Công nghệ kiểm tra khuyết tật trật khớp không phá hủy hỗ trợ nghiên cứu cơ chế phát triển của khuyết tật trật khớp trong tinh thể SiC

Các khiếm khuyết trong tấm wafer SiC (bao gồm hình thái bề mặt, lỗi xếp chồng và lỗi lệch vị trí) là những yếu tố chính ảnh hưởng đến năng suất và độ tin cậy lâu dài của chip nguồn SiC. Đối với các tấm wafer 4H-SiC dẫn điện, việc giảm mật độ khuyết tật bằng cách kiểm soát hợp lý quá trình phát triển và chế tạo phôi từ quá trình phát triển phôi, xử lý chất nền đến tăng trưởng epiticular, là mục tiêu lâu dài của các nhà sản xuất SiC. Trong thập kỷ qua, mặc dù có những cải tiến đáng kể về kỹ thuật chế tạo và tăng trưởng phôi SiC, mật độ khuyết tật trong các tấm wafer SiC vẫn cao hơn 3-4 bậc so với các tấm wafer dựa trên silicon truyền thống, do sự phức tạp của cấu trúc tinh thể và phương pháp tăng trưởng của chúng. Yếu tố hạn chế chính xuất phát từ sự hiểu biết khoa học chưa đầy đủ về cơ chế tăng trưởng phôi SiC và các yếu tố ảnh hưởng. Do đó, việc quan sát sự hình thành và phát triển các khuyết tật trong thỏi SiC và phân tích cơ chế tạo ra chúng là đặc biệt quan trọng để sản xuất các tấm bán dẫn chất lượng cao và cải thiện hiệu suất chip.

Nghiên cứu về khuyết tật của tấm wafer SiC dựa vào các thiết bị kiểm tra đa dạng. Các kỹ thuật kiểm tra không phá hủy hiện nay, bao gồm quét bề mặt trường sáng-tối quang học, chụp ảnh huỳnh quang và quang phổ Raman, có thể xác định một cách hiệu quả các khuyết tật như rỗ, phần nhô ra, vết trầy xước và lỗi xếp chồng trong chất nền SiC và tấm wafer epiticular. Tuy nhiên, đối với các khuyết tật lệch vị trí trong các tấm nền (Trật khớp vít ren (TSD), Trật khớp ren (TED) và Trật khớp mặt phẳng cơ bản (BPD)), phương pháp thông thường để xác định từ lâu đã dựa vào phương pháp ăn mòn phá hủy KOH. Nghiên cứu về quá trình tăng trưởng và cơ chế biến đổi của chúng gặp nhiều thách thức do những hạn chế trong kỹ thuật kiểm tra phá hủy như vậy. Mặc dù địa hình tia X (XRT) có thể ghi lại hình ảnh các khuyết tật lệch vị trí trong các tấm bán dẫn SiC một cách không phá hủy, nhưng việc áp dụng rộng rãi nó trong nghiên cứu và công nghiệp bị hạn chế bởi chi phí thiết bị cao, độ phức tạp trong vận hành và thời gian đo dài. Do đó, các câu hỏi quan trọng về cách các khiếm khuyết TSD, TED và BPD tồn tại và biến đổi trong quá trình phát triển tinh thể SiC, cách chúng di chuyển từ chất nền sang lớp epitaxy và các cơ chế cơ bản của chúng vẫn chưa rõ ràng trong cả giới học thuật và công nghiệp. Những vấn đề chưa được giải quyết này hạn chế đáng kể những cải tiến trong quá trình tăng trưởng phôi SiC và nâng cao chất lượng wafer.

