เทคโนโลยีการตรวจสอบข้อบกพร่องของการเคลื่อนที่แบบไม่ทำลายช่วยศึกษากลไกการเติบโตของข้อบกพร่องของการเคลื่อนที่ใน SiC Crystal

ข้อบกพร่องในเวเฟอร์ SiC (รวมถึงสัณฐานวิทยาของพื้นผิว ข้อบกพร่องในการซ้อน และข้อบกพร่องความคลาดเคลื่อน) เป็นปัจจัยสำคัญที่ส่งผลต่อผลผลิตและความน่าเชื่อถือในระยะยาวของชิปกำลัง SiC สำหรับเวเฟอร์ 4H-SiC แบบนำไฟฟ้า การลดความหนาแน่นของข้อบกพร่องโดยการควบคุมการเติบโตของแท่งโลหะและกระบวนการสร้างอย่างเหมาะสม ตั้งแต่การเติบโตของแท่งโลหะ การประมวลผลสารตั้งต้นไปจนถึงการเติบโตของส่วนนอก ถือเป็นเป้าหมายที่มีมายาวนานสำหรับผู้ผลิต SiC ในช่วงทศวรรษที่ผ่านมา แม้จะมีการปรับปรุงอย่างมีนัยสำคัญในเทคนิคการเติบโตของแท่ง SiC และเทคนิคการประดิษฐ์ แต่ความหนาแน่นของข้อบกพร่องในเวเฟอร์ SiC ยังคงมีขนาดที่สูงกว่าในเวเฟอร์ที่ใช้ซิลิกอนแบบดั้งเดิมถึง 3-4 ลำดับ เนื่องจากความซับซ้อนของโครงสร้างผลึกและวิธีการเติบโต ปัจจัยจำกัดหลักเกิดจากความเข้าใจทางวิทยาศาสตร์ที่ไม่เพียงพอเกี่ยวกับกลไกการเติบโตของแท่ง SiC และปัจจัยที่มีอิทธิพล ดังนั้น การสังเกตการก่อตัวและวิวัฒนาการของข้อบกพร่องในแท่ง SiC และการวิเคราะห์กลไกการสร้างจึงมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการผลิตเวเฟอร์คุณภาพสูงและปรับปรุงผลผลิตของชิป

การวิจัยเกี่ยวกับข้อบกพร่องของเวเฟอร์ SiC ต้องอาศัยอุปกรณ์ตรวจสอบที่หลากหลาย เทคนิคการตรวจสอบแบบไม่ทำลายในปัจจุบัน รวมถึงการสแกนพื้นผิวด้วยสนามแสงที่สว่างและมืด การสร้างภาพเรืองแสง และรามันสเปกโทรสโกปี สามารถระบุข้อบกพร่อง เช่น หลุม ส่วนที่ยื่นออกมา รอยขีดข่วน และข้อบกพร่องซ้อนในซับสเตรต SiC และเวเฟอร์เอพิแทกเซียลได้อย่างมีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม สำหรับข้อบกพร่องความคลาดเคลื่อนในเวเฟอร์ของซับสเตรต (การเคลื่อนของสกรูเกลียว (TSD) การเคลื่อนของขอบเกลียว (TED) และการเคลื่อนของระนาบฐาน (BPD)) วิธีการทั่วไปในการพิจารณาอาศัยการแกะสลักแบบทำลายล้างของ KOH มานานแล้ว การวิจัยเกี่ยวกับกระบวนการเติบโตและกลไกการเปลี่ยนแปลงถือเป็นเรื่องท้าทายเนื่องจากข้อจำกัดในเทคนิคการตรวจสอบแบบทำลายล้างดังกล่าว แม้ว่าภูมิประเทศด้วยรังสีเอกซ์ (XRT) สามารถสร้างภาพข้อบกพร่องความคลาดเคลื่อนในเวเฟอร์ SiC โดยไม่ทำลาย แต่การนำเทคโนโลยีนี้ไปใช้อย่างแพร่หลายในการวิจัยและอุตสาหกรรมนั้นถูกจำกัดด้วยต้นทุนอุปกรณ์ที่สูง ความซับซ้อนในการดำเนินงาน และเวลาในการตรวจวัดที่ยาวนาน ดังนั้นคำถามที่สำคัญเกี่ยวกับข้อบกพร่องของ TSD, TED และ BPD ยังคงมีอยู่และเปลี่ยนแปลงในระหว่างการเติบโตของคริสตัล SiC วิธีที่พวกมันย้ายจากสารตั้งต้นไปยังชั้น epitaxis และกลไกพื้นฐานของพวกมันยังไม่ชัดเจนในแวดวงวิชาการและอุตสาหกรรม ปัญหาที่ยังไม่ได้รับการแก้ไขเหล่านี้จำกัดการปรับปรุงในกระบวนการการเติบโตของแท่ง SiC และการปรับปรุงคุณภาพเวเฟอร์อย่างมีนัยสำคัญ

