanie w świetle spolaryzowanym można zatem wykorzystać do nieniszczącej wizualizacji dyslokacji i wzorców naprężeń szczątkowych.
Niedawne prace podkreśliły, że obserwacja w świetle spolaryzowanym jest szybką metodą wizualizacji defektów i automatycznej kontroli jakości płytek.
Do kontroli warstw epitaksjalnych SiC często stosuje się obrazowanie fotoluminescencyjne.
Może wykrywać defekty aktywne elektrycznie i pomagać w identyfikowaniu błędów układania, cech związanych z BPD i innych niedoskonałości epitaksjalnych.
Można wybrać różne długości fal wzbudzenia, aby sprawdzić różne głębokości lub typy defektów.
Ponieważ mikrorurki zawierają puste w środku rdzenie, niektóre z nich można obserwować za pomocą metod transmisji optycznej lub podczerwieni.
Do mapowania defektów całych płytek można stosować zautomatyzowane systemy kontroli optycznej, chociaż ich zdolność wykrywania zależy od wymiarów defektów, grubości płytki i kontrastu obrazu.
Końcowe testy urządzenia dostarczają dodatkowych dowodów na wpływ defektów podłoża i epitaksjalnych.
Korelacja map defektów z wynikami elektrycznymi może ujawnić, czy dana defekt jest powiązana z:
Ogólnie pożądana jest niższa całkowita gęstość dyslokacji, ale pojedyncza liczba gęstości nie opisuje w pełni jakości podłoża.
Dwie płytki o podobnej ogólnej gęstości defektów mogą zapewniać różną wydajność urządzenia, ponieważ defekty mają różne typy i rozkłady przestrzenne.
Ważne kwestie obejmują:
Płytka przeznaczona do wielu małych urządzeń może tolerować rozkład defektów, który byłby nie do przyjęcia w przypadku małej liczby dużych matryc wysokiego napięcia.
Dlatego specyfikacje podłoża należy oceniać w odniesieniu do planowanej architektury urządzenia i wymiarów matrycy.
Kupując podłoża SiC do epitaksji lub wytwarzania urządzeń, kupujący nie powinni polegać wyłącznie na średnicy, grubości i domieszkowaniu.
Z dostawcą należy również omówić następujące informacje dotyczące usterek.
Zapytaj o maksymalną lub typową gęstość mikrorurki i wyjaśnij, czy wartość dotyczy całej płytki, powierzchni użytkowej czy wybranych punktów pomiarowych.
W przypadku wymagających zastosowań może być wymagana specyfikacja bez mikrorur w obszarze aktywnym.
Zapytaj, w jaki sposób mierzona jest gęstość BPD i czy podana wartość odnosi się do podłoża, warstwy epitaksjalnej czy obu.
Należy określić technikę pomiaru, ponieważ trawienie, topografia rentgenowska i metody optyczne mogą nie dawać bezpośrednio wymiennych wyników.
BPD należy oceniać łącznie z:
Przekształcenie BPD w zwichnięcia gwintowe podczas epitaksji sprawia, że ta łączna ocena jest szczególnie ważna.
W przypadku zastosowań o dużej wartości należy zażądać mapy defektów na poziomie płytki, a nie tylko średniej gęstości.
Mapa defektów ułatwia identyfikację skupisk, defektów związanych z krawędziami i obszarów odpowiednich dla matryc wielkopowierzchniowych.
Potwierdzić, że orientacja podłoża, kąt przycięcia, wykończenie powierzchni i poziom defektów są odpowiednie dla zamierzonego procesu epitaksjalnego.
Propagacja i konwersja BPD może zależeć od warunków wzrostu epitaksjalnego, w tym stosunku C/Si i szybkości wzrostu.
Specyfikacja zakupu powinna określać:
Bez spójnych kryteriów kontroli porównanie wskaźników gęstości defektów od różnych dostawców może być trudne.
Ograniczenie liczby mikrorurek i BPD wymaga kontroli podczas wzrostu kul i produkcji płytek.
Ważne strategie obejmują:
Redukcja mikropipe odniosła ogromne korzyści dzięki ulepszonej technologii wzrostu i selekcji nasion.
Redukcja BPD pozostaje bardziej złożona, ponieważ BPD mogą zarodkować i rozmnażać się pod wpływem stresu termoelastycznego podczas wzrostu buli. Mogą również rozprzestrzeniać się w różny sposób w zależności od warunków epitaksjalnych.
Dopuszczalna specyfikacja wady zależy od końcowego zastosowania.
