前段時(shí)間，因?yàn)槲抑霸谀称脚_(tái)上分享了一篇關(guān)于“半導(dǎo)體碳化硅（SiC）同質(zhì)外延層厚度無(wú)損紅外反射光譜法的分析詳解；”的文章而被很多同行或是有興趣的朋友所關(guān)注，所以，本章節(jié)就“三代半碳化硅（SiC）同質(zhì)外延層厚度無(wú)損檢測(cè)技術(shù)”再度跟大家聊一聊。

大家都知道：近年來(lái)，5G通信、新能源汽車、光伏行業(yè)推動(dòng)了第三代半導(dǎo)體材料碳化硅（SiC）技術(shù)的快速發(fā)展。相較于成熟的硅（Si）材料，SiC具有禁帶寬、擊穿電場(chǎng)高、電子飽和遷移率高、熱導(dǎo)率高等優(yōu)良的物理化學(xué)特性，是制備高溫、高壓、高頻、大功率器件的理想材料，如電力轉(zhuǎn)換器、光伏逆變器、射頻放大器、濾波器等。

而SiC功率器件往往需要通過在SiC 襯底上生成所需的薄膜材料形成外延片，從而更易于獲得完美可控的晶體結(jié)構(gòu)，更利于材料的應(yīng)用開發(fā)。隨著外延生長(zhǎng)技術(shù)的進(jìn)步，SiC外延層厚度也從幾μm發(fā)展到上百μm，也從同質(zhì)外延發(fā)展為異質(zhì)等多種晶體。

對(duì)外延片品質(zhì)影響最大的是外延層的厚度以及電阻率的均勻性,因此在實(shí)際生產(chǎn)中對(duì)延片的厚度進(jìn)行測(cè)量是很重要的一環(huán)。

一、碳化硅（SiC）外延厚度測(cè)定原理

在硅同質(zhì)/異質(zhì)外延生產(chǎn)中，紅外傅立葉變換光譜技術(shù)（FTIR）是測(cè)試硅外延層厚度一種非常成熟的方法，具有準(zhǔn)確、快速、無(wú)損等優(yōu)勢(shì)，非常適合工業(yè)化使用。因此在碳化硅外延厚度測(cè)定上也得到了推廣應(yīng)用，已形成了《GB/T 42905-2023碳化硅外延層厚度的測(cè)試 紅外反射法》標(biāo)準(zhǔn)。

儀器測(cè)試原理：襯底與外延層因摻雜濃度不同而導(dǎo)致的不同折射率，紅外光入射到外延層后，一部分從襯底表面反射回來(lái)，一部分從外延層表面反射出來(lái)，這兩束光在一定條件下會(huì)產(chǎn)生干涉條紋，根據(jù)干涉條紋的數(shù)量、折射率以及紅外光入射角可以計(jì)算出外延層的厚度d（原理示意圖如下）：

通常的計(jì)算公式如下：

式中，d表示厚度，單位μm；M表示不同波數(shù)間的峰個(gè)數(shù)；n表示鍍膜材料折射率；θ表示入射角；，1/λ2 、1/λ1 表示波數(shù)。

采用FTIR配合顯微分析技術(shù)，可避免損傷晶圓，實(shí)現(xiàn)SiC外延層厚度的測(cè)試。

二、碳化硅（SiC）外延厚度測(cè)試方法

當(dāng)前，因?yàn)橹袊?guó)半導(dǎo)體行業(yè)技術(shù)經(jīng)驗(yàn)積累比較薄弱，而碳化硅（SiC）外延工藝技術(shù)要攻克的難點(diǎn)又比較多，所以如我在之前分享的文章中講到的一樣，目前外延層厚度測(cè)試方法有：掃描電鏡SEM法，可以通過晶界獲得比較準(zhǔn)確的厚度結(jié)果，但是對(duì)樣品有一定的破壞性或需要切片后通過測(cè)試橫截面，對(duì)于批量生產(chǎn)的外延企業(yè)來(lái)講不是很友好；

