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Semikron Innovation Award 2016: Materialfehlerdiagnose für SiC-Wafer ausgezeichnet

Der diesjährige Semikron Innovation Award geht an Forscher des Fraunhofer IISB, der FAU Erlangen-Nürnberg, Infineon und Intego für die Entwicklung eines Messgeräts zur Materialfehlerdetektion auf SiC-Wafern. Was zeichnet das Verfahren aus?

Siliziumkarbid-Wafer haben einen Nachteil gegenüber den Silizium-Wafern: sie weisen deutlich mehr Materialfehler auf. Diese Fehler führen vor allem bei bipolaren SiC-Bauelementen für höhere Spannungsklassen zu Ausfällen. Das Problem dabei ist, dass sie sich nicht durch einen sofortigen Ausfall zeigen, sondern durch eine schleichende Degradation im Betrieb, welche letztendlich zum Ausfall des Systems führt.

Um die Ausfälle in Zukunft zu minimieren, schlossen sich das Fraunhofer-Institut für Integrierte Systeme und Bauelementetechnologie IISB, der Lehrstuhl für Angewandte Physik LAP der Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg, Infineon und Intego zu dem Projekt SiC-WinS zusammen. In dem von der Bayerischen Forschungsstiftung geförderten Projekt arbeitete das Team an einer Verbesserung des qualitätskritischen Prozessschrittes der Epitaxie des Driftgebiets sowie an der Entwicklung und Evaluierung einer neuen Methode zur Qualitätskontrolle. Dieses Diagnoseverfahren wurde nun mit dem Semikron Innovation Award ausgezeichnet.

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Ziel der Forschungspartner war es, die Ursache der Bauelemente-Degradation, sprich: die spezifischen Kristalldefekte in den SiC-Scheiben, durch direkte Abbildung mithilfe der Methode der abbildenden Photolumineszenz (PL) bei Raumtemperatur sichtbar zu machen. Bislang existierte jedoch kein passendes PL-Messgerät, welches schnell genug war, um in der Fertigungslinie Einsatz zu finden. Ein neu entwickeltes PL-Messgerät liefert Aufnahmen ganzer SiC-Wafer und aller darauf teilprozessierten Bauelemente mit einer Auflösung von 2 bis 5 μm. Kritische Bauelemente, die später im Betrieb ausfallen würden, lassen sich so sicher identifizieren und markieren. Die zerstörungsfreie und kontaktlose Messung eines 150-mm-Wafers nimmt dabei weniger als 30 Minuten Zeit in Anspruch und kann nach verschiedenen Zwischenschritten bei der Prozessierung des Wafers wiederholt werden.

Der Nutzen des neuen Messgeräts wurde in Studien nachgewiesen: Leistungshalbleiter, bei deren Herstellungsprozess der PL-Scanner Materialdefekte erkannt hatte, vielen im späteren Betrieb aus, obwohl sie in den Standard-Tests als absolut funktionstüchtig abgeschnitten hatten.

Die Entwicklung eines solchen Messgerätes ist durchaus von großer Bedeutung. Wie oben beschrieben, fielen die besagten Materialfehler in der Regel erst durch den Ausfall der Bauelemente in der Applikation auf. Vor allem in den Parade-Applikationen von SiC-Halbleitern wie im Bereich der erneuerbaren Energien und der zugehörigen Infrastruktur, sprich: in Offshore-Anlagen und den zugehörigen Transformatorstationen, verursacht die Reparatur ausgefallener Leistungselektronik hohe Kosten und ist zudem mit einem enormen Aufwand verbunden. Durch die Prüfung der teilprozessierten SiC-Wafer können defekte Bauelemente vor der Weiterverarbeitung ausgesondert werden. Dadurch steigt die Ausbeute an funktionstüchtigen und zuverlässigen Leistungshalbleitern und damit auch die Systemzuverlässigkeit der Endapplikation. Ausfälle durch solche Materialfehler, der Wartungsaufwand von Systemen und dadurch anfallende Kosten können reduziert werden.

Der Semikron Innovation Award ist mit 10.000 Euro dotiert. Die Preisträger werden in Zusammenarbeit mit dem Europäischen Zentrum für Leistungselektronik ECPE gewählt.