ในช่วงต้นปี 2024 Time-Tech Spectra (TTS) ได้พัฒนาเครื่องมือตรวจสอบที่รวดเร็วและไม่ทำลาย (DISPEC 9000/8000) สำหรับการตรวจจับข้อบกพร่องความคลาดเคลื่อนในเวเฟอร์ซับสเตรต SiC ที่นำไฟฟ้า ด้วยการใช้สเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงชั่วคราวควบคู่ไปกับอัลกอริธึมการจดจำ AI เครื่องมือนี้จึงสามารถตรวจสอบข้อบกพร่องทางแสงได้อย่างรวดเร็ว แม่นยำ และไม่สัมผัส เช่น TSD, TED และ BPD และถือเป็นคำมั่นสัญญาที่ดีในการแทนที่วิธีการแกะสลัก KOH แบบเดิม TTS ร่วมมือกับ Prof. Wang ที่ศูนย์นวัตกรรมวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีระดับโลก ZJU-Hangzhou ในการติดตามการเกิดขึ้น การกำจัด และการเปลี่ยนแปลงของข้อบกพร่องต่างๆ ซึ่งรวมถึงข้อบกพร่องการอยู่ร่วมกันของโพลีไทป์ ข้อบกพร่องเฉพาะจุด การเคลื่อนตัว และข้อบกพร่องในการเรียงซ้อน ในตัวอย่างแท่ง SiC ที่เป็นสื่อกระแสไฟฟ้า ความก้าวหน้านี้นำเสนอข้อมูลเชิงลึกเชิงทดลองที่สำคัญเกี่ยวกับกลไกการเติบโตและการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการของแท่ง SiC ดังที่เห็นได้จากการวิจัยล่าสุดเกี่ยวกับวิธีการทำปฏิกิริยาไอเคมี (CVR) และการเพิ่มประสิทธิภาพกระบวนการสังเคราะห์ บทความนี้นำเสนอผลการทดลองที่เลือกจากการศึกษาของเรา

 รูปที่ 1 การถ่ายภาพการตรวจสอบข้อบกพร่องความคลาดเคลื่อนของส่วนแท่งตามยาวของแท่งโลหะ 4H-SiC ชนิด N ลิ่ม SiC ถูกตัดตามทิศทางการเติบโต และส่วนที่ตัดผ่านการเจียรพื้นผิวอย่างแม่นยำ การถ่ายภาพด้วยแสงแบบไม่ทำลายของข้อบกพร่องความคลาดเคลื่อนดำเนินการโดยใช้ระบบ DISPEC9000 ในภาพ ข้อบกพร่องจากความคลาดเคลื่อนปรากฏเป็นสัญญาณ 'มืด' ที่สัมพันธ์กับพื้นหลัง ส่วนขยายของข้อบกพร่องของ TD (TSD และ TED) จะขนานไปกับทิศทางการเติบโตโดยประมาณ ในขณะที่ส่วนขยายของการเคลื่อนที่ของระนาบฐาน (BPD, ข้อบกพร่องในการซ้อน ฯลฯ) จะถูกจัดวางในแนวตั้งฉากโดยประมาณกับทิศทางการเติบโต การระบุ TSD และ TED ทำได้ผ่านโมเดลการจัดหมวดหมู่ภาพ AI ที่เป็นกรรมสิทธิ์ของ TTS