另外此方法還僅限于在同質(zhì)外延工藝上，因?yàn)橥|(zhì)外延由于晶型相同只是載流子濃度不同，晶界的區(qū)分上也有難度。光學(xué)方法，可實(shí)現(xiàn)非接觸無(wú)損檢測(cè)，而且可以測(cè)試整片外延晶圓片。比較常見的有基于規(guī)則干涉條紋的Fabry-Perot干涉結(jié)合經(jīng)驗(yàn)公式算法，如紫外可見反射光譜法，紅外反射光譜法，基于規(guī)則周期性干涉條紋及經(jīng)驗(yàn)公式 d=1/(n*Δ?)1方法，有一定的局限性，受折射率取值及頻率選取范圍影響較大；以及基于物理模型的擬合計(jì)算方法，如橢圓偏振儀，而橢圓偏振儀一般采用的光波波長(zhǎng)是紫外到近紅外波段，比較適合測(cè)試較薄的幾十納米到幾百納米尺度厚的外延/膜層厚度。功率器件根據(jù)器件工作電壓，外延層厚度基本都在微米量級(jí)，工作電壓越高外延層厚度越厚，而紅外光波長(zhǎng)1-20微米，剛好跟微米尺度厚度的寬禁帶化合物半導(dǎo)體外延層厚度相當(dāng)，可以在此波段獲得外延層的光學(xué)特征。

而講到的：利用紅外反射光譜法可測(cè)量半導(dǎo)體外延層厚度，無(wú)論硅基還是化合物半導(dǎo)體，且測(cè)量精度極高。此方法是基于紅外光在層狀結(jié)構(gòu)中產(chǎn)生的光干涉效應(yīng)的分析，結(jié)合基礎(chǔ)的物理自洽擬合模型，充分利用所測(cè)得的寬范圍外延層譜學(xué)特征，利用介電函數(shù)對(duì)于不同摻雜濃度、不同波段折射率參數(shù)、阻尼很難準(zhǔn)確確定的情況下，無(wú)需考慮折射率取值及波段范圍，利用擬合方式對(duì)所測(cè)得的全譜譜學(xué)特征進(jìn)行數(shù)學(xué)擬合給出準(zhǔn)確的外延層厚度值。不僅可用于單層外延層層厚分析，更重要的還可以用于復(fù)雜多層結(jié)構(gòu)外延層層厚分析。

當(dāng)然，上面講到的擬合方式及擬合算法，我們也要考慮到相關(guān)的一些重要參數(shù)：

1、襯底和外延層的載流子濃度（對(duì)應(yīng)樣品摻雜濃度和譜圖中的等離子邊）；

2、阻尼（對(duì)應(yīng)樣品每個(gè)波長(zhǎng)下對(duì)應(yīng)的折射率和譜圖中干涉條紋的衰減行為）；

3、襯底和外延層的電學(xué)性質(zhì)（如：偏金屬性、偏半導(dǎo)體性、或偏絕緣性等）；

4、外延層層數(shù)（每一層中的上述參數(shù)均單獨(dú)考慮）；

5、外延層厚度（每一層）；

所以，擬合模型對(duì)于厚度、載流子濃度、阻尼是非常靈敏的，如下圖所示：

同時(shí)，紅外光譜法還可以結(jié)合布魯克INVENIO，VERTEX系列寬波段光譜儀，可用于亞微米量級(jí)至毫米量級(jí)的外延層層厚的分析。

厚度范圍：亞微米量級(jí)至毫米量級(jí)

同質(zhì)外延、異質(zhì)外延

單層、多層

專用的分析模型，尤其對(duì)于復(fù)雜、多層結(jié)構(gòu)的分析

可選自動(dòng)晶圓掃描成像附件，可對(duì)直徑2"—12"的晶圓進(jìn)行自動(dòng)多點(diǎn)測(cè)試、分析：

三、碳化硅（SiC）外延厚度的測(cè)試方法

以下是要跟大家分享的：GB-T-42905-2023碳化硅外延層厚度的測(cè)試——紅外反射法的國(guó)標(biāo)詳細(xì)內(nèi)容：

因?yàn)楸疚募鹿?jié)太多，剩下部分如有朋友有需要，可加入我“知識(shí)星球”免費(fèi)下載PDF版本。注意：此資料只可供自己學(xué)習(xí)，不可傳閱，平臺(tái)有下載記錄，切記！文末有加入“星球”方式，歡迎加入后一起交流學(xué)習(xí)。

