Tecnologia não destrutiva de inspeção de defeitos de deslocamento auxilia no estudo do mecanismo de crescimento de defeitos de deslocamento em cristal de SiC

Defeitos em wafers de SiC (incluindo morfologia de superfície, falhas de empilhamento e defeitos de deslocamento) são fatores-chave que afetam o rendimento e a confiabilidade a longo prazo dos chips de energia de SiC. Para wafers 4H-SiC condutores, reduzir a densidade de defeitos controlando adequadamente o crescimento do lingote e os processos de fabricação, desde o crescimento do lingote, processamento de substrato até o crescimento epitaxial, tem sido uma meta de longa data para os fabricantes de SiC. Na última década, apesar das melhorias significativas nas técnicas de crescimento e fabricação de lingotes de SiC, a densidade de defeitos nas pastilhas de SiC permanece 3-4 ordens de magnitude maior do que nas pastilhas tradicionais à base de silício, devido à complexidade de sua estrutura cristalina e métodos de crescimento. O principal fator limitante decorre da compreensão científica insuficiente dos mecanismos de crescimento dos lingotes de SiC e dos fatores que influenciam. Portanto, observar a formação e evolução de defeitos em lingotes de SiC e analisar seus mecanismos de geração são particularmente cruciais para a produção de wafers de alta qualidade e melhoria do rendimento de cavacos.

A pesquisa sobre defeitos do wafer SiC depende de diversos equipamentos de inspeção. As atuais técnicas de inspeção não destrutivas, incluindo varredura óptica de superfície de campo claro-escuro, imagens de fluorescência e espectroscopia Raman, podem identificar efetivamente defeitos como poços, saliências, arranhões e falhas de empilhamento em substratos de SiC e wafers epitaxiais. No entanto, para defeitos de luxação em wafers de substrato (Deslocamentos de Rosca de Parafuso (TSD), Deslocamentos de Borda de Rosqueamento (TED) e Deslocamentos do Plano Basal (BPD)), o método convencional para determinação há muito se baseia na gravação destrutiva de KOH. A investigação sobre os seus processos de crescimento e mecanismos de transformação tem sido um desafio devido às limitações de tais técnicas de inspeção destrutivas. Embora a topografia de raios X (XRT) possa gerar imagens não destrutivas de defeitos de deslocamento em wafers de SiC, sua ampla adoção na pesquisa e na indústria é limitada pelo alto custo do equipamento, pela complexidade operacional e pelo longo tempo de medição. Consequentemente, questões críticas sobre como os defeitos de TSD, TED e BPD persistem e se transformam durante o crescimento do cristal de SiC, como eles migram do substrato para a camada epitaxial e seus mecanismos subjacentes permanecem obscuros nos círculos acadêmicos e industriais. Esses problemas não resolvidos restringem significativamente as melhorias nos processos de crescimento de lingotes de SiC e na melhoria da qualidade do wafer.

No início de 2024, a Time-Tech Spectra (TTS) desenvolveu uma ferramenta de inspeção rápida e não destrutiva (DISPEC 9000/8000) para detectar defeitos de deslocamento em wafers condutores de substrato de SiC. Ao usar espectroscopia de absorção transitória juntamente com algoritmo de reconhecimento de IA, a ferramenta alcança inspeção óptica rápida, precisa e sem contato de defeitos como TSD, TED e BPD, e tem uma grande promessa de substituir os métodos tradicionais de gravação de KOH. Colaborando com o professor Wang no Centro Global de Inovação Científica e Tecnológica ZJU-Hangzhou, a TTS monitorou com sucesso o surgimento, eliminação e transformação de vários defeitos - incluindo defeitos de coexistência politípica, defeitos pontuais, deslocamentos e falhas de empilhamento - em amostras de lingotes condutores de SiC. Este avanço oferece insights experimentais essenciais sobre os mecanismos de crescimento e otimização do processo de lingotes de SiC, conforme evidenciado por pesquisas recentes sobre o método de reação química de vapor (CVR) e otimização do processo de síntese. Este artigo apresenta resultados experimentais selecionados de nosso estudo.

