前段時間，因為我之前在某平臺上分享了一篇關(guān)于“半導(dǎo)體碳化硅（SiC）同質(zhì)外延層厚度無損紅外反射光譜法的分析詳解；”的文章而被很多同行或是有興趣的朋友所關(guān)注，所以，本章節(jié)就“三代半碳化硅（SiC）同質(zhì)外延層厚度無損檢測技術(shù)”再度跟大家聊一聊。

大家都知道：近年來，5G通信、新能源汽車、光伏行業(yè)推動了第三代半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC）技術(shù)的快速發(fā)展。相較于成熟的硅（Si）材料，SiC具有禁帶寬、擊穿電場高、電子飽和遷移率高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)良的物理化學(xué)特性，是制備高溫、高壓、高頻、大功率器件的理想材料，如電力轉(zhuǎn)換器、光伏逆變器、射頻放大器、濾波器等。

而SiC功率器件往往需要通過在SiC 襯底上生成所需的薄膜材料形成外延片，從而更易于獲得完美可控的晶體結(jié)構(gòu)，更利于材料的應(yīng)用開發(fā)。隨著外延生長技術(shù)的進(jìn)步，SiC外延層厚度也從幾μm發(fā)展到上百μm，也從同質(zhì)外延發(fā)展為異質(zhì)等多種晶體。

對外延片品質(zhì)影響最大的是外延層的厚度以及電阻率的均勻性,因此在實際生產(chǎn)中對延片的厚度進(jìn)行測量是很重要的一環(huán)。

一、碳化硅（SiC）外延厚度測定原理

在硅同質(zhì)/異質(zhì)外延生產(chǎn)中，紅外傅立葉變換光譜技術(shù)（FTIR）是測試硅外延層厚度一種非常成熟的方法，具有準(zhǔn)確、快速、無損等優(yōu)勢，非常適合工業(yè)化使用。因此在碳化硅外延厚度測定上也得到了推廣應(yīng)用，已形成了《GB/T 42905-2023碳化硅外延層厚度的測試 紅外反射法》標(biāo)準(zhǔn)。

儀器測試原理：襯底與外延層因摻雜濃度不同而導(dǎo)致的不同折射率，紅外光入射到外延層后，一部分從襯底表面反射回來，一部分從外延層表面反射出來，這兩束光在一定條件下會產(chǎn)生干涉條紋，根據(jù)干涉條紋的數(shù)量、折射率以及紅外光入射角可以計算出外延層的厚度d（原理示意圖如下）：

通常的計算公式如下：

式中，d表示厚度，單位μm；M表示不同波數(shù)間的峰個數(shù)；n表示鍍膜材料折射率；θ表示入射角；，1/λ2 、1/λ1 表示波數(shù)。

采用FTIR配合顯微分析技術(shù)，可避免損傷晶圓，實現(xiàn)SiC外延層厚度的測試。

二、碳化硅（SiC）外延厚度測試方法

當(dāng)前，因為中國半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)經(jīng)驗積累比較薄弱，而碳化硅（SiC）外延工藝技術(shù)要攻克的難點(diǎn)又比較多，所以如我在之前分享的文章中講到的一樣，目前外延層厚度測試方法有：掃描電鏡SEM法，可以通過晶界獲得比較準(zhǔn)確的厚度結(jié)果，但是對樣品有一定的破壞性或需要切片后通過測試橫截面，對于批量生產(chǎn)的外延企業(yè)來講不是很友好；

另外此方法還僅限于在同質(zhì)外延工藝上，因為同質(zhì)外延由于晶型相同只是載流子濃度不同，晶界的區(qū)分上也有難度。光學(xué)方法，可實現(xiàn)非接觸無損檢測，而且可以測試整片外延晶圓片。比較常見的有基于規(guī)則干涉條紋的Fabry-Perot干涉結(jié)合經(jīng)驗公式算法，如紫外可見反射光譜法，紅外反射光譜法，基于規(guī)則周期性干涉條紋及經(jīng)驗公式 d=1/(n*Δ?)1方法，有一定的局限性，受折射率取值及頻率選取范圍影響較大；以及基于物理模型的擬合計算方法，如橢圓偏振儀，而橢圓偏振儀一般采用的光波波長是紫外到近紅外波段，比較適合測試較薄的幾十納米到幾百納米尺度厚的外延/膜層厚度。功率器件根據(jù)器件工作電壓，外延層厚度基本都在微米量級，工作電壓越高外延層厚度越厚，而紅外光波長1-20微米，剛好跟微米尺度厚度的寬禁帶化合物半導(dǎo)體外延層厚度相當(dāng)，可以在此波段獲得外延層的光學(xué)特征。