四、碳化硅（SiC）外延均勻性測(cè)試

對(duì)于SiC晶圓，外延層厚度理論值11 μm，測(cè)試不同位置（0~16號(hào)位點(diǎn)）處的外延層厚度。樣品無(wú)需前處理，直接進(jìn)行顯微紅外無(wú)損測(cè)試。

觀察不同位點(diǎn)在2500~3500cm-1波段下的紅外光譜重疊圖，可見明顯的干涉條紋。

隨后分別測(cè)定了樣品標(biāo)記的17個(gè)位點(diǎn)，每個(gè)位點(diǎn)重復(fù)測(cè)試5次， 17個(gè)位點(diǎn)的厚度平均值為11.115微米，總的RSD值為2.13%，與理論值偏差1.05%。

從不同位點(diǎn)外延層厚度結(jié)果來(lái)看，SiC晶圓外延厚度并非完全均一，呈現(xiàn)邊緣薄，中間厚的趨勢(shì)。

五、碳化硅（SiC）外延厚度測(cè)量設(shè)備國(guó)產(chǎn)化趨勢(shì)

近年來(lái)半導(dǎo)體設(shè)備的周期性正在減弱，行業(yè)增長(zhǎng)趨勢(shì)加強(qiáng)。而在半導(dǎo)體制造環(huán)節(jié)量測(cè)設(shè)備市場(chǎng)中，科磊、應(yīng)用材料、日立高新技術(shù)等外國(guó)企業(yè)形成了巨頭壟斷優(yōu)勢(shì)，國(guó)產(chǎn)化率極低。在細(xì)分領(lǐng)域，F(xiàn)TIR晶圓量測(cè)設(shè)備也大多依賴國(guó)外廠商進(jìn)口。

作為一些較早布局半導(dǎo)體設(shè)備領(lǐng)域的中國(guó)本土企業(yè)，早已針對(duì)晶圓類產(chǎn)品可提供高精度光學(xué)檢測(cè)設(shè)備了，這些設(shè)備將應(yīng)用于半導(dǎo)體前道量測(cè)，主要針對(duì)硅外延/碳化硅外延層厚度進(jìn)行測(cè)量。設(shè)備采用了高精算法、Load Port、控制軟件以及FTIR光路系統(tǒng)。他們自主研發(fā)的FTIR光路系統(tǒng)，可快速檢測(cè)晶圓厚度，實(shí)現(xiàn)了掃描速度快、分辨率高、靈敏度高等需求。通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，國(guó)產(chǎn)檢測(cè)設(shè)備具有如下兩大優(yōu)勢(shì)：

1、兼容性強(qiáng)，可基于客戶需求進(jìn)行定制化

目前FTIR傅里葉紅外晶圓測(cè)量設(shè)備國(guó)內(nèi)市場(chǎng)嚴(yán)重依賴進(jìn)口，而進(jìn)口設(shè)備大多為預(yù)設(shè)程序，兼容性低，且無(wú)法為國(guó)內(nèi)企業(yè)進(jìn)行定制化改造。而國(guó)產(chǎn)檢測(cè)設(shè)備可滿足客戶不同需求，按照客戶要求進(jìn)行設(shè)備定制化，如對(duì)接客戶MES系統(tǒng)或依據(jù)工程師習(xí)慣進(jìn)行軟件改進(jìn)，可大幅降低客戶的使用及維護(hù)成本。