 Figura 1. Imagem de inspeção de defeitos de luxação de seções longitudinais de lingotes de 4H-SiC tipo N. O lingote de SiC foi cortado ao longo de sua direção de crescimento e as seções cortadas foram submetidas a retificação superficial de precisão. A imagem óptica não destrutiva de defeitos de luxação foi realizada utilizando o sistema DISPEC9000. Na imagem, os defeitos de deslocamento aparecem como sinais “escuros” em relação ao fundo. As extensões dos defeitos TD (TSD e TED) correm aproximadamente paralelas à direção de crescimento, enquanto as extensões das discordâncias do plano base (BPD, falhas de empilhamento, etc.) são orientadas aproximadamente perpendicularmente à direção de crescimento. A identificação de TSD e TED foi conseguida através do modelo de categorização de imagens de IA proprietário da TTS.

Para observar os processos de crescimento de TSD, defeitos TED e BPD ou falhas de empilhamento em lingotes de SiC, fabricamos lingotes 4H-SiC tipo N e posteriormente cortamos seções longitudinais com aproximadamente 500 μm de espessura ao longo da direção de crescimento. Após a retificação superficial de precisão, as amostras foram fotografadas usando o DISPEC9000 da TTS. A Figura 1 ilustra imagens localizadas de defeitos de luxação na seção longitudinal, conforme demonstrado no contexto de materiais semicondutores. Devido à rápida recombinação não radiativa de transportadores fotogerados em locais defeituosos, a intensidade do sinal de absorção transitória dos transportadores de estado excitado nestas regiões difere significativamente daquela em áreas não defeituosas. Este contraste manifesta-se como sinais pretos distintos na imagem de absorção transitória, destacando a influência dos defeitos na dinâmica da portadora. Na seção longitudinal, a direção de crescimento dos defeitos TSD e TED alinha-se com a direção de crescimento do lingote, manifestando-se como sinais lineares verticais na imagem. A direção de crescimento dos defeitos BPD é quase perpendicular à do lingote, formando um ângulo de aproximadamente 4 graus com a superfície do lingote e aparecendo como sinais lineares horizontais na imagem. Conseguimos classificação e reconhecimento de defeitos TSD e TED na seção longitudinal por meio de um modelo de reconhecimento de IA de big data.

No entendimento anterior, os defeitos do tipo TD (TSD e TED) em lingotes de SiC eram normalmente definidos como defeitos de “rosqueamento”. Através da análise dos resultados de imagens ópticas transitórias de defeitos de luxação de cortes longitudinais, identificamos dois padrões primários de crescimento para defeitos TD. O primeiro tipo é o defeito de rosqueamento de longo alcance (Figura 2a), caracterizado por crescimento contínuo ao longo de vários milímetros, exibindo maior intensidade de sinal. Esses defeitos são acompanhados por flexões e mudanças direcionais durante sua propagação, o que é indicativo de sua natureza estendida e do impacto potencial nas propriedades do material. O modelo AI classifica preliminarmente esses defeitos como do tipo TSD. O segundo padrão característico de defeito TD, denominado tipo alternado de crescimento-aniquilação-crescimento (Figura 2b), exibe sinais semelhantes a linhas tracejadas ao longo de direções específicas na imagem. A análise estatística revela que muitos desses tipos de defeitos crescem de 100 a 500 μm antes de sofrerem uma aniquilação, o que provavelmente ocorre aleatoriamente durante o crescimento. O modelo de IA categoriza provisoriamente esses defeitos como do tipo TED.

Figura 2. Imagem do processo de crescimento dos defeitos de luxação TD (TSD e TED). (a) Defeitos TD de rosqueamento de longo alcance, principalmente TSD. (b) Defeitos TD alternados de crescimento-aniquilação, principalmente TED.

