La tecnología de inspección de defectos de dislocación no destructiva ayuda al estudio del mecanismo de crecimiento de los defectos de dislocación en cristal de SiC

Los defectos en las obleas de SiC (incluida la morfología de la superficie, fallas de apilamiento y defectos de dislocación) son factores clave que afectan el rendimiento y la confiabilidad a largo plazo de los chips de potencia de SiC. Para las obleas conductoras de 4H-SiC, reducir la densidad de defectos mediante el control adecuado del crecimiento del lingote y los procesos de fabricación desde el crecimiento del lingote, el procesamiento del sustrato hasta el crecimiento epitaxial ha sido un objetivo de larga data para los fabricantes de SiC. Durante la última década, a pesar de mejoras significativas en las técnicas de fabricación y crecimiento de lingotes de SiC, la densidad de defectos en las obleas de SiC sigue siendo entre 3 y 4 órdenes de magnitud mayor que la de las obleas tradicionales a base de silicio, debido a la complejidad de su estructura cristalina y sus métodos de crecimiento. El principal factor limitante surge de una comprensión científica insuficiente de los mecanismos de crecimiento de los lingotes de SiC y de los factores que influyen. Por lo tanto, observar la formación y evolución de defectos en los lingotes de SiC y analizar sus mecanismos de generación es particularmente crucial para producir obleas de alta calidad y mejorar el rendimiento del chip.

La investigación de defectos en obleas de SiC se basa en diversos equipos de inspección. Las técnicas de inspección no destructivas actuales, incluido el escaneo óptico de superficies de campo oscuro y brillante, imágenes de fluorescencia y espectroscopia Raman, pueden identificar eficazmente defectos como picaduras, protuberancias, rayones y fallas de apilamiento en sustratos de SiC y obleas epitaxiales. Sin embargo, para los defectos de dislocación en obleas de sustrato (dislocaciones de tornillos roscados (TSD), dislocaciones de bordes roscados (TED) y dislocaciones del plano basal (BPD)), el método convencional de determinación se ha basado durante mucho tiempo en el grabado destructivo con KOH. La investigación sobre sus procesos de crecimiento y mecanismos de transformación ha sido un desafío debido a las limitaciones de estas técnicas de inspección destructivas. Aunque la topografía de rayos X (XRT) puede obtener imágenes de defectos de dislocación de forma no destructiva en obleas de SiC, su adopción generalizada en la investigación y la industria está limitada por el alto costo del equipo, la complejidad operativa y el largo tiempo de medición. En consecuencia, las preguntas críticas sobre cómo los defectos TSD, TED y BPD persisten y se transforman durante el crecimiento de los cristales de SiC, cómo migran del sustrato a la capa epitaxial y sus mecanismos subyacentes siguen sin estar claras en los círculos académicos e industriales. Estos problemas no resueltos limitan significativamente las mejoras en los procesos de crecimiento de lingotes de SiC y la mejora de la calidad de las obleas.

A principios de 2024, Time-Tech Spectra (TTS) desarrolló una herramienta de inspección rápida y no destructiva (DISPEC 9000/8000) para detectar defectos de dislocación en obleas de sustrato conductor de SiC. Al utilizar espectroscopía de absorción transitoria junto con un algoritmo de reconocimiento de IA, la herramienta logra una inspección óptica rápida, precisa y sin contacto de defectos como TSD, TED y BPD, y es muy prometedor para reemplazar los métodos tradicionales de grabado con KOH. En colaboración con el profesor Wang del Centro Global de Innovación Científica y Tecnológica ZJU-Hangzhou, TTS ha monitoreado con éxito la aparición, eliminación y transformación de diversos defectos, incluidos defectos de coexistencia de politipos, defectos puntuales, dislocaciones y fallas de apilamiento, en muestras de lingotes de SiC conductores. Este avance ofrece conocimientos experimentales esenciales sobre los mecanismos de crecimiento y la optimización del proceso de los lingotes de SiC, como lo demuestran investigaciones recientes sobre el método de reacción química de vapor (CVR) y la optimización del proceso de síntesis. Este artículo presenta resultados experimentales seleccionados de nuestro estudio.