Mikrorurki i inne defekty, które zwiększają wycieki lub obniżają napięcie przebicia, są krytyczne.
Ponieważ urządzenia Schottky'ego opierają się głównie na transporcie większości nośnych, degradacja bipolarna związana z BPD jest generalnie mniej bezpośrednia niż w diodach PiN. Jednakże defekty podłoża i epiwarstwy mogą w dalszym ciągu wpływać na wydajność i niezawodność.
Aby uzyskać wysoką wydajność rozkładu, konieczna jest niska gęstość mikrorurek.
Kontrola BPD jest również ważna, gdy wewnętrzna dioda korpusu będzie przewodzić podczas pracy konwertera lub testowania niezawodności.
Gęstość BPD jest szczególnie ważna, ponieważ dwubiegunowy wtrysk prądu może wywołać ekspansję z powodu błędu układania i degradację napięcia w kierunku przewodzenia.
Duże matryce mają większe prawdopodobieństwo przecięcia wady zabójczej.
Zastosowania te zazwyczaj wymagają bardziej rygorystycznych specyfikacji defektów i bardziej szczegółowego mapowania całych płytek.
Podłoża klasy testowej lub badawczej mogą tolerować większą gęstość defektów, gdy celem jest testowanie sprzętu, rozwój procesów lub niekrytyczne badania materiałowe.
Jednakże stopień wady powinien być nadal dokumentowany, aby wyniki eksperymentów mogły być prawidłowo interpretowane.
Mikrorurki i przemieszczenia płaszczyzny podstawowej wpływają na działanie podłoża SiC poprzez różne mechanizmy fizyczne.
Mikrorury to wady pustego rdzenia, które mogą powodować poważne wycieki, przedwczesne uszkodzenie i natychmiastową utratę wydajności matrycy. Dyslokacje w płaszczyźnie podstawowej to płaskie defekty krystalograficzne, które mogą rozprzestrzeniać się w warstwie epitaksjalnej lub inicjować ekspansję uskokową pod wpływem prądu dwubiegunowego.
W przypadku urządzeń zasilających SiC jakość podłoża należy zatem oceniać przy użyciu czegoś więcej niż tylko ogólnej specyfikacji gęstości defektów. Kupujący powinni wziąć pod uwagę rodzaj wady, rozmieszczenie przestrzenne, metodę kontroli, zachowanie epitaksjalne i wrażliwość zamierzonej konstrukcji urządzenia.
W miarę ciągłego doskonalenia produkcji płytek SiC, niższa gęstość mikrorur i lepsze zarządzanie BPD pomagają producentom urządzeń osiągnąć wyższą wydajność, stabilniejszą wydajność elektryczną i dłuższą niezawodność działania.
Gęstość mikrorurek w nowoczesnych komercyjnych podłożach SiC jest znacznie niższa niż w materiałach wcześniejszych generacji. Niemniej jednak inspekcja pozostaje ważna, ponieważ pojedyncza mikrorurka może mieć wpływ na duże urządzenie wysokiego napięcia.
Nie koniecznie. Jego działanie zależy od tego, czy przedostaje się do aktywnej epiwarstwy, przekształca się w przemieszczenie nitkowe, czy też sprzyja rozszerzaniu się w trakcie pracy.
Wstrzykiwanie prądu bipolarnego może stymulować rozwój błędów układania pochodzących z BPD. Może to z czasem zwiększyć napięcie przewodzenia i pogorszyć wydajność urządzenia.
Niektóre BPD podłoża mogą przekształcić się w przemieszczenia krawędzi gwintowanej w pobliżu granicy między podłożem a epiwarstwą. Optymalizacja procesu epitaksjalnego może zwiększyć współczynnik konwersji, ale nie eliminuje fizycznie wszystkich defektów krystalograficznych.
Odpowiednia metoda zależy od płytki i zastosowania. Topografia rentgenowska zapewnia szczegółowe, nieniszczące mapowanie defektów, trawienie KOH zapewnia wyraźne wgłębienia po trawieniu dyslokacyjnym, a fotoluminescencja jest szeroko stosowana do kontroli warstwy epitaksjalnej.
Pełne zapytanie powinno określać średnicę płytki, polityp, typ przewodności, domieszkowanie, orientację, kąt odcięcia, grubość, polerowanie, chropowatość powierzchni, gęstość mikrorurki, wymagania dotyczące przemieszczenia, wykluczenie krawędzi, metodę kontroli, ilość i zamierzone zastosowanie.
english
français
Deutsch
Italiano
Русский
Español
português
Nederlandse
ελληνικά
日本語
한국
العربية
Türkçe
polski