Teknologi Pemeriksaan Cacat Dislokasi Non-destruktif Membantu Kajian Mekanisme Pertumbuhan Cacat Dislokasi pada Kristal SiC

Cacat pada wafer SiC (termasuk morfologi permukaan, kesalahan penumpukan, dan cacat dislokasi) merupakan faktor utama yang mempengaruhi hasil dan keandalan jangka panjang chip daya SiC. Untuk wafer 4H-SiC konduktif, mengurangi kepadatan cacat dengan mengontrol pertumbuhan ingot dan proses fabrikasi dengan tepat mulai dari pertumbuhan ingot, pemrosesan substrat hingga pertumbuhan epitaksi, telah menjadi tujuan jangka panjang bagi produsen SiC. Selama dekade terakhir, meskipun ada kemajuan yang signifikan dalam pertumbuhan ingot SiC dan teknik fabrikasi, kepadatan cacat pada wafer SiC tetap 3-4 kali lipat lebih tinggi dibandingkan wafer berbasis silikon tradisional, karena kompleksitas struktur kristal dan metode pertumbuhannya. Faktor pembatas utama berasal dari kurangnya pemahaman ilmiah tentang mekanisme pertumbuhan ingot SiC, dan faktor-faktor yang mempengaruhinya. Oleh karena itu, mengamati pembentukan dan evolusi cacat pada ingot SiC dan menganalisis mekanisme pembangkitannya sangat penting untuk memproduksi wafer berkualitas tinggi dan meningkatkan hasil chip.

Penelitian tentang cacat wafer SiC bergantung pada beragam peralatan inspeksi. Teknik inspeksi non-destruktif saat ini, termasuk pemindaian permukaan bidang terang-gelap optik, pencitraan fluoresensi, dan spektroskopi Raman, dapat secara efektif mengidentifikasi cacat seperti lubang, tonjolan, goresan, dan kesalahan penumpukan pada substrat SiC dan wafer epitaksi. Namun, untuk cacat dislokasi pada wafer substrat (Threading Screw Dislocations (TSD), Threading Edge Dislocations (TED), dan Basal Plane Dislocations (BPD)), metode penentuan konvensional telah lama mengandalkan etsa destruktif KOH. Penelitian mengenai proses pertumbuhan dan mekanisme transformasinya menjadi tantangan karena keterbatasan dalam teknik inspeksi destruktif tersebut. Meskipun topografi sinar-X (XRT) dapat menggambarkan cacat dislokasi pada wafer SiC secara non-destruktif, penerapannya secara luas dalam penelitian dan industri dibatasi oleh biaya peralatan yang tinggi, kompleksitas operasional, dan waktu pengukuran yang lama. Akibatnya, pertanyaan kritis tentang bagaimana cacat TSD, TED, dan BPD bertahan dan bertransformasi selama pertumbuhan kristal SiC, bagaimana mereka bermigrasi dari substrat ke lapisan epitaksi, dan mekanisme yang mendasarinya masih belum jelas baik di kalangan akademis maupun industri. Masalah yang belum terselesaikan ini secara signifikan menghambat perbaikan proses pertumbuhan ingot SiC dan peningkatan kualitas wafer.

Pada awal tahun 2024, Time-Tech Spectra (TTS) mengembangkan alat inspeksi cepat dan non-destruktif (DISPEC 9000/8000) untuk mendeteksi cacat dislokasi pada wafer substrat SiC konduktif. Dengan menggunakan spektroskopi serapan sementara yang digabungkan dengan algoritma pengenalan AI, alat ini mencapai pemeriksaan optik non-kontak yang cepat, tepat, dan non-kontak terhadap cacat seperti TSD, TED, dan BPD, serta berpotensi menggantikan metode etsa KOH tradisional. Berkolaborasi dengan Prof. Wang di ZJU-Hangzhou Global Scientific and Technological Innovation Center, TTS telah berhasil memantau kemunculan, penghapusan, dan transformasi berbagai cacat--termasuk cacat koeksistensi politipe, cacat titik, dislokasi, dan kesalahan penumpukan--dalam sampel ingot SiC konduktif. Kemajuan ini menawarkan wawasan eksperimental penting ke dalam mekanisme pertumbuhan dan optimalisasi proses ingot SiC, sebagaimana dibuktikan oleh penelitian terbaru mengenai metode reaksi uap kimia (CVR) dan optimalisasi proses sintesis. Artikel ini menyajikan hasil eksperimen terpilih dari penelitian kami.