 Figura 1. Imágenes de inspección de defectos de dislocación de secciones longitudinales de lingotes de 4H-SiC tipo N. El lingote de SiC se cortó a lo largo de su dirección de crecimiento y las secciones cortadas se sometieron a un rectificado superficial de precisión. Se realizaron imágenes ópticas no destructivas de los defectos de dislocación utilizando el sistema DISPEC9000. En la imagen, los defectos de dislocación aparecen como señales 'oscuras' en relación con el fondo. Las extensiones de los defectos TD (TSD y TED) corren aproximadamente paralelas a la dirección de crecimiento, mientras que las extensiones de las dislocaciones del plano base (BPD, fallas de apilamiento, etc.) están orientadas aproximadamente perpendiculares a la dirección de crecimiento. La identificación de TSD y TED se logró mediante el modelo de categorización de imágenes de IA patentado por TTS.

Para observar los procesos de crecimiento de TSD, defectos TED y BPD o fallas de apilamiento en lingotes de SiC, fabricamos lingotes de 4H-SiC tipo N y posteriormente cortamos secciones longitudinales de aproximadamente 500 μm de espesor a lo largo de la dirección de crecimiento. Después del pulido superficial de precisión, se tomaron imágenes de las muestras utilizando el DISPEC9000 de TTS. La Figura 1 ilustra imágenes localizadas de defectos de dislocación dentro de la sección longitudinal, como se demuestra en el contexto de materiales semiconductores. Debido a la rápida recombinación no radiativa de los portadores fotogenerados en los sitios defectuosos, la intensidad de la señal de absorción transitoria de los portadores en estado excitado en estas regiones difiere significativamente de la de las áreas no defectuosas. Este contraste se manifiesta como señales negras distintas en las imágenes de absorción transitoria, lo que resalta la influencia de los defectos en la dinámica del portador. En la sección longitudinal, la dirección de crecimiento de los defectos TSD y TED se alinea con la dirección de crecimiento del lingote, lo que se manifiesta como señales lineales verticales en la imagen. La dirección de crecimiento de los defectos de BPD es casi perpendicular a la del lingote, formando un ángulo de ~4 grados con la superficie del lingote y apareciendo como señales lineales horizontales en la imagen. Logramos la clasificación y el reconocimiento de defectos TSD y TED en la sección longitudinal a través de un modelo de reconocimiento de IA de big data.

Según conocimientos anteriores, los defectos de tipo TD (TSD y TED) en los lingotes de SiC se definían normalmente como defectos de 'roscado'. Mediante el análisis de los resultados de imágenes ópticas transitorias de defectos de dislocación de secciones longitudinales, identificamos dos patrones de crecimiento principales para los defectos de TD. El primer tipo es el defecto de roscado de largo alcance (Figura 2a), caracterizado por un crecimiento continuo de varios milímetros, que muestra una mayor intensidad de la señal. Estos defectos van acompañados de cambios de flexión y dirección durante su propagación, lo que es indicativo de su naturaleza extendida y del impacto potencial en las propiedades del material. El modelo de IA clasifica preliminarmente estos defectos como de tipo TSD. El segundo patrón característico de defecto TD, denominado tipo alterno de crecimiento-aniquilación-crecimiento (Figura 2b), muestra señales en forma de líneas discontinuas a lo largo de direcciones específicas en la imagen. El análisis estadístico revela que muchos de este tipo de defectos crecen entre 100 y 500 μm antes de sufrir una aniquilación, lo que probablemente ocurre de forma aleatoria durante el crecimiento. El modelo de IA clasifica provisionalmente estos defectos como tipo TED.

Figura 2. Imágenes del proceso de crecimiento de los defectos de dislocación TD (TSD y TED). (a) Defectos TD de roscado de largo alcance, principalmente TSD. (b) Defectos TD alternantes de crecimiento-aniquilación, principalmente TED.