而講到的：利用紅外反射光譜法可測量半導(dǎo)體外延層厚度，無論硅基還是化合物半導(dǎo)體，且測量精度極高。此方法是基于紅外光在層狀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的光干涉效應(yīng)的分析，結(jié)合基礎(chǔ)的物理自洽擬合模型，充分利用所測得的寬范圍外延層譜學(xué)特征，利用介電函數(shù)對于不同摻雜濃度、不同波段折射率參數(shù)、阻尼很難準(zhǔn)確確定的情況下，無需考慮折射率取值及波段范圍，利用擬合方式對所測得的全譜譜學(xué)特征進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合給出準(zhǔn)確的外延層厚度值。不僅可用于單層外延層層厚分析，更重要的還可以用于復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)外延層層厚分析。

當(dāng)然，上面講到的擬合方式及擬合算法，我們也要考慮到相關(guān)的一些重要參數(shù)：

1、襯底和外延層的載流子濃度（對應(yīng)樣品摻雜濃度和譜圖中的等離子邊）；

2、阻尼（對應(yīng)樣品每個波長下對應(yīng)的折射率和譜圖中干涉條紋的衰減行為）；

3、襯底和外延層的電學(xué)性質(zhì)（如：偏金屬性、偏半導(dǎo)體性、或偏絕緣性等）；

4、外延層層數(shù)（每一層中的上述參數(shù)均單獨(dú)考慮）；

5、外延層厚度（每一層）；

所以，擬合模型對于厚度、載流子濃度、阻尼是非常靈敏的，如下圖所示：

同時，紅外光譜法還可以結(jié)合布魯克INVENIO，VERTEX系列寬波段光譜儀，可用于亞微米量級至毫米量級的外延層層厚的分析。

厚度范圍：亞微米量級至毫米量級

同質(zhì)外延、異質(zhì)外延

單層、多層

專用的分析模型，尤其對于復(fù)雜、多層結(jié)構(gòu)的分析

可選自動晶圓掃描成像附件，可對直徑2"—12"的晶圓進(jìn)行自動多點(diǎn)測試、分析：

三、碳化硅（SiC）外延厚度的測試方法

以下是要跟大家分享的：GB-T-42905-2023碳化硅外延層厚度的測試——紅外反射法的國標(biāo)詳細(xì)內(nèi)容：

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四、碳化硅（SiC）外延均勻性測試

對于SiC晶圓，外延層厚度理論值11 μm，測試不同位置（0~16號位點(diǎn)）處的外延層厚度。樣品無需前處理，直接進(jìn)行顯微紅外無損測試。

觀察不同位點(diǎn)在2500~3500cm-1波段下的紅外光譜重疊圖，可見明顯的干涉條紋。

隨后分別測定了樣品標(biāo)記的17個位點(diǎn)，每個位點(diǎn)重復(fù)測試5次， 17個位點(diǎn)的厚度平均值為11.115微米，總的RSD值為2.13%，與理論值偏差1.05%。

從不同位點(diǎn)外延層厚度結(jié)果來看，SiC晶圓外延厚度并非完全均一，呈現(xiàn)邊緣薄，中間厚的趨勢。

五、碳化硅（SiC）外延厚度測量設(shè)備國產(chǎn)化趨勢

近年來半導(dǎo)體設(shè)備的周期性正在減弱，行業(yè)增長趨勢加強(qiáng)。而在半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)量測設(shè)備市場中，科磊、應(yīng)用材料、日立高新技術(shù)等外國企業(yè)形成了巨頭壟斷優(yōu)勢，國產(chǎn)化率極低。在細(xì)分領(lǐng)域，F(xiàn)TIR晶圓量測設(shè)備也大多依賴國外廠商進(jìn)口。

