對(duì)碳化硅晶體生長(zhǎng)行業(yè)微小缺陷檢測(cè)

在蓬勃發(fā)展的碳化硅晶體生長(zhǎng)行業(yè)中，掃描聲學(xué)顯微鏡能夠?qū)桢V進(jìn)行快速的 100% 檢測(cè)，為質(zhì)量控制和生產(chǎn)帶來(lái)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)。

為了滿足對(duì)碳化硅 (SiC) 晶體日益增長(zhǎng)的需求，世界需要在不犧牲質(zhì)量的情況下大幅提高產(chǎn)量。如今，SiC 晶體對(duì)于制造更小、更快、更高效的芯片和電力電子系統(tǒng)至關(guān)重要。然而，如果沒(méi)有能夠及時(shí)檢測(cè)出微小瑕疵的先進(jìn)計(jì)量工具，SiC 晶體生長(zhǎng)行業(yè)基本上是盲目操作，導(dǎo)致不可接受的缺陷和昂貴的產(chǎn)品損失。

培育優(yōu)質(zhì)碳化硅晶體的過(guò)程非常復(fù)雜且保密性強(qiáng)，而且生產(chǎn)過(guò)程非常耗時(shí)。培育單晶錠(稱為晶錠)可能需要數(shù)周時(shí)間。該過(guò)程中的一些變量包括“種子”的類型、粉末和所用設(shè)備，以及將氣態(tài)粉末轉(zhuǎn)移到晶錠時(shí)所使用的溫度和熱區(qū)。

在處理碳化硅晶體生產(chǎn)等新技術(shù)時(shí)，會(huì)出現(xiàn)學(xué)習(xí)曲線，需要使用復(fù)雜的計(jì)量工具來(lái)確保從原材料到最終產(chǎn)品的所有生產(chǎn)階段都具有一致的高質(zhì)量輸出。

畢竟，高純度碳化硅粉末供應(yīng)商必須確保其產(chǎn)品的可靠性;晶體生長(zhǎng)者不能冒險(xiǎn)花費(fèi)數(shù)周的時(shí)間生產(chǎn)出有缺陷的產(chǎn)品;半導(dǎo)體制造商必須避免將晶圓切割成用于制造先進(jìn)芯片、電動(dòng)汽車和電子產(chǎn)品的有缺陷的晶圓。

由于碳化硅生產(chǎn)行業(yè)仍處于起步階段，那些推動(dòng)創(chuàng)新以獲得競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)并提供高產(chǎn)、可靠產(chǎn)品的人必須在所有生產(chǎn)階段進(jìn)行缺陷測(cè)試。利用掃描聲學(xué)顯微鏡 (SAM) 等先進(jìn)計(jì)量方法對(duì)于缺陷識(shí)別、消除和工藝優(yōu)化至關(guān)重要。

SAM 是一種非侵入性、非破壞性的超聲波檢測(cè)方法，能夠進(jìn)行高速 100% 測(cè)試，它已經(jīng)成為對(duì)半導(dǎo)體元件進(jìn)行 100% 檢查以識(shí)別微電子設(shè)備內(nèi)缺陷的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

“如果無(wú)法檢查最終產(chǎn)品，那么識(shí)別 SiC 晶體中的潛在缺陷并確定可能出現(xiàn)問(wèn)題的工藝階段就變得非常困難?？赡艿脑虬ú牧先毕?、溫度波動(dòng)或熱區(qū)內(nèi)的問(wèn)題。像 SAM 這樣的先進(jìn)計(jì)量設(shè)備可以幫助晶體生長(zhǎng)者檢測(cè)微小的瑕疵和缺陷，并將這些映射到 [工藝變化中] 以糾正未來(lái)的任何問(wèn)題，”總部位于弗吉尼亞州的 SAM 和工業(yè)超聲波無(wú)損 (NDT) 系統(tǒng)制造商O(píng)KOS總裁 Hari Polu 說(shuō)道。該公司服務(wù)于 SiC 晶體生長(zhǎng)、芯片制造、電子、航空航天、金屬/合金/復(fù)合材料制造和最終用戶市場(chǎng)。

SAM 可實(shí)現(xiàn)快速、高分辨率的 SiC 缺陷檢測(cè)