 Gambar 1. Pencitraan pemeriksaan cacat dislokasi bagian memanjang ingot tipe N 4H-SiC. Ingot SiC dipotong sesuai arah pertumbuhannya, dan bagian yang dipotong menjalani penggilingan permukaan yang presisi. Pencitraan optik non-destruktif dari cacat dislokasi dilakukan menggunakan sistem DISPEC9000. Pada gambar, cacat dislokasi muncul sebagai sinyal 'gelap' dibandingkan dengan latar belakang. Perluasan cacat TD (TSD dan TED) berjalan kira-kira sejajar dengan arah pertumbuhan, sedangkan perluasan dislokasi bidang dasar (BPD, patahan susun, dll.) diorientasikan kira-kira tegak lurus terhadap arah pertumbuhan. Identifikasi TSD dan TED dicapai melalui model kategorisasi gambar AI milik TTS.

Untuk mengamati proses pertumbuhan TSD, cacat TED, dan BPD atau kesalahan penumpukan pada ingot SiC, kami membuat ingot tipe N 4H-SiC dan kemudian memotong bagian memanjang setebal sekitar 500μm di sepanjang arah pertumbuhan. Setelah penggilingan permukaan presisi, sampel dicitrakan menggunakan DISPEC9000 oleh TTS. Gambar 1 mengilustrasikan pencitraan lokal dari cacat dislokasi dalam bagian memanjang, seperti yang ditunjukkan dalam konteks bahan semikonduktor. Karena rekombinasi non-radiasi yang cepat dari pembawa fotogenerasi di lokasi cacat, intensitas sinyal serapan sementara pembawa keadaan tereksitasi di wilayah ini berbeda secara signifikan dari wilayah yang tidak cacat. Kontras ini bermanifestasi sebagai sinyal hitam yang berbeda dalam pencitraan serapan sementara, menyoroti pengaruh cacat pada dinamika pembawa. Pada bagian memanjang, arah pertumbuhan cacat TSD dan TED sejajar dengan arah pertumbuhan ingot, yang bermanifestasi sebagai sinyal linier vertikal dalam pencitraan. Arah pertumbuhan cacat BPD hampir tegak lurus dengan ingot, membentuk sudut ~4 derajat dengan permukaan ingot dan muncul sebagai sinyal linier horizontal pada pencitraan. Kami mencapai klasifikasi dan pengenalan cacat TSD dan TED pada bagian memanjang melalui model pengenalan AI data besar.

Dalam pemahaman sebelumnya, cacat tipe TD (TSD dan TED) pada ingot SiC biasanya didefinisikan sebagai cacat 'threading'. Melalui analisis hasil pencitraan optik transien cacat dislokasi dari bagian memanjang, kami mengidentifikasi dua pola pertumbuhan utama untuk cacat TD. Tipe pertama adalah cacat threading jarak jauh (Gambar 2a), ditandai dengan pertumbuhan terus menerus selama beberapa milimeter, menunjukkan peningkatan intensitas sinyal. Cacat ini disertai dengan perubahan pembengkokan dan arah selama perambatannya, yang menunjukkan sifat perluasannya dan potensi dampaknya terhadap sifat material. Model AI pada awalnya mengklasifikasikan cacat ini sebagai tipe TSD. Pola cacat TD karakteristik kedua, disebut tipe pertumbuhan-pemusnahan-pertumbuhan bergantian (Gambar 2b), menampilkan sinyal seperti garis putus-putus di sepanjang arah tertentu pada gambar. Analisis statistik mengungkapkan bahwa banyak dari jenis cacat ini tumbuh 100-500μm sebelum mengalami pemusnahan, yang kemungkinan besar terjadi secara acak selama pertumbuhan. Model AI secara tentatif mengkategorikan cacat ini sebagai tipe TED.

Gambar 2. Pencitraan proses pertumbuhan cacat dislokasi TD (TSD dan TED). (a) Cacat TD threading jarak jauh, sebagian besar TSD. (b) Cacat TD bergantian pemusnahan pertumbuhan, sebagian besar TED.