作為一些較早布局半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域的中國本土企業(yè)，早已針對晶圓類產(chǎn)品可提供高精度光學(xué)檢測設(shè)備了，這些設(shè)備將應(yīng)用于半導(dǎo)體前道量測，主要針對硅外延/碳化硅外延層厚度進(jìn)行測量。設(shè)備采用了高精算法、Load Port、控制軟件以及FTIR光路系統(tǒng)。他們自主研發(fā)的FTIR光路系統(tǒng)，可快速檢測晶圓厚度，實現(xiàn)了掃描速度快、分辨率高、靈敏度高等需求。通過對比發(fā)現(xiàn)，國產(chǎn)檢測設(shè)備具有如下兩大優(yōu)勢：

1、兼容性強(qiáng)，可基于客戶需求進(jìn)行定制化

目前FTIR傅里葉紅外晶圓測量設(shè)備國內(nèi)市場嚴(yán)重依賴進(jìn)口，而進(jìn)口設(shè)備大多為預(yù)設(shè)程序，兼容性低，且無法為國內(nèi)企業(yè)進(jìn)行定制化改造。而國產(chǎn)檢測設(shè)備可滿足客戶不同需求，按照客戶要求進(jìn)行設(shè)備定制化，如對接客戶MES系統(tǒng)或依據(jù)工程師習(xí)慣進(jìn)行軟件改進(jìn)，可大幅降低客戶的使用及維護(hù)成本。

2、測量時間更短，精度更高

國產(chǎn)設(shè)備在測量硅晶圓速度、單片硅晶圓測量時間、測量精度、測試重復(fù)性、單點(diǎn)重復(fù)性等性能都達(dá)到了國際領(lǐng)先水平，部分性能甚至超越國外同類產(chǎn)品。

六、碳化硅（SiC）外延厚度及均勻性無損檢測技術(shù)的Q/A

1、Q：在擬合 SiC on SiC 以及 Si on Si 的 反射率-波數(shù)圖像時，折射率應(yīng)該采用何種建模方式？目前采用圖片中的方式進(jìn)行折射率建模，最終得到的 SiC on SiC 擬合圖像在大于1000cm-1和小于700cm-1的部分反射率振幅均明顯大于實測數(shù)據(jù)（我們已經(jīng)嘗試過使用各種起始參數(shù)優(yōu)化，最終的擬合圖像均存在這個問題）。

A：針對于碳化硅外延 SiC on SiC和 Si on Si這兩種情況，折射率的建模方式是有根本性的不同。其核心原則是：外延層與襯底的材料屬性決定了模型的復(fù)雜度和折射率的處理方式。所以，對于 Si on Si一般會采用固定且相同的折射率模型，只擬合厚度。這是驗證系統(tǒng)的“標(biāo)尺”。而對于 SiC on SiC，就會采用以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并允許微小浮動修正的折射率模型。同時擬合厚度和微調(diào)折射率，以補(bǔ)償摻雜和缺陷帶來的差異。BEMA 是實現(xiàn)這種修正的常用且有效的手段。通過這種分級建模 approach，你可以從簡單的 Si on Si 系統(tǒng)中建立信心，然后成功地應(yīng)用到更復(fù)雜的 SiC on SiC 外延工藝監(jiān)控中，精確地提取出外延層厚度和光學(xué)性質(zhì)信息。而關(guān)于折射率的數(shù)據(jù)庫那部分，SiC的可查閱權(quán)威的光學(xué)手冊（如 Handbook of Optical Constants of Solids by Palik）、晶體數(shù)據(jù)庫（如 ICSD）或研究論文（搜索 “optical constants of 4H-SiC”, “ellipsometry on SiC”）。而Si已非常成熟哪里都可以查。

