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El proceso de fabricación de cualquier semiconductor se puede dividir en cinco fases principales: crecimiento de cristales, corte y esmerilado, pulido, crecimiento epitaxial (epi) y fabricación de dispositivos. El tercer paso, al que comúnmente nos referimos como «pulido», es la etapa final de la fabricación del sustrato. Este paso es particularmente importante para alisar atómicamente la superficie del sustrato y lograr un alto nivel de planeidad, que es esencial para el procesamiento posterior de la oblea.
Aunque el pulido químico-mecánico (CMP) ha sido la técnica más utilizada para pulir sustratos durante algún tiempo, una tecnología recientemente introducida, Plasma Polish Dry Etch (PPDE), está emergiendo como una alternativa válida, la de Oxford Instruments Plasma Technology, una Unidad de negocios de Oxford Instruments, propuso Oxford Instruments Plc., que puede superar algunas de las limitaciones de CMP.
En la reciente Conferencia Internacional sobre Carburo de Silicio y Materiales Relacionados (ICSCRM), celebrada del 11 al 16 de septiembre de 2022, en Davos, Suiza, Oxford Instruments presentó su nuevo proceso de pulido por plasma para sustratos de SiC. Anunciado como un reemplazo directo de la tecnología CMP tradicional, Plasma Polish tiene como objetivo encajar perfectamente en la brecha de demanda en la que se encuentra actualmente CMP.
Grabado en seco con pulido con plasma
Este artículo se centra en la tecnología PPDE desarrollada por Oxford Instruments, una empresa fundada como spin-out de la Universidad de Oxford a finales de la década de 1950. En la actualidad, la empresa proporciona productos y servicios de alta tecnología a muchas de las empresas y comunidades de investigación científica líderes en el mundo.
«Diría que casi el 50 % de nuestro negocio en Plasma Technology se centra en la investigación y el desarrollo corporativos y en el mundo académico», dijo Brian Dlugosch, vicepresidente de mercados de producción estratégica de Oxford Instruments Plasma Technology. “Sin embargo, el 50 % restante de nuestro negocio se basa en servir a los clientes de fabricación, pero hay un cambio significativo hacia la producción a medida que nuestras soluciones compuestas ganan protagonismo en los mercados de alto crecimiento que dependen de materiales avanzados”.
Según Dlugosch, el carburo de silicio es uno de los productos que Oxford Instruments quiere poner en producción en grandes cantidades debido a la alta demanda del mercado de este semiconductor y el proceso de fabricación resultante.
Según el análisis de mercado, la previsión de suministro de obleas de 6 pulgadas en la industria automotriz está creciendo con una clara brecha de demanda, lo que es un verdadero desafío para toda la industria electrónica. La solución actualmente es de 150 mm, pero el hardware es de 200 mm adecuado para la producción. El enfoque patentado de la empresa garantiza una superficie y una parte inferior del sustrato de SiC lisas y sin daños. Este logro es esencial para permitir el crecimiento epitaxial de baja densidad de defectos.
“CMP tiene limitaciones que podrían retrasar la adopción de SiC en dispositivos utilizados en electromovilidad y energía sostenible. Plasma Polish puede superar estas limitaciones y escalar para satisfacer las necesidades de estos mercados de alto crecimiento”, dijo Dlugosch.
La técnica de pulido por plasma es escalable y proporciona los mismos resultados para los sustratos de SiC, independientemente del tamaño de la oblea. Esto permite el uso de técnicas de manejo, monitoreo y control de obleas estándar de la industria que reducen el tiempo de contacto al tiempo que aumentan el rendimiento y la eficiencia.
Además de la falta de escalado, CMP sufre algunas limitaciones que incluyen altos costos ambientales y, en última instancia, altos costos operativos, incluidos los subproductos de lodos que son costosos de comprar, costosos de eliminar y requieren un uso extremo de agua. Casi el 40% del consumo de agua en una planta de fabricación de semiconductores está relacionado con CMP. Además, la presión física que CMP ejerce sobre la oblea significa que pueden ocurrir problemas de agrietamiento.
