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

1. 導(dǎo)電型SiC襯底：通過(guò)同質(zhì)外延生長(zhǎng)和器件制造工藝，可用于制造SiC二極管、金屬-氧化物半導(dǎo)體場(chǎng)效應(yīng)晶體管（MOSFET）等功率器件。這些器件廣泛應(yīng)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(lǐng)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(yīng)用于5G通信、衛(wèi)星通信、雷達(dá)等領(lǐng)域。

在半導(dǎo)體產(chǎn)業(yè)鏈中，襯底材料作為晶圓制造的基礎(chǔ)，不僅提供物理支撐，還負(fù)責(zé)導(dǎo)熱和導(dǎo)電。特別是在SiC功率半導(dǎo)體器件中，由于采用了同質(zhì)外延技術(shù)，襯底的質(zhì)量直接影響外延材料的品質(zhì)，進(jìn)而決定了功率半導(dǎo)體器件的性能。鑒于SiC襯底在半導(dǎo)體器件制造中的重要性，其質(zhì)量檢測(cè)是確保器件性能的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。本文簡(jiǎn)要介紹下SiC單晶襯底常用的檢測(cè)技術(shù)。

一、幾何參數(shù)

在碳化硅（SiC）襯底的生產(chǎn)和質(zhì)量控制過(guò)程中，幾何參數(shù)的測(cè)量是至關(guān)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(cè)量對(duì)于保證SiC襯底的質(zhì)量和一致性至關(guān)重要。在工業(yè)中，光干涉法是測(cè)量這些幾何參數(shù)的常用方法，因?yàn)樗哂袦y(cè)試速度快、精度高的特點(diǎn)。特別是，美國(guó)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(cè)。這些設(shè)備利用樣品與設(shè)備參考平面反射的光形成的干涉條紋來(lái)識(shí)別樣品的面型和厚度變化。例如，北京天科合達(dá)公司使用的Tropel FlatMaster 200就是用于8英寸SiC襯底面型測(cè)量的典型設(shè)備。這種設(shè)備的應(yīng)用確保了SiC襯底在生產(chǎn)過(guò)程中的高品質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，對(duì)于后續(xù)的半導(dǎo)體器件制造至關(guān)重要。通過(guò)精確測(cè)量襯底的幾何參數(shù)，可以優(yōu)化制造過(guò)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(dá)8英寸SiC襯底平整度測(cè)試結(jié)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(duì)SiC基材料及其制成的半導(dǎo)體器件的性能有著顯著的影響。以下是對(duì)這些晶體缺陷的簡(jiǎn)要說(shuō)明：

1. 點(diǎn)缺陷（Point Defects, PD）：由單個(gè)原子位置的缺失或錯(cuò)誤占位引起，如空位和雜質(zhì)原子。點(diǎn)缺陷會(huì)影響材料的電學(xué)性能和光學(xué)特性。

2. 微管缺陷（Micropipe Defects, MP）：是一種沿晶體生長(zhǎng)軸傳播的空心管狀結(jié)構(gòu)，通常與材料的結(jié)構(gòu)缺陷有關(guān)。微管缺陷會(huì)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(cuò)（Basal Plane Dislocations, BPD）：位于基晶面上的位錯(cuò)，可能在外延層中轉(zhuǎn)化為其他類型的缺陷，如堆垛層錯(cuò)。

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

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

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

圖2. SiC生長(zhǎng)過(guò)程中產(chǎn)生的各種缺陷

在SiC生長(zhǎng)過(guò)程中形成的晶體缺陷和污染可能會(huì)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(jìn)一步轉(zhuǎn)化產(chǎn)生其他缺陷，從而對(duì)SiC器件的性能產(chǎn)生不利影響。因此，對(duì)SiC襯底中的缺陷進(jìn)行精確的檢測(cè)、識(shí)別和統(tǒng)計(jì)是襯底片質(zhì)量監(jiān)控的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

1. 表面缺陷檢測(cè)技術(shù)

- 掃描電子顯微鏡（SEM）：用于觀察樣品的表面微觀結(jié)構(gòu)和缺陷。

- 光學(xué)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(guò)分析材料在電子束激發(fā)下發(fā)出的光來(lái)檢測(cè)晶體中的缺陷。

- 微分干涉對(duì)比顯微鏡（Differential Interference Contrast, DIC）：用于增強(qiáng)樣品表面的對(duì)比度，以觀察表面微觀結(jié)構(gòu)和缺陷。

2. 亞表面缺陷檢測(cè)技術(shù)

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

- X射線形貌（X-Ray Topography, XRT）：用于觀察晶體內(nèi)部的結(jié)構(gòu)和缺陷。

- 光學(xué)相干斷層掃描（Optical Coherence Tomography, OCT）：提供樣品內(nèi)部的斷層圖像，用于檢測(cè)亞表面結(jié)構(gòu)和缺陷。

