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整個(gè) SiC 晶片的晶體多晶型拉曼成像技術(shù)
與 Si 半導(dǎo)體相比，SiC 和 GaN 等寬禁帶半導(dǎo)體具有各種優(yōu)勢(shì)，例如低損耗和在高溫下工作的能力，并且它們的需求正在增加。這些半導(dǎo)體器件常用于惡劣環(huán)境，需要高可靠性。為此，需要高質(zhì)量的晶片，但由于在晶體生長(zhǎng)過(guò)程中可能出現(xiàn)晶體缺陷，因此需要一種準(zhǔn)確評(píng)估晶片上缺陷類型和分布的技術(shù)。
X射線形貌和偏光顯微鏡用于觀察晶片上缺陷的分布。圖 1 是使用 CS1 晶體應(yīng)變觀察裝置（Ceramicforum 制造）獲取的 4 英寸 SiC 晶片的應(yīng)變圖像。白色的對(duì)比便于觀察晶片上殘留缺陷和應(yīng)力引起的晶體應(yīng)變分布。可以看出，許多應(yīng)變分布在該晶片的整個(gè)表面上。
晶體缺陷被認(rèn)為是造成這種失真的原因，并且可以通過(guò)拉曼成像輕松識(shí)別缺陷類型。SiC有許多晶體多晶型物（polytypes），它們具有相同的化學(xué)成分，但原子排列不同。由于拉曼光譜因多型而異 [1] ，因此可以通過(guò)拉曼成像來(lái)觀察晶型的類型和分布。
圖 2 顯示了使用安裝在晶片臺(tái)上的拉曼顯微鏡 RAMANdrive 通過(guò)拉曼成像獲得的晶片整個(gè)表面上的晶體多晶型分布圖像。該晶片的多型體為4H，但從晶片的左上方開始呈弧形分布有兩種不同的多型體15R和6H（拉曼光譜如圖3所示）。通過(guò)比較應(yīng)變分布圖像和分布，我們可以看到由于不同多型體周圍的不一致而存在應(yīng)變。此外，在應(yīng)變分布圖像的中央部分和左下端的應(yīng)變集中點(diǎn)，拉曼圖像沒有顯示出異質(zhì)多型體，可以看出應(yīng)變主要是由穿透位錯(cuò)的集中引起的。
功率半導(dǎo)體是可以處理高電壓和大電流的半導(dǎo)體，在我們的生活中無(wú)處不在，如電源系統(tǒng)、汽車、新干線頭列車、家用電器等。與存儲(chǔ)介質(zhì)中使用的半導(dǎo)體相比，它們必須更容易導(dǎo)電，具有更少的功率損耗，并且即使在惡劣的環(huán)境中也不太可能破裂。因此，使用比傳統(tǒng) Si 具有更寬禁帶寬度的 SiC 和 GaN 等寬禁帶半導(dǎo)體材料，即使在高溫下也能安全工作。SiC的絕緣擊穿場(chǎng)強(qiáng)是Si的10倍，耐壓也高。雖然 SiC 的重要性不斷提高，但作為原材料的晶圓的生產(chǎn)在晶體生長(zhǎng)和加工方面比 Si 更困難，而且晶圓工藝需要很高的技術(shù)，因此 SiC 半導(dǎo)體的生產(chǎn)成本非常高。問(wèn)題是高度。此外，由于許多功率半導(dǎo)體器件使用從前到后的整個(gè)晶片表面，因此不僅晶片表面的質(zhì)量，而且晶片內(nèi)部的質(zhì)量也很重要。
拉曼光譜成像可以評(píng)估殘余應(yīng)力和結(jié)晶度，這對(duì)于 SiC 半導(dǎo)體的質(zhì)量控制很重要。
例如，通過(guò)使用拉曼光譜，可以進(jìn)行定量應(yīng)力測(cè)量。下圖是4H-SiC的拉曼峰776 cm -1 (FTO(2/4) E 2 )特性的峰位移位置的應(yīng)力分布。比較多型體分布和應(yīng)力測(cè)量結(jié)果可以看出，15R多型體分布的區(qū)域施加了壓應(yīng)力。發(fā)現(xiàn)拉應(yīng)力施加在靠近中心的穿透位錯(cuò)區(qū)域。
上述多型分布測(cè)量和應(yīng)力測(cè)量各自可以在同一光譜中進(jìn)行分析。因此，單次拉曼光譜成像即可獲得晶圓的許多特性。
由于圖 1 是透射觀察，因此無(wú)法知道缺陷和應(yīng)變存在于晶片內(nèi)部的哪個(gè)深度。
RAMANdrive 配備了出色的共焦光學(xué)器件，可實(shí)現(xiàn)高分辨率 3D 拉曼成像分析。圖 4 是在將載物臺(tái)移動(dòng)到檢測(cè)到晶體多晶型物的坐標(biāo)后，使用高倍率 (100x, 0.9 NA) 物鏡通過(guò) 3D 拉曼成像獲得的圖像。從拉曼光譜可以看出，晶深方向存在15R和4H兩種晶型，平面成像檢測(cè)到的晶型（15R）存在于距晶片表面10～20μm的深度。那 我們還發(fā)現(xiàn)晶體多晶型發(fā)生在與晶片平面（0001）平面不同的晶面中。圖 4 b) 和 c) 顯示了特定橫截面的圖像。3D 成像使我們能夠了解任何橫截面的晶體分布。通過(guò)這種方式，3D 拉曼成像可以以亞微米空間分辨率清晰地顯示半導(dǎo)體晶片內(nèi)的晶體多晶型和應(yīng)力分布。
