碳化硅外延层厚度及其均匀性的无损检测——红外显微系统

第三代半导体碳化硅材料快速发展

　　近年来，5G通信、新能源汽车、光伏行业推动了第三代半导体材料碳化硅（SiC）技术的快速发展。相较于成熟的硅（Si）材料，SiC具有禁带宽、击穿电场高、电子饱和迁移率高、热导率高等优良的物理化学特性，是制备高温、高压、高频、大功率器件的理想材料，如电力转换器、光伏逆变器、射频放大器、滤波器等。

碳化硅外延层及其厚度测定的重要性

　　SiC功率器件往往需要通过在SiC 衬底上生成所需的薄膜材料形成外延片，从而更易于获得可控的晶体结构，更利于材料的应用开发。随着外延生长技术的进步，SiC外延层厚度也从几μm发展到上百μm，也从同质外延发展为异质等多种晶体。

　　对外延片品质影响最大的是外延层的厚度以及电阻率的均匀性,因此在实际生产中对延片的厚度进行测量是很重要的一环。

碳化硅外延厚度测定原理

　　在硅同质/异质外延生产中，红外傅立叶变换光谱技术（FTIR）是测试硅外延层厚度一种非常成熟的方法，具有准确、快速、无损等优势，非常适合工业化使用。因此在碳化硅外延厚度测定上也得到了应用，已形成了《GB/T 42905-2023碳化硅外延层厚度的测试 红外反射法》标准。

　　仪器测试原理：衬底与外延层因掺杂浓度不同而导致的不同折射率，红外光入射到外延层后，一部分从衬底表面反射回来，一部分从外延层表面反射出来，这两束光在一定条件下会产生干涉条纹，根据干涉条纹的数量、折射率以及红外光入射角可以计算出外延层的厚度d（原理示意图如下）。

傅立叶变换光谱法测试外延层厚度原理图

　　计算公式如下：

　　式中，d表示厚度，单位μm；M表示不同波数间的峰个数；n表示镀膜材料折射率；θ表示入射角；，1/λ2 、1/λ1  表示波数。

　　采用FTIR配合显微分析技术，可避免损伤晶圆，实现SiC外延层厚度的测试。

岛津IRXross+AIM-9000红外显微系统

碳化硅晶圆样品的外延厚度及其均匀性测试

　　对于SiC晶圆，外延层厚度理论值11 μm，测试不同位置（0~16号位点）处的外延层厚度。样品无需前处理，直接进行显微红外无损测试。

　　观察不同位点在2500~3500cm-1波段下的红外光谱重叠图，可见明显的干涉条纹。

三个不同位点测试的红外光谱图

　　随后分别测定了样品标记的17个位点，每个位点重复测试5次， 17个位点的厚度平均值为11.115微米，总的RSD值为2.13%，与理论值偏差1.05%。

17个位点的外延层厚度及其偏差

　　从不同位点外延层厚度结果来看，SiC晶圆外延厚度并非均一，呈现边缘薄，中间厚的趋势。