2、測(cè)量時(shí)間更短，精度更高

國(guó)產(chǎn)設(shè)備在測(cè)量硅晶圓速度、單片硅晶圓測(cè)量時(shí)間、測(cè)量精度、測(cè)試重復(fù)性、單點(diǎn)重復(fù)性等性能都達(dá)到了國(guó)際領(lǐng)先水平，部分性能甚至超越國(guó)外同類產(chǎn)品。

六、碳化硅（SiC）外延厚度及均勻性無(wú)損檢測(cè)技術(shù)的Q/A

1、Q：在擬合 SiC on SiC 以及 Si on Si 的 反射率-波數(shù)圖像時(shí)，折射率應(yīng)該采用何種建模方式？目前采用圖片中的方式進(jìn)行折射率建模，最終得到的 SiC on SiC 擬合圖像在大于1000cm-1和小于700cm-1的部分反射率振幅均明顯大于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)（我們已經(jīng)嘗試過使用各種起始參數(shù)優(yōu)化，最終的擬合圖像均存在這個(gè)問題）。

A：針對(duì)于碳化硅外延 SiC on SiC和 Si on Si這兩種情況，折射率的建模方式是有根本性的不同。其核心原則是：外延層與襯底的材料屬性決定了模型的復(fù)雜度和折射率的處理方式。所以，對(duì)于 Si on Si一般會(huì)采用固定且相同的折射率模型，只擬合厚度。這是驗(yàn)證系統(tǒng)的“標(biāo)尺”。而對(duì)于 SiC on SiC，就會(huì)采用以標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，并允許微小浮動(dòng)修正的折射率模型。同時(shí)擬合厚度和微調(diào)折射率，以補(bǔ)償摻雜和缺陷帶來(lái)的差異。BEMA 是實(shí)現(xiàn)這種修正的常用且有效的手段。通過這種分級(jí)建模 approach，你可以從簡(jiǎn)單的 Si on Si 系統(tǒng)中建立信心，然后成功地應(yīng)用到更復(fù)雜的 SiC on SiC 外延工藝監(jiān)控中，精確地提取出外延層厚度和光學(xué)性質(zhì)信息。而關(guān)于折射率的數(shù)據(jù)庫(kù)那部分，SiC的可查閱權(quán)威的光學(xué)手冊(cè)（如 Handbook of Optical Constants of Solids by Palik）、晶體數(shù)據(jù)庫(kù)（如 ICSD）或研究論文（搜索 “optical constants of 4H-SiC”, “ellipsometry on SiC”）。而Si已非常成熟哪里都可以查。

Q：目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)SiC on SiC以及Si on Si的全譜擬合。目前利用菲涅爾公式建立了基本的薄膜干涉光學(xué)模型。并通過drude-lorentz 模型建模折射率，但是該模型在擬合SiC on SiC時(shí)存在振幅過大的問題，擬合Si on Si時(shí)效果也很差。為何Si on Si隨著波數(shù)增大出現(xiàn)了振幅衰減的情況？我又該如何修正模型使擬合圖像更接近真值？

A：首先，因?yàn)榉瓷涔庾V在波數(shù)域上是等間隔振蕩的，其振蕩頻率（f）與厚度（d）成正比。所以我們?cè)谧鐾暾姆瓷渎誓Ｐ蜁r(shí)是一定要考慮振幅的問題。另外，我們還要了解模型中振蕩周期的來(lái)源，從而進(jìn)行精確的擬合，需要建立完整的反射率表達(dá)式。這需要用到傳輸矩陣法（TMM） 或菲涅爾方程呢。

所以，一開始就有強(qiáng)調(diào)在引入色散模型時(shí)折射率 n(λ) 是關(guān)鍵。因?yàn)樘蓟璧恼凵渎?n 并非常數(shù)，它隨著波長(zhǎng) λ 變化，這種關(guān)系稱為色散。忽略色散會(huì)導(dǎo)致厚度計(jì)算出現(xiàn)巨大誤差。因此，必須用一個(gè)準(zhǔn)確的色散模型來(lái)描述 n(λ)。考慮并修正了以上這些，在最后的參數(shù)擬合時(shí)，無(wú)論從理論還是到測(cè)量相對(duì)來(lái)說(shuō)都會(huì)接近或是準(zhǔn)確到我們擬合算法的結(jié)果的，因?yàn)檫@個(gè)是融合了物理學(xué)、光學(xué)和數(shù)學(xué)算法的模型，使得通過簡(jiǎn)單快速的非接觸式光學(xué)測(cè)量來(lái)精確測(cè)定碳化硅外延層厚度成為可能的，因此其中的相互配合和一致性與兼容性也是比較重要的。