«El primer beneficio de nuestro proceso de pulido por plasma es la reducción de costos», dijo Dlugosch. «En comparación con CMP, los costos de pulido por plasma por oblea son más bajos, se utilizan menos productos químicos y consumibles, y la estabilidad del proceso mejora significativamente».
Los procesos químico-mecánicos estresan el sustrato, lo que aumenta la pérdida y rotura de las obleas. Cuando las partículas rayan el SiC, quedan rayas en la superficie. Plasma Polish es un proceso sin contacto para eliminar selectivamente el SiC dañado de la superficie mientras se mantiene una buena calidad superficial.
Otros beneficios del PPDE incluyen un menor costo por oblea, menor uso de productos químicos y consumibles, y mejor estabilidad del proceso y MTBC.
Un aspecto crítico para comprender lo que sucede sobre y debajo de la superficie de la oblea es que más suave no necesariamente es igual a mejor. CMP aplana muy bien la superficie de SiC y deja una topografía plana, pero no siempre es eficiente para detectar daños en el subsuelo. Por el contrario, Plasma Polish se dirige selectivamente al material defectuoso y dañado que está débilmente unido y se graba más fácilmente. Este último aspecto se destaca en los gráficos de la Figura 1. Lo que queda no es necesariamente más suave, sino un cristal de mayor calidad.
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validación del proceso
Oxford Instruments ha validado su proceso de pulido por plasma en dos pasos. El primero consistió en validar las propiedades de la capa epi mediante grabado con KOH, candela y rugosidad superficial epi. El segundo paso implicó la validación de los sustratos pulidos con plasma a través de la fabricación de dispositivos en colaboración con su socio Clas-SiC Wafer Fab. Clas-SiC, que opera desde su fundición en Escocia, recibió obleas preparadas con CMP y PPDE y evaluó la calidad de las obleas haciéndolas pasar por la misma línea de equipos para diodos y MOSFET. Se calificaron obleas enteras de dispositivos MOSFET SiC de 1200 V y proporcionaron resultados paramétricos y rendimientos que son comparables, o quizás ligeramente mejores, que las obleas preparadas con CMP en términos de rendimiento.
En última instancia, la evaluación realizada por Clas-SiC mostró que Epi crecido en sustratos PPDE tiene las mismas propiedades que el crecido en sustratos CMP y los dispositivos MOSFET mostraron un rendimiento comparable. Oxford Instruments compartió datos completos de rendimiento de obleas obtenidos de Clas-SiC en el ICSCRM reciente.
«Creemos que nuestra solución ofrece ventajas significativas a CMP como una solución ecológica con costos más bajos y rendimientos potencialmente más altos», dijo Dlugosch.
Actualmente, los sustratos de SiC son escasos debido a la gran demanda, y los semiconductores de banda prohibida ancha fabricados en los sustratos también tienen demanda. Se necesitan nuevas soluciones, ya que se espera que esta brecha en la fabricación crezca exponencialmente a medida que los mercados de vehículos eléctricos y energía sostenible en rápido crecimiento utilizan más de estos semiconductores compuestos en sus aplicaciones. Según Oxford Instruments, el pulido por plasma es un reemplazo plug-and-play para CMP, que reduce inmediatamente el costo por oblea con un esfuerzo operativo reducido, pero también es una tecnología clave para acelerar la transición a 200 mm.
«Hemos validado y comercializado una alternativa más limpia, ecológica y rentable a CMP que tiene el potencial de superar las limitaciones tecnológicas de CMP y acelerar la adopción de SiC en algunas aplicaciones realmente interesantes», dijo Dlugosch.
Para que todos los automóviles en la carretera estén electrificados, no solo los vehículos eléctricos con mayor alcance deberían ser la norma, sino que las baterías también deberían ser más asequibles y más rápidas de cargar. A medida que el silicio alcanza sus límites teóricos, la industria está cambiando a SiC para la electrónica de potencia debido a su banda prohibida más amplia, mayor campo eléctrico de descomposición y mayor conductividad térmica. De hecho, los MOSFET basados en SiC logran pérdidas más bajas, frecuencias de conmutación más altas y densidades de potencia más altas que los dispositivos de silicio.
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