เพื่อสังเกตกระบวนการการเติบโตของ TSD, ข้อบกพร่อง TED และ BPD หรือข้อบกพร่องในการซ้อนในแท่ง SiC เราได้ประดิษฐ์แท่งโลหะ 4H-SiC ชนิด N และต่อมาก็ตัดส่วนตามยาวที่มีความหนาประมาณ 500μm ตามแนวทิศทางการเติบโต หลังจากการบดพื้นผิวอย่างแม่นยำ ตัวอย่างจะถูกถ่ายภาพโดยใช้ DISPEC9000 โดย TTS รูปที่ 1 แสดงการถ่ายภาพข้อบกพร่องความคลาดเคลื่อนภายในส่วนตามยาวตามที่แสดงในบริบทของวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ เนื่องจากการรวมตัวกันอีกครั้งอย่างรวดเร็วโดยไม่มีการแผ่รังสีของพาหะที่สร้างแสงที่ไซต์ที่มีข้อบกพร่อง ความเข้มของสัญญาณการดูดกลืนแสงชั่วคราวของพาหะที่มีสถานะตื่นเต้นในภูมิภาคเหล่านี้แตกต่างอย่างมีนัยสำคัญจากในพื้นที่ที่ไม่มีข้อบกพร่อง ความแตกต่างนี้ปรากฏเป็นสัญญาณสีดำที่ชัดเจนในการถ่ายภาพการดูดกลืนแสงชั่วคราว โดยเน้นถึงอิทธิพลของข้อบกพร่องที่มีต่อไดนามิกของพาหะ ในส่วนตามยาว ทิศทางการเติบโตของข้อบกพร่องของ TSD และ TED สอดคล้องกับทิศทางการเติบโตของแท่งโลหะ ซึ่งปรากฏเป็นสัญญาณเชิงเส้นแนวตั้งในการถ่ายภาพ ทิศทางการเติบโตของข้อบกพร่อง BPD เกือบจะตั้งฉากกับแท่งโลหะ โดยสร้างมุม ~ 4 องศากับพื้นผิวแท่งโลหะ และปรากฏเป็นสัญญาณเชิงเส้นแนวนอนในการถ่ายภาพ เราได้รับการจำแนกประเภทและการรับรู้ข้อบกพร่องของ TSD และ TED ในส่วนตามยาวผ่านโมเดลการจดจำ AI ข้อมูลขนาดใหญ่

ในความเข้าใจก่อนหน้านี้ ข้อบกพร่องประเภท TD (TSD และ TED) ในแท่ง SiC โดยทั่วไปถูกกำหนดให้เป็นข้อบกพร่อง 'เกลียว' จากการวิเคราะห์ผลการถ่ายภาพด้วยแสงชั่วคราวที่มีข้อบกพร่องของความคลาดเคลื่อนจากส่วนตามยาว เราได้ระบุรูปแบบการเติบโตหลักสองรูปแบบสำหรับข้อบกพร่อง TD ประเภทแรกคือข้อบกพร่องของเกลียวระยะไกล (รูปที่ 2a) ซึ่งมีการเติบโตอย่างต่อเนื่องในหลายมิลลิเมตร ซึ่งแสดงความเข้มของสัญญาณที่เพิ่มขึ้น ข้อบกพร่องเหล่านี้มาพร้อมกับการโค้งงอและการเปลี่ยนแปลงทิศทางระหว่างการแพร่กระจาย ซึ่งบ่งบอกถึงลักษณะที่ขยายออกไปและผลกระทบที่อาจเกิดขึ้นต่อคุณสมบัติของวัสดุ โมเดล AI จะจัดประเภทข้อบกพร่องเหล่านี้เป็นประเภท TSD เบื้องต้น รูปแบบข้อบกพร่อง TD ลักษณะเฉพาะที่สอง เรียกว่าประเภทสลับการเติบโต-การทำลายล้าง-การเติบโต (รูปที่ 2b) จะแสดงสัญญาณคล้ายเส้นประตามทิศทางเฉพาะในภาพ การวิเคราะห์ทางสถิติเผยให้เห็นว่าข้อบกพร่องประเภทนี้จำนวนมากเติบโตเป็น 100-500μm ก่อนที่จะถูกทำลายล้าง ซึ่งน่าจะเกิดขึ้นแบบสุ่มระหว่างการเติบโต โมเดล AI จะจัดหมวดหมู่ข้อบกพร่องเหล่านี้เป็นประเภท TED อย่างไม่แน่นอน

