对碳化硅晶体生长行业微小缺陷检测

在蓬勃发展的碳化硅晶体生长行业中，扫描声学显微镜能够对硅锭进行快速的 100% 检测，为质量控制和生产带来关键优势。

为了满足对碳化硅 (SiC) 晶体日益增长的需求，世界需要在不牺牲质量的情况下大幅提高产量。如今，SiC 晶体对于制造更小、更快、更高效的芯片和电力电子系统至关重要。然而，如果没有能够及时检测出微小瑕疵的先进计量工具，SiC 晶体生长行业基本上是盲目操作，导致不可接受的缺陷和昂贵的产品损失。

培育优质碳化硅晶体的过程非常复杂且保密性强，而且生产过程非常耗时。培育单晶锭(称为晶锭)可能需要数周时间。该过程中的一些变量包括“种子”的类型、粉末和所用设备，以及将气态粉末转移到晶锭时所使用的温度和热区。

在处理碳化硅晶体生产等新技术时，会出现学习曲线，需要使用复杂的计量工具来确保从原材料到最终产品的所有生产阶段都具有一致的高质量输出。

毕竟，高纯度碳化硅粉末供应商必须确保其产品的可靠性;晶体生长者不能冒险花费数周的时间生产出有缺陷的产品;半导体制造商必须避免将晶圆切割成用于制造先进芯片、电动汽车和电子产品的有缺陷的晶圆。

由于碳化硅生产行业仍处于起步阶段，那些推动创新以获得竞争优势并提供高产、可靠产品的人必须在所有生产阶段进行缺陷测试。利用扫描声学显微镜 (SAM) 等先进计量方法对于缺陷识别、消除和工艺优化至关重要。

SAM 是一种非侵入性、非破坏性的超声波检测方法，能够进行高速 100% 测试，它已经成为对半导体元件进行 100% 检查以识别微电子设备内缺陷的行业标准。

“如果无法检查最终产品，那么识别 SiC 晶体中的潜在缺陷并确定可能出现问题的工艺阶段就变得非常困难。可能的原因包括材料缺陷、温度波动或热区内的问题。像 SAM 这样的先进计量设备可以帮助晶体生长者检测微小的瑕疵和缺陷，并将这些映射到 [工艺变化中] 以纠正未来的任何问题，”总部位于弗吉尼亚州的 SAM 和工业超声波无损 (NDT) 系统制造商OKOS总裁 Hari Polu 说道。该公司服务于 SiC 晶体生长、芯片制造、电子、航空航天、金属/合金/复合材料制造和最终用户市场。

SAM 可实现快速、高分辨率的 SiC 缺陷检测

碳化硅 (SiC) 是一种非常有前途的材料，可用于需要高温、高频和高功率的电子设备。然而，由于各种扩展缺陷，许多基于 SiC 的电子设备的商业化遇到了挑战。

SiC 器件实际使用的一个重要考虑因素是 SiC 晶圆晶体质量方面的挑战。在 SiC 晶体生长过程中，结构均匀性会发生局部破坏，从而导致堆垛层错和位错等晶体缺陷。众所周知，某些缺陷会对器件功能产生不利影响。

因此，为了提高 SiC 器件的产量和可靠性，通过 SAM 等先进计量系统识别潜在缺陷非常重要。SAM 的最新进展也有助于检测比以前更小的缺陷。

Polu 表示：“先进的 SAM 系统使故障分析达到更高水平成为可能，因为它具有更高的检测水平和精度。过去，检测 500 微米的缺陷是目标;现在则是 50 微米的缺陷。通过这种类型的测试，我们可以检查材料并发现以前未检测到的缺陷。”

SAM 似乎解决了美国国家标准与技术研究所 (NIST) 确定的美国再次引领全球半导体制造业所必需的至少一个要素。

NIST 最近发布的题为《美国半导体制造业的战略机遇》的报告指出，从计量角度来看，需要重点关注的 7 大挑战才能实现美国主导全球半导体行业的愿景。此外，该报告还确定了 32 个前进路径要素，描述了应对挑战的潜在战略。