Đầu năm 2024, Time-Tech Spectra (TTS) đã phát triển một công cụ kiểm tra nhanh và không phá hủy (DISPEC 9000/8000) để phát hiện các khiếm khuyết về vị trí trong các tấm nền SiC dẫn điện. Bằng cách sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ nhất thời kết hợp với thuật toán nhận dạng AI, công cụ này đạt được khả năng kiểm tra quang học nhanh chóng, chính xác và không tiếp xúc đối với các khuyết tật như TSD, TED và BPD, đồng thời hứa hẹn sẽ thay thế các phương pháp khắc KOH truyền thống. Cộng tác với Giáo sư Wang tại Trung tâm Đổi mới Khoa học và Công nghệ Toàn cầu ZJU-Hangzhou, TTS đã theo dõi thành công sự xuất hiện, loại bỏ và biến đổi các khiếm khuyết khác nhau - bao gồm các khiếm khuyết về sự cùng tồn tại của nhiều kiểu, khiếm khuyết điểm, sai lệch và lỗi xếp chồng - trong các mẫu phôi SiC dẫn điện. Sự tiến bộ này cung cấp những hiểu biết thực nghiệm cần thiết về cơ chế tăng trưởng và tối ưu hóa quy trình của thỏi SiC, bằng chứng là nghiên cứu gần đây về phương pháp phản ứng hơi hóa học (CVR) và tối ưu hóa quy trình tổng hợp. Bài viết này trình bày các kết quả thực nghiệm được chọn lọc từ nghiên cứu của chúng tôi.

 Hình 1. Hình ảnh kiểm tra khuyết tật trật khớp của mặt cắt dọc phôi 4H-SiC loại N. Thỏi SiC được cắt dọc theo hướng phát triển của nó và các phần cắt được mài bề mặt chính xác. Hình ảnh quang học không phá hủy của các khuyết tật trật khớp được thực hiện bằng hệ thống DISPEC9000. Trong ảnh, các khuyết tật lệch vị trí xuất hiện dưới dạng tín hiệu 'tối' so với nền. Phần mở rộng của các khuyết tật TD (TSD và TED) chạy gần như song song với hướng phát triển, trong khi phần mở rộng của các sai lệch mặt phẳng cơ sở (BPD, lỗi xếp chồng, v.v.) được định hướng gần như vuông góc với hướng phát triển. Việc xác định TSD và TED đạt được thông qua mô hình phân loại hình ảnh AI độc quyền của TTS.

Để quan sát quá trình phát triển của khuyết tật TSD, TED và lỗi BPD hoặc lỗi xếp chồng trong các thỏi SiC, chúng tôi đã chế tạo các thỏi 4H-SiC loại N và sau đó cắt các mặt cắt dọc dày khoảng 500μm dọc theo hướng tăng trưởng. Sau khi mài bề mặt chính xác, các mẫu được chụp ảnh bằng DISPEC9000 bởi TTS. Hình 1 minh họa hình ảnh cục bộ của các khuyết tật trật khớp trong mặt cắt dọc, như được minh họa trong bối cảnh vật liệu bán dẫn. Do sự tái hợp nhanh chóng không bức xạ của các chất mang được quang hóa tại các vị trí khuyết tật, cường độ tín hiệu hấp thụ nhất thời của các chất mang trạng thái kích thích ở những vùng này khác biệt đáng kể so với cường độ tín hiệu hấp thụ nhất thời của các chất mang trạng thái kích thích ở những vùng này khác biệt đáng kể so với cường độ tín hiệu ở những vùng không bị khiếm khuyết. Độ tương phản này biểu hiện dưới dạng tín hiệu đen riêng biệt trong hình ảnh hấp thụ thoáng qua, làm nổi bật ảnh hưởng của khuyết tật đối với động lực sóng mang. Trong mặt cắt dọc, hướng phát triển của khuyết tật TSD và TED thẳng hàng với hướng phát triển của phôi, biểu hiện dưới dạng tín hiệu tuyến tính dọc trong hình ảnh. Hướng phát triển của khuyết tật BPD gần như vuông góc với hướng của phôi, tạo thành một góc ~ 4 độ với bề mặt phôi và xuất hiện dưới dạng tín hiệu tuyến tính nằm ngang trong hình ảnh. Chúng tôi đã đạt được sự phân loại và ghi nhận các khuyết tật TSD và TED trong mặt cắt dọc thông qua mô hình nhận dạng AI dữ liệu lớn.