รูปที่ 2 การถ่ายภาพกระบวนการเจริญเติบโตของข้อบกพร่องความคลาดเคลื่อนของ TD (TSD และ TED) (a) ข้อบกพร่อง TD ของการทำเกลียวระยะไกล ส่วนใหญ่เป็น TSD (b) การเติบโตและการทำลายล้างสลับข้อบกพร่องของ TD ซึ่งส่วนใหญ่เป็น TED

ข้อบกพร่องของระนาบฐาน (รวมถึงข้อบกพร่องในการซ้อนและ BPD) จะปรากฏเป็นสัญญาณแนวนอนในการถ่ายภาพสเปกตรัมชั่วคราว เนื่องจากข้อบกพร่องเหล่านี้มีทิศทางการเติบโตหลายทิศทาง ความยาวของสัญญาณในภาพจึงไม่สะท้อนถึงระยะการเจริญเติบโตที่แท้จริง (เช่น การฉายของข้อบกพร่องบนภาพ) จากการวิเคราะห์ข้อมูลที่ครอบคลุม เราได้ค้นพบว่า TSD และความผิดพลาดในการซ้อน เช่นเดียวกับ TED และ BPD จัดแสดงปรากฏการณ์การอยู่ร่วมกันและการเปลี่ยนแปลง ดังแสดงในรูปที่ 3 กระบวนการอยู่ร่วมกันนี้แสดงให้เห็นว่าเป็นการก่อตัวของข้อบกพร่องระนาบฐานแนวนอนหลายจุด ในระหว่างการเติบโตตามแนว TD ซึ่งปรากฏเป็นคุณสมบัติสัญญาณรูปก้างปลาในการถ่ายภาพ นอกจากนี้ เราสังเกตว่าการทำลายล้างข้อบกพร่องของ TD จำนวนมากสามารถเกิดขึ้นพร้อมกับการก่อตัวของข้อบกพร่องระนาบฐานเดียว ซึ่งบ่งชี้ว่าข้อบกพร่องของ TD สามารถเปลี่ยนเป็นข้อบกพร่องของระนาบฐานได้ การค้นพบเหล่านี้บ่งชี้ว่าการก่อตัวของ TD ในแท่ง SiC อาจส่งผลให้เกิดข้อบกพร่องของระนาบฐาน

 

รูปที่ 3 กระบวนการโต้ตอบและการเปลี่ยนแปลงของข้อบกพร่องของ TD และข้อบกพร่องของระนาบฐาน

การก่อตัวของข้อบกพร่องในการเคลื่อนที่ในแท่ง SiC ที่ผลิตผ่านการสังเคราะห์เฟสไอได้รับอิทธิพลจากปัจจัยหลายประการในระหว่างการเจริญเติบโตของแท่งโลหะ รวมถึงการถ่ายโอนมวล การถ่ายโอนพลังงาน อุณหภูมิ และการกระจายวัตถุดิบ ปัจจัยเหล่านี้มีส่วนทำให้เกิดข้อบกพร่องประเภทต่างๆ เช่น ไมโครไปป์, BPD, TED และ TSD ซึ่งอาจส่งผลกระทบอย่างมีนัยสำคัญต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์จ่ายไฟที่ใช้ SiC แม้ว่าการออกแบบและเทคโนโลยีของเตาหลอมโลหะจะได้รับการปรับให้เหมาะสมอย่างมีนัยสำคัญ แต่การควบคุมและปรับปรุงสภาพแวดล้อมการเจริญเติบโตในระดับจุลภาคยังคงเป็นความท้าทายที่สำคัญ การถ่ายภาพความคลาดเคลื่อนของภาพตัดขวางตามยาวเผยให้เห็นว่าความหนาแน่นของข้อบกพร่องในแท่งโลหะโดยมองด้วยตาเปล่าแสดงรูปแบบบางอย่างตั้งแต่เริ่มต้นจนถึงจุดสิ้นสุดของการเติบโต แต่ด้วยกล้องจุลทรรศน์ ความหนาแน่นและการกระจายของข้อบกพร่องจะแตกต่างกันอย่างมีนัยสำคัญและสุ่มในตำแหน่งการเติบโตที่แตกต่างกัน ตามหลักฐานจากการศึกษาเกี่ยวกับการกระจายตัวของความพรุนของการหดตัวและโพรงในแท่งเหล็กและโครงสร้างจุลภาคของ ₂(Co, Cu, Fe, Zr) ₁₇ แท่งโลหะ ผสมซิลิคอนและ Sm ความหนาแน่นและการกระจายตัวของการเคลื่อนที่บนพื้นผิวเวเฟอร์ที่เกิดจากการตัดแผ่นเวเฟอร์ของสารตั้งต้นที่ตำแหน่งต่างๆ ภายในแท่งโลหะอาจได้รับการเปลี่ยนแปลงอย่างมากในระดับจุลภาค ดังนั้น วิธีปัจจุบันในการประเมินความหนาแน่นของข้อบกพร่องความคลาดเคลื่อนของสารตั้งต้นโดยการเลือก 'ชิ้นหัวและส่วนท้าย' ของแท่งโลหะสำหรับการแกะสลัก KOH ไม่สามารถคาดเดาได้อย่างแม่นยำและแสดงถึงความหนาแน่นของข้อบกพร่องและการกระจายตัวของเวเฟอร์แต่ละอันที่ผลิตจากแท่งโลหะทั้งหมด