碳化硅 (SiC) 是一種非常有前途的材料，可用于需要高溫、高頻和高功率的電子設(shè)備。然而，由于各種擴(kuò)展缺陷，許多基于 SiC 的電子設(shè)備的商業(yè)化遇到了挑戰(zhàn)。

SiC 器件實(shí)際使用的一個(gè)重要考慮因素是 SiC 晶圓晶體質(zhì)量方面的挑戰(zhàn)。在 SiC 晶體生長(zhǎng)過(guò)程中，結(jié)構(gòu)均勻性會(huì)發(fā)生局部破壞，從而導(dǎo)致堆垛層錯(cuò)和位錯(cuò)等晶體缺陷。眾所周知，某些缺陷會(huì)對(duì)器件功能產(chǎn)生不利影響。

因此，為了提高 SiC 器件的產(chǎn)量和可靠性，通過(guò) SAM 等先進(jìn)計(jì)量系統(tǒng)識(shí)別潛在缺陷非常重要。SAM 的最新進(jìn)展也有助于檢測(cè)比以前更小的缺陷。

Polu 表示：“先進(jìn)的 SAM 系統(tǒng)使故障分析達(dá)到更高水平成為可能，因?yàn)樗哂懈叩臋z測(cè)水平和精度。過(guò)去，檢測(cè) 500 微米的缺陷是目標(biāo);現(xiàn)在則是 50 微米的缺陷。通過(guò)這種類型的測(cè)試，我們可以檢查材料并發(fā)現(xiàn)以前未檢測(cè)到的缺陷?！?

SAM 似乎解決了美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)與技術(shù)研究所 (NIST) 確定的美國(guó)再次引領(lǐng)全球半導(dǎo)體制造業(yè)所必需的至少一個(gè)要素。

NIST 最近發(fā)布的題為《美國(guó)半導(dǎo)體制造業(yè)的戰(zhàn)略機(jī)遇》的報(bào)告指出，從計(jì)量角度來(lái)看，需要重點(diǎn)關(guān)注的 7 大挑戰(zhàn)才能實(shí)現(xiàn)美國(guó)主導(dǎo)全球半導(dǎo)體行業(yè)的愿景。此外，該報(bào)告還確定了 32 個(gè)前進(jìn)路徑要素，描述了應(yīng)對(duì)挑戰(zhàn)的潛在戰(zhàn)略。

對(duì)于其中一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)，即未來(lái)微電子制造的先進(jìn)計(jì)量技術(shù)，SAM 基本上回答了前進(jìn)道路上的要素之一，即“快速、高分辨率、無(wú)損技術(shù)，用于表征缺陷和雜質(zhì)并將其與性能和可靠性關(guān)聯(lián)起來(lái)”。

掃描聲學(xué)顯微鏡

掃描聲學(xué)顯微鏡 (SAM) 的工作原理是將傳感器發(fā)出的聚焦聲音導(dǎo)向目標(biāo)物體上的一個(gè)小點(diǎn)。擊中物體的聲音會(huì)被散射、吸收、反射或傳輸。通過(guò)檢測(cè)散射脈沖的方向以及“飛行時(shí)間”，可以確定邊界或物體的存在及其距離。

為了生成圖像，需要逐點(diǎn)逐線掃描樣品。掃描模式包括單層視圖、托盤(pán)掃描和橫截面。多層掃描最多可包含 50 個(gè)獨(dú)立層?？梢蕴崛『蛻?yīng)用深度特定信息來(lái)創(chuàng)建二維和三維圖像，然后進(jìn)行分析以檢測(cè)和表征裂紋、夾雜物和空隙等缺陷。

規(guī)模較小的制造商和獨(dú)立測(cè)試實(shí)驗(yàn)室可能擁有臺(tái)式 SAM 模型，該模型可提供超過(guò) 300 毫米的掃描范圍，最大掃描速度為 500 毫米/秒，精度和重復(fù)性為 +/- 5.0 微米。該軟件允許使用保存的數(shù)據(jù)虛擬重新掃描、查看和分析數(shù)據(jù)，以便同時(shí)進(jìn)行實(shí)時(shí)分析或收集后審查。通常，此類臺(tái)式設(shè)備用于分析故障分析、產(chǎn)品檢查、質(zhì)量控制、研發(fā)和工藝驗(yàn)證的數(shù)據(jù)，以及確定產(chǎn)品可靠性、工藝過(guò)程中的質(zhì)量控制和供應(yīng)商資格。