Q：目標(biāo)是實現(xiàn)SiC on SiC以及Si on Si的全譜擬合。目前利用菲涅爾公式建立了基本的薄膜干涉光學(xué)模型。并通過drude-lorentz 模型建模折射率，但是該模型在擬合SiC on SiC時存在振幅過大的問題，擬合Si on Si時效果也很差。為何Si on Si隨著波數(shù)增大出現(xiàn)了振幅衰減的情況？我又該如何修正模型使擬合圖像更接近真值？

A：首先，因為反射光譜在波數(shù)域上是等間隔振蕩的，其振蕩頻率（f）與厚度（d）成正比。所以我們在做完整的反射率模型時是一定要考慮振幅的問題。另外，我們還要了解模型中振蕩周期的來源，從而進(jìn)行精確的擬合，需要建立完整的反射率表達(dá)式。這需要用到傳輸矩陣法（TMM） 或菲涅爾方程呢。

所以，一開始就有強(qiáng)調(diào)在引入色散模型時折射率 n(λ) 是關(guān)鍵。因為碳化硅的折射率 n 并非常數(shù)，它隨著波長 λ 變化，這種關(guān)系稱為色散。忽略色散會導(dǎo)致厚度計算出現(xiàn)巨大誤差。因此，必須用一個準(zhǔn)確的色散模型來描述 n(λ)?？紤]并修正了以上這些，在最后的參數(shù)擬合時，無論從理論還是到測量相對來說都會接近或是準(zhǔn)確到我們擬合算法的結(jié)果的，因為這個是融合了物理學(xué)、光學(xué)和數(shù)學(xué)算法的模型，使得通過簡單快速的非接觸式光學(xué)測量來精確測定碳化硅外延層厚度成為可能的，因此其中的相互配合和一致性與兼容性也是比較重要的。

2、Q：在用紅外反射光譜法測量碳化硅外延層厚度時，這個圖像是從紅外光譜儀上得到的對嗎？如何理解這個縱坐標(biāo)反射率呢？這種高低起伏變化的規(guī)律，以及波數(shù)大概大于1500之后為什么會出現(xiàn)周期性的反射率？

A：上圖圖像確實是從紅外光譜儀上得到的，同時，這個圖像也是非常典型的，正是紅外光譜儀測量SiC外延層厚度后直接得到的原始光譜圖。所以，這種技術(shù)被稱為傅里葉變換紅外反射光譜（FTIR Reflectance Spectroscopy）。您看到的圖像中起伏的、像波浪一樣的曲線，就是由這種干涉現(xiàn)象形成的，稱為干涉條紋（Interference Fringes）。這些條紋的形態(tài)（周期、振幅）直接包含了外延層厚度的信息。而至于您問到:如何理解這個縱坐標(biāo)“Modified Reflectance”（修正反射率）的問題，這是一個非常關(guān)鍵的概念。縱坐標(biāo)不是簡單的絕對反射率，而是經(jīng)過數(shù)學(xué)處理的“修正”后的值。這樣做的核心目的是通過除以（或與）襯底的反射率進(jìn)行歸一化處理，可以消除掉由材料本身光學(xué)性質(zhì)（如折射率）和表面粗糙度等因素引起的影響，從而凸顯出純粹由外延層干涉效應(yīng)產(chǎn)生的信號。簡單來說： “Modified Reflectance”是一個經(jīng)過歸一化處理的、背景被拉平了的相對反射率。它的數(shù)值大小本身沒有絕對的物理意義（比如60%并不代表絕對反射了60%的光），但其波峰和波谷的周期性變化極其重要。厚度計算正是基于這些波峰波谷之間的距離（即干涉周期）來完成的。所以，綜合來說，您看到的那張圖正是FTIR厚度測量中最核心、最標(biāo)準(zhǔn)的輸出結(jié)果圖像。橫坐標(biāo)是波數(shù)（cm?1），縱坐標(biāo)是經(jīng)過歸一化處理的“修正反射率”，其干涉條紋的疏密直接反映了外延層的厚?。l紋越密，外延層越厚）。