Cacat bidang dasar (termasuk kesalahan susun dan BPD) muncul sebagai sinyal berorientasi horizontal dalam pencitraan spektral transien. Karena cacat ini menunjukkan beberapa arah pertumbuhan, panjang sinyalnya dalam pencitraan tidak mencerminkan jarak pertumbuhan sebenarnya (yaitu, proyeksi cacat pada gambar). Melalui analisis data yang ekstensif, kami menemukan bahwa TSD dan patahan susun, serta TED dan BPD, menunjukkan fenomena koeksistensi dan transformasi, seperti diilustrasikan pada Gambar 3. Proses koeksistensi ini bermanifestasi sebagai pembentukan beberapa cacat bidang dasar yang berorientasi horizontal selama pertumbuhan di sepanjang TD, yang muncul sebagai fitur sinyal berbentuk tulang ikan dalam pencitraan. Selain itu, kami mengamati bahwa pemusnahan sejumlah cacat TD dapat disertai dengan pembentukan satu cacat bidang dasar, yang menunjukkan bahwa cacat TD dapat berubah menjadi cacat bidang dasar. Temuan ini menunjukkan bahwa pembentukan TD pada ingot SiC dapat mengakibatkan pembentukan cacat bidang dasar.

 

Gambar 3. Proses interaksi dan transformasi cacat TD dan cacat bidang dasar.

Pembentukan cacat dislokasi pada ingot SiC yang dihasilkan melalui sintesis fase uap dipengaruhi oleh berbagai faktor selama pertumbuhan ingot, termasuk perpindahan massa, transfer energi, suhu, dan distribusi bahan mentah. Faktor-faktor ini berkontribusi terhadap terciptanya berbagai jenis cacat seperti mikropipa, BPD, TED, dan TSD, yang dapat berdampak signifikan terhadap kinerja perangkat listrik berbasis SiC. Meskipun desain dan teknologi tungku pertumbuhan ingot telah dioptimalkan secara signifikan, pengendalian dan peningkatan lingkungan pertumbuhan pada skala mikroskopis masih merupakan tantangan besar. Pencitraan dislokasi penampang memanjang menunjukkan bahwa secara makroskopis, kepadatan cacat pada ingot menunjukkan pola tertentu dari awal hingga akhir pertumbuhan, namun secara mikroskopis, kepadatan dan distribusi cacat bervariasi secara signifikan dan acak di berbagai posisi pertumbuhan, sebagaimana dibuktikan oleh penelitian tentang distribusi porositas penyusutan dan rongga pada ingot baja dan struktur mikro ₂(Co,Cu,Fe,Zr) . ₁₇ ingot paduan silikon dan Sm Kepadatan dan distribusi dislokasi pada permukaan wafer yang dihasilkan oleh pemotongan wafer substrat pada berbagai posisi dalam ingot dapat mengalami perubahan besar pada tingkat mikroskopis. Oleh karena itu, metode saat ini dalam mengevaluasi kepadatan cacat dislokasi substrat dengan memilih 'irisan kepala dan ekor' ingot untuk etsa KOH tidak dapat secara akurat memprediksi dan mewakili kepadatan cacat dan distribusi setiap wafer yang dihasilkan dari keseluruhan ingot.

Gambar 4. TTS DISPEC9000: Sistem pemeriksaan cacat dislokasi substrat SiC optik non-destruktif. Berdasarkan prinsip spektroskopi serapan transien semikonduktor, peralatan ini secara langsung mengamati dan mengidentifikasi dislokasi dan berbagai cacat ingot melalui pencitraan spektral transien wafer substrat, sepenuhnya menggantikan metode etsa KOH tradisional.

DISPEC 9000, sebagaimana dirinci dalam artikel ini, menggunakan teknologi optik non-linier tercanggih untuk melakukan pemindaian permukaan penuh pada substrat SiC, secara efektif dan non-destruktif mengidentifikasi cacat kristal kritis. Pendekatan inovatif ini menggantikan metode etsa KOH yang konvensional dan mahal, sehingga secara signifikan mengurangi waktu inspeksi dan biaya substrat, sehingga meningkatkan efisiensi produksi dan hasil. Inspeksi spektral non-destruktif, sebagai komponen penting dalam manufaktur semikonduktor, memfasilitasi inspeksi 'wafer demi wafer', menawarkan dukungan kuat untuk manajemen cacat dalam pertumbuhan lapisan epitaksi berikutnya dan proses fabrikasi chip. Dengan memanfaatkan algoritme kategorisasi gambar AI, sistem ini menawarkan kemampuan penelusuran data cacat di lokasi yang komprehensif, yang sangat penting untuk analisis kegagalan chip dan pengendalian hasil. Kami percaya bahwa penerapan luas teknologi pemeriksaan cacat dislokasi non-destruktif untuk substrat SiC akan memajukan penelitian secara signifikan tentang mekanisme pertumbuhan ingot SiC dan meningkatkan kontrol kualitas dalam pembuatan wafer industri, sehingga mendorong pengembangan bahan dan perangkat semikonduktor generasi ketiga yang berkualitas tinggi.