碳化硅单晶衬底的常用检测技术何如保证功率半导体器件的性能？

碳化硅（SiC）作为第三代半导体材料，因其宽禁带宽度、高击穿电场强度和高热导率等优异性能，在众多高端应用领域表现出色，已成为半导体材料技术的重要发展方向之一。SiC衬底分为导电型和半绝缘型两种，各自适用于不同的外延层和应用场景：

1. 导电型SiC衬底：通过同质外延生长和器件制造工艺，可用于制造SiC二极管、金属-氧化物半导体场效应晶体管（MOSFET）等功率器件。这些器件广泛应用于新能源汽车、光伏发电、轨道交通、智能电网、航空航天等领域。

2. 半绝缘型SiC衬底：适用于氮化镓（GaN）外延和高电子迁移率晶体管（HEMT）等微波射频器件的制造。这类器件主要应用于5G通信、卫星通信、雷达等领域。

在半导体产业链中，衬底材料作为晶圆制造的基础，不仅提供物理支撑，还负责导热和导电。特别是在SiC功率半导体器件中，由于采用了同质外延技术，衬底的质量直接影响外延材料的品质，进而决定了功率半导体器件的性能。鉴于SiC衬底在半导体器件制造中的重要性，其质量检测是确保器件性能的关键环节。本文简要介绍下SiC单晶衬底常用的检测技术。

一、几何参数

在碳化硅（SiC）衬底的生产和质量控制过程中，几何参数的测量是至关重要的。这些几何参数包括：

1. 厚度（Thickness）：衬底的物理厚度。

2. 总厚度变化（Total Thickness Variation, TTV）：衬底最厚处和最薄处之间的厚度差异。

3. 弯曲度（Bow）：衬底中心与边缘的高度差，反映衬底的整体弯曲情况。

4. 翘曲度（Warp）：衬底整体形状的翘曲程度。

这些参数的精确测量对于保证SiC衬底的质量和一致性至关重要。在工业中，光干涉法是测量这些几何参数的常用方法，因为它具有测试速度快、精度高的特点。特别是，美国康宁（Corning）公司生产的Tropel系列掠入射干涉仪常用于SiC衬底的厚度和平整度检测。这些设备利用样品与设备参考平面反射的光形成的干涉条纹来识别样品的面型和厚度变化。例如，北京天科合达公司使用的Tropel FlatMaster 200就是用于8英寸SiC衬底面型测量的典型设备。这种设备的应用确保了SiC衬底在生产过程中的高品质标准，对于后续的半导体器件制造至关重要。通过精确测量衬底的几何参数，可以优化制造过程，减少缺陷，提高最终产品的性能和可靠性。

图1. 天科合达8英寸SiC衬底平整度测试结果

二、缺陷

在碳化硅（SiC）材料中，缺陷通常分为两大类：晶体缺陷和表面缺陷。这些缺陷对SiC基材料及其制成的半导体器件的性能有着显著的影响。以下是对这些晶体缺陷的简要说明：

1. 点缺陷（Point Defects, PD）：由单个原子位置的缺失或错误占位引起，如空位和杂质原子。点缺陷会影响材料的电学性能和光学特性。

2. 微管缺陷（Micropipe Defects, MP）：是一种沿晶体生长轴传播的空心管状结构，通常与材料的结构缺陷有关。微管缺陷会在晶圆表面形成大的坑状特征，影响器件性能。

3. 基晶面位错（Basal Plane Dislocations, BPD）：位于基晶面上的位错，可能在外延层中转化为其他类型的缺陷，如堆垛层错。

4. 刃位错（Edge Dislocations, TED）：沿特定晶面方向的位错，影响材料的力学和电学特性。

5. 堆垛层错（Stacking Faults, SF）：晶体原子排列顺序的局部扰动，影响电荷载流子的传输。

6. 螺位错（Screw Dislocations, TSD）：晶体中的线性缺陷，影响晶体的结构完整性和电子迁移率。

图2. SiC生长过程中产生的各种缺陷

在SiC生长过程中形成的晶体缺陷和污染可能会延伸到外延层和表面，形成各种表面缺陷，如胡萝卜缺陷、多型夹杂物、划痕等，这些缺陷可能进一步转化产生其他缺陷，从而对SiC器件的性能产生不利影响。因此，对SiC衬底中的缺陷进行精确的检测、识别和统计是衬底片质量监控的关键环节。