Q：0到1000波數(shù)之間那個突增的高峰是怎么出現(xiàn)的呢？以及怎樣由圖中波數(shù)、反射率去計算外延層的厚度？

A：0到1000波數(shù)之間的突增高峰的出現(xiàn)與測量原理無關(guān)，它是一個由實驗系統(tǒng)本身產(chǎn)生的假信號（Artifact）。因此，這個高峰不是SiC樣品本身的真實光學(xué)響應(yīng)，而是儀器本身的限制所導(dǎo)致的假象。在分析數(shù)據(jù)時，這個區(qū)域通常會被忽略或剔除。而計算厚度的原理是基于光學(xué)干涉效應(yīng)。您可以看到在1500-2500 cm?1范圍內(nèi)，反射譜呈現(xiàn)出明暗相間的周期性震蕩條紋。這些條紋就是干涉條紋。所以，低波數(shù)高峰是儀器分束器（KBr）導(dǎo)致的假信號，可忽略。而計算厚度則是利用干涉條紋的周期性和公式 d = 1/(2n Δν) 進(jìn)行計算，其中關(guān)鍵是要從圖中讀出相鄰干涉極值點(diǎn)之間的波數(shù)差 Δν，并使用正確的折射率 n。

3、Q：碳化硅（SiC）外延厚度紅外線無損檢測的擬合模型是什么？以及擬合參數(shù)又是什么？

A：碳化硅外延層的紅外測量基于紅外光在薄膜層中產(chǎn)生的干涉效應(yīng)。當(dāng)一束寬光譜的紅外光照射到外延片時，會在空氣/外延層界面和外延層/襯底界面發(fā)生反射和透射。這些反射光之間會發(fā)生相長干涉和相消干涉，從而在測量得到的光譜上形成周期性的干涉條紋（即干涉圖譜）。擬合模型的核心任務(wù)就是通過分析這些干涉條紋的周期性和強(qiáng)度，反向推導(dǎo)出外延層的厚度。所以，擬合模型主要分為兩大類：物理模型和簡化經(jīng)驗?zāi)Ｐ?。而至于擬合參數(shù)，大致可以分為兩類：被擬合參數(shù)和固定參數(shù)。因此，當(dāng)您問到“擬合模型”時，通常指的是基于菲涅爾方程和傳遞矩陣法的物理模型。而“擬合參數(shù)”主要指外延層厚度（d），但這個結(jié)果的準(zhǔn)確性極度依賴于預(yù)先設(shè)置的固定參數(shù)——特別是外延層和襯底的光學(xué)常數(shù)（n, k）。商業(yè)儀器的軟件已經(jīng)內(nèi)置了經(jīng)過驗證的SiC材料光學(xué)常數(shù)數(shù)據(jù)庫，這是其測量準(zhǔn)確的核心保障。

七、寫在最后面的話

目前，全球各大晶圓廠加速擴(kuò)產(chǎn)，在復(fù)雜的地緣政治因素影響下，國產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備迎來發(fā)展良機(jī)且站在了時代的風(fēng)口，不斷創(chuàng)新發(fā)展。多年來，國內(nèi)也有很多低調(diào)的企業(yè)在晶圓量測設(shè)備領(lǐng)域不斷深耕，憑借突出的技術(shù)優(yōu)勢以及優(yōu)秀的產(chǎn)品表現(xiàn)，為半導(dǎo)體晶圓前道量檢應(yīng)用場景提供了一系列可以替換進(jìn)口的國產(chǎn)化解決方案，致力擔(dān)綱國產(chǎn)化重任，力做國產(chǎn)晶圓量測設(shè)備領(lǐng)航者，特別是本章節(jié)講到的三代半碳化硅（Sic）外延層厚度及均勻性無損檢測技術(shù)所使用到的“紅外反射光譜法”相關(guān)國產(chǎn)替代設(shè)備，更使得半導(dǎo)體行業(yè)有一個質(zhì)的飛躍，相信在不久的將來，半導(dǎo)體行業(yè)中所有的工藝技術(shù)設(shè)備都將會被國產(chǎn)所完全替代，從而促使中國的半導(dǎo)體行業(yè)也能屹立于世界之巔。

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審核編輯 黃宇