碳化硅單晶襯底的常用檢測技術

碳化硅（SiC）作為第三代半導體材料，因其寬禁帶寬度、高擊穿電場強度和高熱導率等優(yōu)異性能，在眾多高端應用領域表現(xiàn)出色，已成為半導體材料技術的重要發(fā)展方向之一。SiC襯底分為導電型和半絕緣型兩種，各自適用于不同的外延層和應用場景：

1. 導電型SiC襯底：通過同質外延生長和器件制造工藝，可用于制造SiC二極管、金屬-氧化物半導體場效應晶體管（MOSFET）等功率器件。這些器件廣泛應用于新能源汽車、光伏發(fā)電、軌道交通、智能電網(wǎng)、航空航天等領域。

2. 半絕緣型SiC襯底：適用于氮化鎵（GaN）外延和高電子遷移率晶體管（HEMT）等微波射頻器件的制造。這類器件主要應用于5G通信、衛(wèi)星通信、雷達等領域。

在半導體產(chǎn)業(yè)鏈中，襯底材料作為晶圓制造的基礎，不僅提供物理支撐，還負責導熱和導電。特別是在SiC功率半導體器件中，由于采用了同質外延技術，襯底的質量直接影響外延材料的品質，進而決定了功率半導體器件的性能。鑒于SiC襯底在半導體器件制造中的重要性，其質量檢測是確保器件性能的關鍵環(huán)節(jié)。本文簡要介紹下SiC單晶襯底常用的檢測技術。

一、幾何參數(shù)

在碳化硅（SiC）襯底的生產(chǎn)和質量控制過程中，幾何參數(shù)的測量是至關重要的。這些幾何參數(shù)包括：

1. 厚度（Thickness）：襯底的物理厚度。

2. 總厚度變化（Total Thickness Variation, TTV）：襯底最厚處和最薄處之間的厚度差異。

3. 彎曲度（Bow）：襯底中心與邊緣的高度差，反映襯底的整體彎曲情況。

4. 翹曲度（Warp）：襯底整體形狀的翹曲程度。

這些參數(shù)的精確測量對于保證SiC襯底的質量和一致性至關重要。在工業(yè)中，光干涉法是測量這些幾何參數(shù)的常用方法，因為它具有測試速度快、精度高的特點。特別是，美國康寧（Corning）公司生產(chǎn)的Tropel系列掠入射干涉儀常用于SiC襯底的厚度和平整度檢測。這些設備利用樣品與設備參考平面反射的光形成的干涉條紋來識別樣品的面型和厚度變化。例如，北京天科合達公司使用的Tropel FlatMaster 200就是用于8英寸SiC襯底面型測量的典型設備。這種設備的應用確保了SiC襯底在生產(chǎn)過程中的高品質標準，對于后續(xù)的半導體器件制造至關重要。通過精確測量襯底的幾何參數(shù)，可以優(yōu)化制造過程，減少缺陷，提高最終產(chǎn)品的性能和可靠性。

圖1. 天科合達8英寸SiC襯底平整度測試結果

二、缺陷

在碳化硅（SiC）材料中，缺陷通常分為兩大類：晶體缺陷和表面缺陷。這些缺陷對SiC基材料及其制成的半導體器件的性能有著顯著的影響。以下是對這些晶體缺陷的簡要說明：

1. 點缺陷（Point Defects, PD）：由單個原子位置的缺失或錯誤占位引起，如空位和雜質原子。點缺陷會影響材料的電學性能和光學特性。

2. 微管缺陷（Micropipe Defects, MP）：是一種沿晶體生長軸傳播的空心管狀結構，通常與材料的結構缺陷有關。微管缺陷會在晶圓表面形成大的坑狀特征，影響器件性能。

3. 基晶面位錯（Basal Plane Dislocations, BPD）：位于基晶面上的位錯，可能在外延層中轉化為其他類型的缺陷，如堆垛層錯。

4. 刃位錯（Edge Dislocations, TED）：沿特定晶面方向的位錯，影響材料的力學和電學特性。

5. 堆垛層錯（Stacking Faults, SF）：晶體原子排列順序的局部擾動，影響電荷載流子的傳輸。

6. 螺位錯（Screw Dislocations, TSD）：晶體中的線性缺陷，影響晶體的結構完整性和電子遷移率。

圖2. SiC生長過程中產(chǎn)生的各種缺陷

在SiC生長過程中形成的晶體缺陷和污染可能會延伸到外延層和表面，形成各種表面缺陷，如胡蘿卜缺陷、多型夾雜物、劃痕等，這些缺陷可能進一步轉化產(chǎn)生其他缺陷，從而對SiC器件的性能產(chǎn)生不利影響。因此，對SiC襯底中的缺陷進行精確的檢測、識別和統(tǒng)計是襯底片質量監(jiān)控的關鍵環(huán)節(jié)。