Theo cách hiểu trước đây, các khuyết tật loại TD (TSD và TED) trong thỏi SiC thường được định nghĩa là các khuyết tật 'luồng'. Thông qua phân tích các kết quả hình ảnh quang học thoáng qua về khuyết tật trật khớp từ các mặt cắt dọc, chúng tôi đã xác định được hai mô hình tăng trưởng chính cho các khuyết tật TD. Loại đầu tiên là khiếm khuyết ren tầm xa (Hình 2a), được đặc trưng bởi sự phát triển liên tục trên vài mm, biểu hiện cường độ tín hiệu tăng cường. Những khiếm khuyết này đi kèm với sự thay đổi uốn cong và định hướng trong quá trình lan truyền của chúng, điều này cho thấy tính chất mở rộng của chúng và tác động tiềm tàng đến các tính chất của vật liệu. Mô hình AI phân loại sơ bộ các khiếm khuyết này thành loại TSD. Mẫu khiếm khuyết TD đặc trưng thứ hai, được gọi là loại xen kẽ tăng trưởng-hủy diệt-tăng trưởng (Hình 2b), hiển thị các tín hiệu giống như đường gạch ngang dọc theo các hướng cụ thể trong hình ảnh. Phân tích thống kê cho thấy nhiều loại khuyết tật này phát triển trong khoảng 100-500μm trước khi bị hủy diệt, điều này có thể xảy ra ngẫu nhiên trong quá trình phát triển. Mô hình AI tạm thời phân loại những khiếm khuyết này thành loại TED.

Hình 2. Hình ảnh về quá trình phát triển của khuyết tật trật khớp TD (TSD và TED). (a) Các khuyết tật TD ren tầm xa, chủ yếu là TSD. (b) Khiếm khuyết TD xen kẽ tăng trưởng-hủy diệt, chủ yếu là TED.

Các khuyết tật mặt phẳng cơ sở (bao gồm các lỗi xếp chồng và BPD) xuất hiện dưới dạng tín hiệu định hướng theo chiều ngang trong hình ảnh quang phổ thoáng qua. Vì những khuyết tật này thể hiện nhiều hướng phát triển nên độ dài tín hiệu của chúng trong hình ảnh không phản ánh khoảng cách phát triển thực tế (tức là hình chiếu của khuyết tật trên hình ảnh). Thông qua phân tích dữ liệu sâu rộng, chúng tôi đã phát hiện ra rằng TSD và các lỗi xếp chồng, cũng như TED và BPD, thể hiện hiện tượng cùng tồn tại và biến đổi, như được minh họa trong Hình 3. Quá trình cùng tồn tại này biểu hiện dưới dạng sự hình thành nhiều khuyết tật mặt phẳng cơ sở định hướng theo chiều ngang trong quá trình phát triển dọc theo TD, xuất hiện dưới dạng các đặc điểm tín hiệu hình xương cá trong hình ảnh. Ngoài ra, chúng tôi quan sát thấy rằng sự tiêu diệt nhiều khuyết tật TD có thể đi kèm với sự hình thành một khiếm khuyết mặt phẳng cơ sở, cho thấy rằng các khuyết tật TD có thể chuyển thành các khuyết tật mặt phẳng cơ sở. Những phát hiện này chỉ ra rằng sự hình thành TD trong thỏi SiC có thể dẫn đến hình thành khuyết tật mặt phẳng cơ sở.

 

Hình 3. Quá trình tương tác và biến đổi của khuyết tật TD và khuyết tật mặt phẳng cơ sở.