Defeitos do plano base (incluindo falhas de empilhamento e BPD) aparecem como sinais orientados horizontalmente em imagens espectrais transientes. Como esses defeitos exibem múltiplas direções de crescimento, o comprimento do sinal na imagem não reflete a distância real de crescimento (isto é, a projeção do defeito na imagem). Através de extensa análise de dados, descobrimos que TSD e falhas de empilhamento, bem como TED e BPD, exibem fenômenos de coexistência e transformação, conforme ilustrado na Figura 3. Este processo de coexistência se manifesta como a formação de múltiplos defeitos no plano base orientados horizontalmente durante o crescimento ao longo do TD, que aparece como características de sinal em forma de espinha de peixe na imagem. Além disso, observamos que a aniquilação de numerosos defeitos TD pode ser acompanhada pela formação de um único defeito no plano base, indicando que os defeitos TD podem se transformar em defeitos no plano base. Estas descobertas indicam que a formação de TD em lingotes de SiC pode resultar na formação de defeitos no plano base.

 

Figura 3. O processo de interação e transformação de defeitos TD e defeitos do plano base.

A formação de defeitos de deslocamento em lingotes de SiC produzidos através da síntese em fase de vapor é influenciada por múltiplos fatores durante o crescimento do lingote, incluindo transferência de massa, transferência de energia, temperatura e distribuição de matéria-prima. Esses fatores contribuem para a criação de vários tipos de defeitos, como microtubos, BPDs, TEDs e TSDs, que podem impactar significativamente o desempenho de dispositivos de energia baseados em SiC. Embora o projeto e a tecnologia dos fornos de crescimento de lingotes tenham sido significativamente otimizados, controlar e melhorar o ambiente de crescimento em escala microscópica continua sendo um grande desafio. A imagem de deslocamento de seções transversais longitudinais revela que macroscopicamente, a densidade de defeitos em lingotes exibe certos padrões do início ao fim do crescimento, mas microscopicamente, a densidade e distribuição de defeitos variam significativamente e aleatoriamente em diferentes posições de crescimento, como evidenciado por estudos sobre a distribuição de porosidade e cavidades de contração em lingotes de aço e a microestrutura de lingotes de liga de silício e Sm ₂(Co, Cu, Fe, Zr) ₁₇ . A densidade e distribuição de deslocamento nas superfícies do wafer produzidas pelo corte do substrato em várias posições dentro do lingote podem sofrer alterações substanciais no nível microscópico. Portanto, o método atual de avaliação da densidade de defeitos de deslocamento do substrato selecionando as 'fatias de cabeça e cauda' do lingote para gravação com KOH não pode prever e representar com precisão a densidade de defeitos e distribuição de cada wafer produzido a partir de todo o lingote.

Figura 4. TTS DISPEC9000: Sistema óptico não destrutivo de inspeção de defeitos de deslocamento de substrato de SiC. Com base no princípio da espectroscopia de absorção transitória semicondutora, este equipamento observa e identifica diretamente deslocamentos e vários defeitos do lingote por meio de imagem espectral transitória dos wafers do substrato, substituindo completamente o método tradicional de gravação com KOH.

O DISPEC 9000, conforme detalhado neste artigo, utiliza tecnologia óptica não linear de última geração para realizar varreduras de superfície completa em substratos de SiC, identificando de forma eficaz e não destrutiva defeitos críticos de cristal. Esta abordagem inovadora substitui o método convencional e dispendioso de gravação com KOH, reduzindo significativamente o tempo de inspeção e os custos do substrato, aumentando assim a eficiência e o rendimento da produção. A inspeção espectral não destrutiva, como um componente crítico na fabricação de semicondutores, facilita a inspeção 'wafer por wafer', oferecendo suporte robusto para o gerenciamento de defeitos no crescimento subsequente da camada epitaxial e nos processos de fabricação de chips. Utilizando algoritmo de categorização de imagens de IA, o sistema oferece rastreabilidade abrangente de dados de defeitos in-situ, o que é crucial para análise de falhas de chips e controle de rendimento. Acreditamos que a adoção generalizada de tecnologia não destrutiva de inspeção de defeitos de deslocamento para substratos de SiC avançará significativamente a pesquisa sobre mecanismos de crescimento de lingotes de SiC e melhorará o controle de qualidade na fabricação industrial de wafers, promovendo assim o desenvolvimento de alta qualidade de materiais e dispositivos semicondutores de terceira geração.