2、Q：在用紅外反射光譜法測(cè)量碳化硅外延層厚度時(shí)，這個(gè)圖像是從紅外光譜儀上得到的對(duì)嗎？如何理解這個(gè)縱坐標(biāo)反射率呢？這種高低起伏變化的規(guī)律，以及波數(shù)大概大于1500之后為什么會(huì)出現(xiàn)周期性的反射率？

A：上圖圖像確實(shí)是從紅外光譜儀上得到的，同時(shí)，這個(gè)圖像也是非常典型的，正是紅外光譜儀測(cè)量SiC外延層厚度后直接得到的原始光譜圖。所以，這種技術(shù)被稱為傅里葉變換紅外反射光譜（FTIR Reflectance Spectroscopy）。您看到的圖像中起伏的、像波浪一樣的曲線，就是由這種干涉現(xiàn)象形成的，稱為干涉條紋（Interference Fringes）。這些條紋的形態(tài)（周期、振幅）直接包含了外延層厚度的信息。而至于您問到:如何理解這個(gè)縱坐標(biāo)“Modified Reflectance”（修正反射率）的問題，這是一個(gè)非常關(guān)鍵的概念?？v坐標(biāo)不是簡(jiǎn)單的絕對(duì)反射率，而是經(jīng)過數(shù)學(xué)處理的“修正”后的值。這樣做的核心目的是通過除以（或與）襯底的反射率進(jìn)行歸一化處理，可以消除掉由材料本身光學(xué)性質(zhì)（如折射率）和表面粗糙度等因素引起的影響，從而凸顯出純粹由外延層干涉效應(yīng)產(chǎn)生的信號(hào)。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)： “Modified Reflectance”是一個(gè)經(jīng)過歸一化處理的、背景被拉平了的相對(duì)反射率。它的數(shù)值大小本身沒有絕對(duì)的物理意義（比如60%并不代表絕對(duì)反射了60%的光），但其波峰和波谷的周期性變化極其重要。厚度計(jì)算正是基于這些波峰波谷之間的距離（即干涉周期）來(lái)完成的。所以，綜合來(lái)說(shuō)，您看到的那張圖正是FTIR厚度測(cè)量中最核心、最標(biāo)準(zhǔn)的輸出結(jié)果圖像。橫坐標(biāo)是波數(shù)（cm?1），縱坐標(biāo)是經(jīng)過歸一化處理的“修正反射率”，其干涉條紋的疏密直接反映了外延層的厚?。l紋越密，外延層越厚）。

Q：0到1000波數(shù)之間那個(gè)突增的高峰是怎么出現(xiàn)的呢？以及怎樣由圖中波數(shù)、反射率去計(jì)算外延層的厚度？

A：0到1000波數(shù)之間的突增高峰的出現(xiàn)與測(cè)量原理無(wú)關(guān)，它是一個(gè)由實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)本身產(chǎn)生的假信號(hào)（Artifact）。因此，這個(gè)高峰不是SiC樣品本身的真實(shí)光學(xué)響應(yīng)，而是儀器本身的限制所導(dǎo)致的假象。在分析數(shù)據(jù)時(shí)，這個(gè)區(qū)域通常會(huì)被忽略或剔除。而計(jì)算厚度的原理是基于光學(xué)干涉效應(yīng)。您可以看到在1500-2500 cm?1范圍內(nèi)，反射譜呈現(xiàn)出明暗相間的周期性震蕩條紋。這些條紋就是干涉條紋。所以，低波數(shù)高峰是儀器分束器（KBr）導(dǎo)致的假信號(hào)，可忽略。而計(jì)算厚度則是利用干涉條紋的周期性和公式 d = 1/(2n Δν) 進(jìn)行計(jì)算，其中關(guān)鍵是要從圖中讀出相鄰干涉極值點(diǎn)之間的波數(shù)差 Δν，并使用正確的折射率 n。