对于其中一项重大挑战，即未来微电子制造的先进计量技术，SAM 基本上回答了前进道路上的要素之一，即“快速、高分辨率、无损技术，用于表征缺陷和杂质并将其与性能和可靠性关联起来”。

扫描声学显微镜

扫描声学显微镜 (SAM) 的工作原理是将传感器发出的聚焦声音导向目标物体上的一个小点。击中物体的声音会被散射、吸收、反射或传输。通过检测散射脉冲的方向以及“飞行时间”，可以确定边界或物体的存在及其距离。

为了生成图像，需要逐点逐线扫描样品。扫描模式包括单层视图、托盘扫描和横截面。多层扫描最多可包含 50 个独立层。可以提取和应用深度特定信息来创建二维和三维图像，然后进行分析以检测和表征裂纹、夹杂物和空隙等缺陷。

规模较小的制造商和独立测试实验室可能拥有台式 SAM 模型，该模型可提供超过 300 毫米的扫描范围，最大扫描速度为 500 毫米/秒，精度和重复性为 +/- 5.0 微米。该软件允许使用保存的数据虚拟重新扫描、查看和分析数据，以便同时进行实时分析或收集后审查。通常，此类台式设备用于分析故障分析、产品检查、质量控制、研发和工艺验证的数据，以及确定产品可靠性、工艺过程中的质量控制和供应商资格。

随着更高生产水平测试需求的增加，SiC 晶体生长商、碳化硅晶片制造商和半导体工厂通常会使用具有高速检测能力的大型系统。然而，挑战在于以极高的吞吐量进行这种检测，进行 100% 检测以识别和去除不符合质量要求的 SiC 晶体或切片晶片。这需要更先进的设备，这些设备可以同时检测多层，通常在多个通道上，以自动化方式扫描处理托盘中的多个样品以加速该过程。

Polu 表示，SAM 还可以进行定制设计，以完全集成到大批量生产系统中。先进的检测技术可以检测到

SiC 晶圆和半导体晶片可对所有材料进行 100% 检查。因此，SiC 晶体生长商和半导体工厂现在可以对托盘中的 SiC 晶圆、晶片、面板和单个组件进行 100% 检查。

SAM 技术的最新进展也显著提高了吞吐速度和缺陷检测能力。当需要高吞吐率进行 100% 检查时，可使用超高速单或双龙门扫描系统以及可用于同时扫描以提高吞吐率的多头传感器。

软件与进行扫描的物理和机械方面一样重要，对于提高分辨率和分析信息以生成详细扫描至关重要。

多轴扫描选项支持 A、B 和 C 扫描、轮廓跟踪、离线分析和芯片虚拟重新扫描。这样可以通过检测软件对内部和外部缺陷进行高精度检测和厚度测量。

软件模式多种多样，有简单易用的模式，也有适合详细分析的高级模式，还有适合生产扫描的自动化模式。离线分析模式也可用于虚拟扫描。

Polu 估计，OKOS 的软件驱动模型使他们能够降低 SAM 测试成本，同时提供相同质量的检测结果。因此，即使是普通的 SiC 测试实验室也完全可以负担得起这种设备。

“由于当今严格的检测和精度要求，每个 SiC 晶体生长商和半导体晶片生产商最终都将转向更高水平的故障分析，”Polu 说道。“SAM 设备的成本优势和时间节省使这成为可能。”

OKOS 在加利福尼亚州圣克拉拉和弗吉尼亚州马纳萨斯设有实验室，提供符合现有工业和军事标准的合同分析和测试服务。该服务还为客户提供在投资设备之前审查技术和可行性的能力。

如今，对于为满足全球需求而提高产能的 SiC 晶体生长商、芯片制造商和组件制造商而言，与传统方法相比，SAM 可提供最佳价值，因为它可提供卓越的缺陷和故障分析细节。因此，先进的 SAM 系统现在被视为 SiC 生产设施、研发和质量保证实验室的必备工具。