1. 表面缺陷檢測技術

- 掃描電子顯微鏡（SEM）：用于觀察樣品的表面微觀結構和缺陷。

- 光學顯微鏡（OM）：用于觀察晶體表面的宏觀缺陷和形貌。

- 陰極發(fā)光（Cathodoluminescence, CL）：通過分析材料在電子束激發(fā)下發(fā)出的光來檢測晶體中的缺陷。

- 微分干涉對比顯微鏡（Differential Interference Contrast, DIC）：用于增強樣品表面的對比度，以觀察表面微觀結構和缺陷。

2. 亞表面缺陷檢測技術

- 光致發(fā)光（Photoluminescence, PL）：通過分析樣品在光激發(fā)下發(fā)出的光來檢測晶體中的缺陷和雜質。

- X射線形貌（X-Ray Topography, XRT）：用于觀察晶體內部的結構和缺陷。

- 光學相干斷層掃描（Optical Coherence Tomography, OCT）：提供樣品內部的斷層圖像，用于檢測亞表面結構和缺陷。

- 拉曼光譜（Raman Spectroscopy）：用于分析晶體的晶格振動模式，可以檢測晶體中的應力和缺陷。

圖3. SiC缺陷檢測技術匯總

為準確識別表面缺陷，最初常使用氫氧化鉀（KOH）蝕刻法，并在光學顯微鏡（OM）下觀察，將缺陷放大至可見尺寸。KOH蝕刻能一次性檢測SiC樣品表面下的所有缺陷，制備容易且成本低。但此法不可逆，會永久損壞樣品。KOH蝕刻后，需對樣品進一步拋光以獲得光滑表面。因破壞性質，此法不適用于在線規(guī)?；a(chǎn)。

為實現(xiàn)在線規(guī)?；a(chǎn)且不損失檢測精度，基于光學的缺陷檢測技術更具前景。這些技術可保護樣品且大多數(shù)提供快速掃描能力。光學顯微鏡最初用于近距離觀察樣品，適用于檢查表面缺陷。其能在暗場、明場和相位模式下生成圖像，每種模式提供特定缺陷信息。但光學顯微鏡難以精確檢測和分類各種缺陷，如堆垛層錯和位錯。

光致發(fā)光（PL）是常用的亞表面缺陷檢測技術之一，適用于在線批量生產(chǎn)。SiC作為間接帶隙半導體，在約380nm波長附近顯示PL?；赨V激發(fā)的PL技術用于識別SiC襯底內部缺陷，如基晶面位錯（BPD）和堆垛層錯（SF）。無特征PL或與無缺陷SiC區(qū)域PL對比度弱的缺陷，如劃痕和螺位錯（TSD），可通過其他方法評估。

美國科磊公司（KLA）的Candela 8520集成了五種互補型檢測技術，可精細區(qū)分多類型缺陷并抓取關鍵表面形貌缺陷，影響SiC襯底和外延制程控制。系統(tǒng)配備在線缺陷視檢、晶粒分級和密度分布等分析工具，全面的檢測報告助力工程師精確改進工藝。

圖4. 科磊Candela 8520集成了五種互補型檢測技術

X射線衍射形貌（XRT）是一種有效的亞表面檢測技術，用于研究SiC襯底的晶體結構。由于X射線的波長與SiC晶體原子間平面的距離相匹配，XRT能夠準確評估襯底的結構特性。該技術通過測量由缺陷引起的應變場所導致的衍射強度變化，對SiC晶體內的缺陷進行成像。晶體缺陷通常導致晶格間距的變化或晶格周圍的旋轉，形成應變場。

日本理學（Rigaku）公司的XRTmicron是一個快速、高分辨率的X射線形貌系統(tǒng)，用于對SiC樣品的晶體缺陷進行無損成像。它所配備的XRTToolbox軟件提供標準化的分析程序，方便用戶從XRTmicron測量中確定螺位錯（TSD）和基晶面位錯（BPD）的密度。此系統(tǒng)的應用使得在保持樣品完整性的同時，能夠詳細分析SiC襯底的晶體缺陷，從而為優(yōu)化生產(chǎn)過程和提高材料質量提供關鍵信息。

圖5. X 射線形貌法得到的 BPD 密度分布（左圖為標準模式，右圖為快掃模式）

三、表面粗糙度

原子力顯微鏡（AFM）是檢測SiC襯底表面粗糙度的常用工具。它通過測量樣品表面與微小力敏感元件之間極微弱的原子間相互作用力，來研究材料的表面結構和性質。AFM的核心部件是一根微小的懸臂，其一端固定，另一端帶有微小的針尖。當針尖靠近樣品表面時，它們之間的相互作用力會導致懸臂發(fā)生形變或運動狀態(tài)變化。通過掃描樣品并使用傳感器檢測這些變化，AFM能夠獲取作用力分布信息，從而以納米級分辨率獲得表面形貌結構及表面粗糙度信息。

與其他表面檢測方法相比，AFM的優(yōu)勢在于它不受光束衍射極限或透鏡像差的影響。它利用懸臂上的探針尖端與SiC襯底表面之間的相互作用力來測量懸臂的撓度。這些撓度被轉化為電信號，與表面缺陷特征的外觀成正比。因此，AFM是一種高效、精準的方式，用于分析SiC襯底表面的微觀結構和粗糙度，對于提升半導體器件的質量和性能具有重要意義。

來源：半導體信息

審核編輯：湯梓紅