3、Q：碳化硅（SiC）外延厚度紅外線無(wú)損檢測(cè)的擬合模型是什么？以及擬合參數(shù)又是什么？

A：碳化硅外延層的紅外測(cè)量基于紅外光在薄膜層中產(chǎn)生的干涉效應(yīng)。當(dāng)一束寬光譜的紅外光照射到外延片時(shí)，會(huì)在空氣/外延層界面和外延層/襯底界面發(fā)生反射和透射。這些反射光之間會(huì)發(fā)生相長(zhǎng)干涉和相消干涉，從而在測(cè)量得到的光譜上形成周期性的干涉條紋（即干涉圖譜）。擬合模型的核心任務(wù)就是通過分析這些干涉條紋的周期性和強(qiáng)度，反向推導(dǎo)出外延層的厚度。所以，擬合模型主要分為兩大類：物理模型和簡(jiǎn)化經(jīng)驗(yàn)?zāi)Ｐ?。而至于擬合參數(shù)，大致可以分為兩類：被擬合參數(shù)和固定參數(shù)。因此，當(dāng)您問到“擬合模型”時(shí)，通常指的是基于菲涅爾方程和傳遞矩陣法的物理模型。而“擬合參數(shù)”主要指外延層厚度（d），但這個(gè)結(jié)果的準(zhǔn)確性極度依賴于預(yù)先設(shè)置的固定參數(shù)——特別是外延層和襯底的光學(xué)常數(shù)（n, k）。商業(yè)儀器的軟件已經(jīng)內(nèi)置了經(jīng)過驗(yàn)證的SiC材料光學(xué)常數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)，這是其測(cè)量準(zhǔn)確的核心保障。

七、寫在最后面的話

目前，全球各大晶圓廠加速擴(kuò)產(chǎn)，在復(fù)雜的地緣政治因素影響下，國(guó)產(chǎn)半導(dǎo)體設(shè)備迎來(lái)發(fā)展良機(jī)且站在了時(shí)代的風(fēng)口，不斷創(chuàng)新發(fā)展。多年來(lái)，國(guó)內(nèi)也有很多低調(diào)的企業(yè)在晶圓量測(cè)設(shè)備領(lǐng)域不斷深耕，憑借突出的技術(shù)優(yōu)勢(shì)以及優(yōu)秀的產(chǎn)品表現(xiàn)，為半導(dǎo)體晶圓前道量檢應(yīng)用場(chǎng)景提供了一系列可以替換進(jìn)口的國(guó)產(chǎn)化解決方案，致力擔(dān)綱國(guó)產(chǎn)化重任，力做國(guó)產(chǎn)晶圓量測(cè)設(shè)備領(lǐng)航者，特別是本章節(jié)講到的三代半碳化硅（Sic）外延層厚度及均勻性無(wú)損檢測(cè)技術(shù)所使用到的“紅外反射光譜法”相關(guān)國(guó)產(chǎn)替代設(shè)備，更使得半導(dǎo)體行業(yè)有一個(gè)質(zhì)的飛躍，相信在不久的將來(lái)，半導(dǎo)體行業(yè)中所有的工藝技術(shù)設(shè)備都將會(huì)被國(guó)產(chǎn)所完全替代，從而促使中國(guó)的半導(dǎo)體行業(yè)也能屹立于世界之巔。

-----End-----

免責(zé)聲明：我們尊重原創(chuàng)，也注重分享；文字、圖片版權(quán)歸原作者所有。轉(zhuǎn)載目的在于分享更多信息，不代表本號(hào)立場(chǎng)，如有侵犯您的權(quán)益請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系，我們將第一時(shí)間刪除，謝謝！

審核編輯 黃宇