隨著更高生產(chǎn)水平測(cè)試需求的增加，SiC 晶體生長(zhǎng)商、碳化硅晶片制造商和半導(dǎo)體工廠通常會(huì)使用具有高速檢測(cè)能力的大型系統(tǒng)。然而，挑戰(zhàn)在于以極高的吞吐量進(jìn)行這種檢測(cè)，進(jìn)行 100% 檢測(cè)以識(shí)別和去除不符合質(zhì)量要求的 SiC 晶體或切片晶片。這需要更先進(jìn)的設(shè)備，這些設(shè)備可以同時(shí)檢測(cè)多層，通常在多個(gè)通道上，以自動(dòng)化方式掃描處理托盤(pán)中的多個(gè)樣品以加速該過(guò)程。

Polu 表示，SAM 還可以進(jìn)行定制設(shè)計(jì)，以完全集成到大批量生產(chǎn)系統(tǒng)中。先進(jìn)的檢測(cè)技術(shù)可以檢測(cè)到

SiC 晶圓和半導(dǎo)體晶片可對(duì)所有材料進(jìn)行 100% 檢查。因此，SiC 晶體生長(zhǎng)商和半導(dǎo)體工廠現(xiàn)在可以對(duì)托盤(pán)中的 SiC 晶圓、晶片、面板和單個(gè)組件進(jìn)行 100% 檢查。

SAM 技術(shù)的最新進(jìn)展也顯著提高了吞吐速度和缺陷檢測(cè)能力。當(dāng)需要高吞吐率進(jìn)行 100% 檢查時(shí)，可使用超高速單或雙龍門掃描系統(tǒng)以及可用于同時(shí)掃描以提高吞吐率的多頭傳感器。

軟件與進(jìn)行掃描的物理和機(jī)械方面一樣重要，對(duì)于提高分辨率和分析信息以生成詳細(xì)掃描至關(guān)重要。

多軸掃描選項(xiàng)支持 A、B 和 C 掃描、輪廓跟蹤、離線分析和芯片虛擬重新掃描。這樣可以通過(guò)檢測(cè)軟件對(duì)內(nèi)部和外部缺陷進(jìn)行高精度檢測(cè)和厚度測(cè)量。

軟件模式多種多樣，有簡(jiǎn)單易用的模式，也有適合詳細(xì)分析的高級(jí)模式，還有適合生產(chǎn)掃描的自動(dòng)化模式。離線分析模式也可用于虛擬掃描。

Polu 估計(jì)，OKOS 的軟件驅(qū)動(dòng)模型使他們能夠降低 SAM 測(cè)試成本，同時(shí)提供相同質(zhì)量的檢測(cè)結(jié)果。因此，即使是普通的 SiC 測(cè)試實(shí)驗(yàn)室也完全可以負(fù)擔(dān)得起這種設(shè)備。

“由于當(dāng)今嚴(yán)格的檢測(cè)和精度要求，每個(gè) SiC 晶體生長(zhǎng)商和半導(dǎo)體晶片生產(chǎn)商最終都將轉(zhuǎn)向更高水平的故障分析，”P(pán)olu 說(shuō)道。“SAM 設(shè)備的成本優(yōu)勢(shì)和時(shí)間節(jié)省使這成為可能?！?

OKOS 在加利福尼亞州圣克拉拉和弗吉尼亞州馬納薩斯設(shè)有實(shí)驗(yàn)室，提供符合現(xiàn)有工業(yè)和軍事標(biāo)準(zhǔn)的合同分析和測(cè)試服務(wù)。該服務(wù)還為客戶提供在投資設(shè)備之前審查技術(shù)和可行性的能力。

如今，對(duì)于為滿足全球需求而提高產(chǎn)能的 SiC 晶體生長(zhǎng)商、芯片制造商和組件制造商而言，與傳統(tǒng)方法相比，SAM 可提供最佳價(jià)值，因?yàn)樗商峁┳吭降娜毕莺凸收戏治黾?xì)節(jié)。因此，先進(jìn)的 SAM 系統(tǒng)現(xiàn)在被視為 SiC 生產(chǎn)設(shè)施、研發(fā)和質(zhì)量保證實(shí)驗(yàn)室的必備工具。