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第三代半導體碳化硅材料快速發(fā)展

近年來，5G通信,、新能源汽車,、光伏行業(yè)推動了第三代半導體材料碳化硅（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,、擊穿電場高、電子飽和遷移率高,、熱導率高等優(yōu)良的物理化學特性,，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,。

碳化硅外延層及其厚度測定的重要性

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),，更利于材料的應用開發(fā)。隨著外延生長技術(shù)的進步,，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,因此在實際生產(chǎn)中對延片的厚度進行測量是很重要的一環(huán),。

碳化硅外延厚度測定原理

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）是測試硅外延層厚度一種非常成熟的方法，具有準確,、快速,、無損等優(yōu)勢，非常適合工業(yè)化使用,。因此在碳化硅外延厚度測定上也得到了推廣應用,，已形成了《GB/T 42905-2023碳化硅外延層厚度的測試 紅外反射法》標準。

儀器測試原理：襯底與外延層因摻雜濃度不同而導致的不同折射率,，紅外光入射到外延層后,，一部分從襯底表面反射回來，一部分從外延層表面反射出來,，這兩束光在一定條件下會產(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算出外延層的厚度d（原理示意圖如下）,。

傅立葉變換光譜法測試外延層厚度原理圖

計算公式如下：

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，實現(xiàn)SiC外延層厚度的測試,。

島津IRXross+AIM-9000紅外顯微系統(tǒng)

碳化硅晶圓樣品的外延厚度及其均勻性測試

對于SiC晶圓,，外延層厚度理論值11 µm，測試不同位置（0~16號位點）處的外延層厚度,。樣品無需前處理,，直接進行顯微紅外無損測試。

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

三個不同位點測試的紅外光譜圖

隨后分別測定了樣品標記的17個位點，每個位點重復測試5次,， 17個位點的厚度平均值為11.115微米,，總的RSD值為2.13%，與理論值偏差1.05%,。

17個位點的外延層厚度及其偏差

從不同位點外延層厚度結(jié)果來看,，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,。

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