Los defectos del plano base (incluidas las fallas de apilamiento y BPD) aparecen como señales orientadas horizontalmente en imágenes espectrales transitorias. Dado que estos defectos exhiben múltiples direcciones de crecimiento, la longitud de su señal en la imagen no refleja la distancia de crecimiento real (es decir, la proyección del defecto en la imagen). A través de un extenso análisis de datos, hemos descubierto que TSD y las fallas de apilamiento, así como TED y BPD, exhiben fenómenos de coexistencia y transformación, como se ilustra en la Figura 3. Este proceso de coexistencia se manifiesta como la formación de múltiples defectos en el plano base orientados horizontalmente durante el crecimiento a lo largo del TD, que aparece como características de señal en forma de espina de pescado en las imágenes. Además, observamos que la aniquilación de numerosos defectos TD puede ir acompañada de la formación de un solo defecto en el plano base, lo que indica que los defectos TD pueden transformarse en defectos en el plano base. Estos hallazgos indican que la formación de TD en lingotes de SiC puede resultar en la formación de defectos en el plano base.

 

Figura 3. El proceso de interacción y transformación de los defectos TD y los defectos del plano base.

La formación de defectos de dislocación en lingotes de SiC producidos mediante síntesis en fase de vapor está influenciada por múltiples factores durante el crecimiento del lingote, incluida la transferencia de masa, la transferencia de energía, la temperatura y la distribución de la materia prima. Estos factores contribuyen a la creación de varios tipos de defectos, como microtubos, BPD, TED y TSD, que pueden afectar significativamente el rendimiento de los dispositivos de potencia basados ​​en SiC. Aunque el diseño y la tecnología de los hornos de crecimiento de lingotes se han optimizado significativamente, controlar y mejorar el entorno de crecimiento a escala microscópica sigue siendo un desafío importante. Las imágenes de dislocación de secciones transversales longitudinales revelan que macroscópicamente, la densidad de defectos en los lingotes muestra ciertos patrones desde el inicio hasta el final del crecimiento, pero microscópicamente, la densidad y la distribución de los defectos varían significativa y aleatoriamente entre diferentes posiciones de crecimiento, como lo demuestran los estudios sobre la distribución de la porosidad de contracción y las cavidades en lingotes de acero y la microestructura de los lingotes de aleación de silicio y Sm ₂(Co,Cu,Fe,Zr) ₁₇ . La densidad de dislocación y la distribución en las superficies de las obleas producidas por el corte de la oblea del sustrato en varias posiciones dentro del lingote pueden sufrir cambios sustanciales a nivel microscópico. Por lo tanto, el método actual para evaluar la densidad de defectos de dislocación del sustrato mediante la selección de las 'rebanadas de cabeza y cola' del lingote para el grabado con KOH no puede predecir ni representar con precisión la densidad de defectos y la distribución de cada oblea producida a partir del lingote completo.

Figura 4. TTS DISPEC9000: Sistema de inspección de defectos de dislocación de sustrato de SiC óptico no destructivo. Basado en el principio de espectroscopía de absorción transitoria de semiconductores, este equipo observa e identifica directamente dislocaciones y diversos defectos del lingote a través de imágenes espectrales transitorias de las obleas del sustrato, reemplazando por completo el método tradicional de grabado con KOH.

El DISPEC 9000, como se detalla en este artículo, utiliza tecnología óptica no lineal de última generación para realizar escaneos de superficie completa en sustratos de SiC, identifica de manera efectiva y no destructiva defectos críticos del cristal. Este enfoque innovador reemplaza el método de grabado con KOH convencional y costoso, lo que reduce significativamente el tiempo de inspección y los costos del sustrato y, por lo tanto, mejora la eficiencia y el rendimiento de la producción. La inspección espectral no destructiva, como componente crítico en la fabricación de semiconductores, facilita la inspección 'oblea por oblea' y ofrece un soporte sólido para la gestión de defectos en los procesos posteriores de fabricación de chips y crecimiento de capas epitaxiales. Utilizando un algoritmo de categorización de imágenes de IA, el sistema ofrece una trazabilidad integral de los datos de defectos in situ, lo cual es crucial para el análisis de fallas de chips y el control de rendimiento. Creemos que la adopción generalizada de tecnología de inspección de defectos de dislocación no destructiva para sustratos de SiC hará avanzar significativamente la investigación sobre los mecanismos de crecimiento de los lingotes de SiC y mejorará el control de calidad en la fabricación de obleas industriales, promoviendo así el desarrollo de alta calidad de materiales y dispositivos semiconductores de tercera generación.