1. 表面缺陷检测技术

   - 扫描电子显微镜（SEM）：用于观察样品的表面微观结构和缺陷。    

   - 光学显微镜（OM）：用于观察晶体表面的宏观缺陷和形貌。

   - 阴极发光（Cathodoluminescence, CL）：通过分析材料在电子束激发下发出的光来检测晶体中的缺陷。

   - 微分干涉对比显微镜（Differential Interference Contrast, DIC）：用于增强样品表面的对比度，以观察表面微观结构和缺陷。

2. 亚表面缺陷检测技术

   - 光致发光（Photoluminescence, PL）：通过分析样品在光激发下发出的光来检测晶体中的缺陷和杂质。

   - X射线形貌（X-Ray Topography, XRT）：用于观察晶体内部的结构和缺陷。

   - 光学相干断层扫描（Optical Coherence Tomography, OCT）：提供样品内部的断层图像，用于检测亚表面结构和缺陷。

   - 拉曼光谱（Raman Spectroscopy）：用于分析晶体的晶格振动模式，可以检测晶体中的应力和缺陷。

图3. SiC缺陷检测技术汇总

为准确识别表面缺陷，最初常使用氢氧化钾（KOH）蚀刻法，并在光学显微镜（OM）下观察，将缺陷放大至可见尺寸。KOH蚀刻能一次性检测SiC样品表面下的所有缺陷，制备容易且成本低。但此法不可逆，会永久损坏样品。KOH蚀刻后，需对样品进一步抛光以获得光滑表面。因破坏性质，此法不适用于在线规模化生产。    

为实现在线规模化生产且不损失检测精度，基于光学的缺陷检测技术更具前景。这些技术可保护样品且大多数提供快速扫描能力。光学显微镜最初用于近距离观察样品，适用于检查表面缺陷。其能在暗场、明场和相位模式下生成图像，每种模式提供特定缺陷信息。但光学显微镜难以精确检测和分类各种缺陷，如堆垛层错和位错。

光致发光（PL）是常用的亚表面缺陷检测技术之一，适用于在线批量生产。SiC作为间接带隙半导体，在约380nm波长附近显示PL。基于UV激发的PL技术用于识别SiC衬底内部缺陷，如基晶面位错（BPD）和堆垛层错（SF）。无特征PL或与无缺陷SiC区域PL对比度弱的缺陷，如划痕和螺位错（TSD），可通过其他方法评估。

美国科磊公司（KLA）的Candela 8520集成了五种互补型检测技术，可精细区分多类型缺陷并抓取关键表面形貌缺陷，影响SiC衬底和外延制程控制。系统配备在线缺陷视检、晶粒分级和密度分布等分析工具，全面的检测报告助力工程师精确改进工艺。

图4. 科磊Candela 8520集成了五种互补型检测技术    

X射线衍射形貌（XRT）是一种有效的亚表面检测技术，用于研究SiC衬底的晶体结构。由于X射线的波长与SiC晶体原子间平面的距离相匹配，XRT能够准确评估衬底的结构特性。该技术通过测量由缺陷引起的应变场所导致的衍射强度变化，对SiC晶体内的缺陷进行成像。晶体缺陷通常导致晶格间距的变化或晶格周围的旋转，形成应变场。

日本理学（Rigaku）公司的XRTmicron是一个快速、高分辨率的X射线形貌系统，用于对SiC样品的晶体缺陷进行无损成像。它所配备的XRTToolbox软件提供标准化的分析程序，方便用户从XRTmicron测量中确定螺位错（TSD）和基晶面位错（BPD）的密度。此系统的应用使得在保持样品完整性的同时，能够详细分析SiC衬底的晶体缺陷，从而为优化生产过程和提高材料质量提供关键信息。

图5. X 射线形貌法得到的 BPD 密度分布（左图为标准模式，右图为快扫模式）

三、表面粗糙度

原子力显微镜（AFM）是检测SiC衬底表面粗糙度的常用工具。它通过测量样品表面与微小力敏感元件之间极微弱的原子间相互作用力，来研究材料的表面结构和性质。AFM的核心部件是一根微小的悬臂，其一端固定，另一端带有微小的针尖。当针尖靠近样品表面时，它们之间的相互作用力会导致悬臂发生形变或运动状态变化。通过扫描样品并使用传感器检测这些变化，AFM能够获取作用力分布信息，从而以纳米级分辨率获得表面形貌结构及表面粗糙度信息。    

与其他表面检测方法相比，AFM的优势在于它不受光束衍射极限或透镜像差的影响。它利用悬臂上的探针尖端与SiC衬底表面之间的相互作用力来测量悬臂的挠度。这些挠度被转化为电信号，与表面缺陷特征的外观成正比。因此，AFM是一种高效、精准的方式，用于分析SiC衬底表面的微观结构和粗糙度，对于提升半导体器件的质量和性能具有重要意义。

图6. SiC表面粗糙度AFM图像