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

圖3. SiC缺陷檢測(cè)技術(shù)匯總

為準(zhǔn)確識(shí)別表面缺陷，最初常使用氫氧化鉀（KOH）蝕刻法，并在光學(xué)顯微鏡（OM）下觀察，將缺陷放大至可見(jiàn)尺寸。KOH蝕刻能一次性檢測(cè)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(huì)永久損壞樣品。KOH蝕刻后，需對(duì)樣品進(jìn)一步拋光以獲得光滑表面。因破壞性質(zhì)，此法不適用于在線規(guī)?；a(chǎn)。

為實(shí)現(xiàn)在線規(guī)模化生產(chǎn)且不損失檢測(cè)精度，基于光學(xué)的缺陷檢測(cè)技術(shù)更具前景。這些技術(shù)可保護(hù)樣品且大多數(shù)提供快速掃描能力。光學(xué)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(chǎng)、明場(chǎng)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(xué)顯微鏡難以精確檢測(cè)和分類各種缺陷，如堆垛層錯(cuò)和位錯(cuò)。

光致發(fā)光（PL）是常用的亞表面缺陷檢測(cè)技術(shù)之一，適用于在線批量生產(chǎn)。SiC作為間接帶隙半導(dǎo)體，在約380nm波長(zhǎng)附近顯示PL?；赨V激發(fā)的PL技術(shù)用于識(shí)別SiC襯底內(nèi)部缺陷，如基晶面位錯(cuò)（BPD）和堆垛層錯(cuò)（SF）。無(wú)特征PL或與無(wú)缺陷SiC區(qū)域PL對(duì)比度弱的缺陷，如劃痕和螺位錯(cuò)（TSD），可通過(guò)其他方法評(píng)估。

美國(guó)科磊公司（KLA）的Candela 8520集成了五種互補(bǔ)型檢測(cè)技術(shù)，可精細(xì)區(qū)分多類型缺陷并抓取關(guān)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(jí)和密度分布等分析工具，全面的檢測(cè)報(bào)告助力工程師精確改進(jìn)工藝。

圖4. 科磊Candela 8520集成了五種互補(bǔ)型檢測(cè)技術(shù)

X射線衍射形貌（XRT）是一種有效的亞表面檢測(cè)技術(shù)，用于研究SiC襯底的晶體結(jié)構(gòu)。由于X射線的波長(zhǎng)與SiC晶體原子間平面的距離相匹配，XRT能夠準(zhǔn)確評(píng)估襯底的結(jié)構(gòu)特性。該技術(shù)通過(guò)測(cè)量由缺陷引起的應(yīng)變場(chǎng)所導(dǎo)致的衍射強(qiáng)度變化，對(duì)SiC晶體內(nèi)的缺陷進(jìn)行成像。晶體缺陷通常導(dǎo)致晶格間距的變化或晶格周圍的旋轉(zhuǎn)，形成應(yīng)變場(chǎng)。

日本理學(xué)（Rigaku）公司的XRTmicron是一個(gè)快速、高分辨率的X射線形貌系統(tǒng)，用于對(duì)SiC樣品的晶體缺陷進(jìn)行無(wú)損成像。它所配備的XRTToolbox軟件提供標(biāo)準(zhǔn)化的分析程序，方便用戶從XRTmicron測(cè)量中確定螺位錯(cuò)（TSD）和基晶面位錯(cuò)（BPD）的密度。此系統(tǒng)的應(yīng)用使得在保持樣品完整性的同時(shí)，能夠詳細(xì)分析SiC襯底的晶體缺陷，從而為優(yōu)化生產(chǎn)過(guò)程和提高材料質(zhì)量提供關(guān)鍵信息。

圖5. X 射線形貌法得到的 BPD 密度分布（左圖為標(biāo)準(zhǔn)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(cè)SiC襯底表面粗糙度的常用工具。它通過(guò)測(cè)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(lái)研究材料的表面結(jié)構(gòu)和性質(zhì)。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(dāng)針尖靠近樣品表面時(shí)，它們之間的相互作用力會(huì)導(dǎo)致懸臂發(fā)生形變或運(yùn)動(dòng)狀態(tài)變化。通過(guò)掃描樣品并使用傳感器檢測(cè)這些變化，AFM能夠獲取作用力分布信息，從而以納米級(jí)分辨率獲得表面形貌結(jié)構(gòu)及表面粗糙度信息。

與其他表面檢測(cè)方法相比，AFM的優(yōu)勢(shì)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(lái)測(cè)量懸臂的撓度。這些撓度被轉(zhuǎn)化為電信號(hào)，與表面缺陷特征的外觀成正比。因此，AFM是一種高效、精準(zhǔn)的方式，用于分析SiC襯底表面的微觀結(jié)構(gòu)和粗糙度，對(duì)于提升半導(dǎo)體器件的質(zhì)量和性能具有重要意義。

來(lái)源：半導(dǎo)體信息

審核編輯：湯梓紅