Sự hình thành các khuyết tật lệch vị trí trong các thỏi SiC được tạo ra thông qua quá trình tổng hợp pha hơi bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố trong quá trình phát triển của phôi, bao gồm truyền khối, truyền năng lượng, nhiệt độ và phân phối nguyên liệu thô. Những yếu tố này góp phần tạo ra nhiều loại khuyết tật khác nhau như micropipes, BPD, TED và TSD, có thể ảnh hưởng đáng kể đến hiệu suất của các thiết bị nguồn dựa trên SiC. Mặc dù thiết kế và công nghệ của lò tăng trưởng phôi đã được tối ưu hóa đáng kể, việc kiểm soát và cải thiện môi trường tăng trưởng ở quy mô vi mô vẫn là một thách thức lớn. Hình ảnh lệch vị trí của các mặt cắt dọc cho thấy rằng về mặt vĩ mô, mật độ khuyết tật trong phôi thể hiện một số mô hình nhất định từ khi bắt đầu đến khi kết thúc quá trình tăng trưởng, nhưng về mặt vi mô, mật độ và sự phân bố của các khuyết tật thay đổi đáng kể và ngẫu nhiên trên các vị trí tăng trưởng khác nhau, bằng chứng là các nghiên cứu về sự phân bố độ xốp co ngót và lỗ rỗng trong phôi thép và cấu trúc vi mô của phôi hợp kim silicon và Sm ₂(Co, Cu, Fe, Zr) ₁₇ . Mật độ trật khớp và sự phân bố trên bề mặt tấm bán dẫn được tạo ra bằng cách cắt tấm bán dẫn ở các vị trí khác nhau trong phôi có thể trải qua những thay đổi đáng kể ở cấp độ vi mô. Do đó, phương pháp đánh giá mật độ khuyết tật lệch vị trí của chất nền bằng cách chọn 'lát cắt đầu và đuôi' hiện tại của phôi để khắc KOH không thể dự đoán và biểu thị chính xác mật độ khuyết tật và sự phân bố của từng tấm bán dẫn được tạo ra từ toàn bộ phôi.

Hình 4. TTS DISPEC9000: Hệ thống kiểm tra khuyết tật dịch chuyển nền SiC quang học không phá hủy. Dựa trên nguyên lý quang phổ hấp thụ nhất thời bán dẫn, thiết bị này trực tiếp quan sát và xác định các sai lệch và các khuyết tật phôi khác nhau thông qua hình ảnh quang phổ nhất thời của các tấm nền, thay thế hoàn toàn phương pháp khắc KOH truyền thống.

DISPEC 9000, như được trình bày chi tiết trong bài viết này, sử dụng công nghệ quang phi tuyến tính tiên tiến nhất để thực hiện quét toàn bộ bề mặt trên chất nền SiC, xác định một cách hiệu quả và không phá hủy các khuyết tật tinh thể nghiêm trọng. Cách tiếp cận sáng tạo này thay thế phương pháp ăn mòn KOH thông thường và tốn kém, giảm đáng kể thời gian kiểm tra và chi phí chất nền, từ đó nâng cao hiệu quả và năng suất sản xuất. Kiểm tra quang phổ không phá hủy, là một thành phần quan trọng trong sản xuất chất bán dẫn, tạo điều kiện thuận lợi cho việc kiểm tra 'từng tấm wafer', cung cấp sự hỗ trợ mạnh mẽ cho việc quản lý lỗi trong quá trình phát triển lớp epiticular và chế tạo chip tiếp theo. Bằng cách sử dụng thuật toán phân loại hình ảnh AI, hệ thống cung cấp khả năng truy nguyên dữ liệu lỗi tại chỗ toàn diện, điều này rất quan trọng cho việc phân tích lỗi chip và kiểm soát năng suất. Chúng tôi tin rằng việc áp dụng rộng rãi công nghệ kiểm tra khuyết tật lệch vị trí không phá hủy cho chất nền SiC sẽ thúc đẩy đáng kể nghiên cứu về cơ chế tăng trưởng phôi SiC và cải thiện kiểm soát chất lượng trong sản xuất wafer công nghiệp, từ đó thúc đẩy sự phát triển chất lượng cao của vật liệu và thiết bị bán dẫn thế hệ thứ ba.