รูปที่ 4 TTS DISPEC9000: ระบบตรวจสอบข้อบกพร่องการเคลื่อนที่ของซับสเตรต SiC แบบแสงแบบไม่ทำลาย ตามหลักการของสเปกโทรสโกปีการดูดกลืนแสงชั่วคราวของเซมิคอนดักเตอร์ อุปกรณ์นี้จะสังเกตและระบุความคลาดเคลื่อนและข้อบกพร่องของแท่งโลหะต่างๆ โดยตรงผ่านการถ่ายภาพสเปกตรัมชั่วคราวของเวเฟอร์ซับสเตรต ซึ่งแทนที่วิธีการแกะสลัก KOH แบบดั้งเดิมโดยสิ้นเชิง

DISPEC 9000 ตามรายละเอียดในบทความนี้ ใช้เทคโนโลยีออพติคอลแบบไม่เชิงเส้นที่ล้ำสมัยเพื่อทำการสแกนพื้นผิวแบบเต็มบนพื้นผิว SiC เพื่อระบุข้อบกพร่องคริสตัลที่สำคัญได้อย่างมีประสิทธิภาพและไม่ทำลาย แนวทางที่เป็นนวัตกรรมนี้มาแทนที่วิธีการแกะสลัก KOH แบบเดิมซึ่งมีต้นทุนสูง ซึ่งช่วยลดเวลาการตรวจสอบและต้นทุนของสารตั้งต้นได้อย่างมาก และด้วยเหตุนี้จึงช่วยเพิ่มประสิทธิภาพการผลิตและผลผลิต การตรวจสอบสเปกตรัมแบบไม่ทำลายซึ่งเป็นองค์ประกอบสำคัญในการผลิตเซมิคอนดักเตอร์ ช่วยให้การตรวจสอบ 'เวเฟอร์ต่อเวเฟอร์' ง่ายขึ้น โดยให้การสนับสนุนที่มีประสิทธิภาพสำหรับการจัดการข้อบกพร่องในการเติบโตของชั้นเอพิเทเชียลและกระบวนการผลิตชิปในภายหลัง ด้วยการใช้อัลกอริธึมการจัดหมวดหมู่ภาพ AI ระบบนำเสนอการตรวจสอบย้อนกลับข้อมูลข้อบกพร่องในแหล่งกำเนิดที่ครอบคลุม ซึ่งเป็นสิ่งสำคัญสำหรับการวิเคราะห์ความล้มเหลวของชิปและการควบคุมผลผลิต เราเชื่อว่าการนำเทคโนโลยีการตรวจสอบข้อบกพร่องการเคลื่อนที่แบบไม่ทำลายมาใช้อย่างแพร่หลายสำหรับซับสเตรต SiC จะช่วยพัฒนาการวิจัยอย่างมากเกี่ยวกับกลไกการเติบโตของแท่ง SiC และปรับปรุงการควบคุมคุณภาพในการผลิตแผ่นเวเฟอร์ทางอุตสาหกรรม ซึ่งจะช่วยส่งเสริมการพัฒนาคุณภาพสูงของวัสดุและอุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์รุ่นที่สาม