【新启航】碳化硅外延片 TTV 厚度与生长工艺参数的关联性研究

一、引言

 

碳化硅外延片作为功率半导体器件的核心材料，其总厚度偏差（TTV）是衡量产品质量的关键指标，直接影响器件的性能与可靠性 。外延片的 TTV 厚度受多种因素影响，其中生长工艺参数起着决定性作用。深入研究碳化硅外延片 TTV 厚度与生长工艺参数的关联性，有助于优化生长工艺，提升外延片质量，推动碳化硅半导体产业发展。

 

二、碳化硅外延片生长工艺参数分析

 

2.1 温度参数

 

生长温度是碳化硅外延生长的关键参数之一。在化学气相沉积（CVD）生长过程中，温度影响反应气体的分解、吸附及表面迁移速率 。温度过高，反应气体分解过快，可能导致原子在衬底表面无序堆积，造成外延层表面粗糙，进而影响 TTV 厚度 ；温度过低，原子活性不足，生长速率降低，且容易出现成核不均匀现象，同样会使 TTV 厚度增大 。

 

2.2 气体流量参数

 

生长过程中，反应气体（如硅源、碳源气体）和载气的流量对外延片生长有重要影响 。气体流量配比不当，会导致硅、碳原子供应不均衡，影响外延层的均匀生长 。例如，硅源气体流量过高，可能在局部区域形成富硅层，造成外延片厚度不均匀，增大 TTV 。此外，气体流量还会影响反应腔内的流场分布，若流场不均匀，会使外延片不同区域的生长速率存在差异，导致 TTV 厚度变化 。

 

2.3 压力参数

 

反应腔压力也是影响碳化硅外延生长的重要参数 。在低压 CVD（LPCVD）和常压 CVD（APCVD）中，压力的变化会改变反应气体的扩散速率和表面反应动力学 。较低的压力有助于反应气体在衬底表面的均匀扩散，可提高外延层的均匀性，降低 TTV ；而压力过高时，气体分子间碰撞加剧，会影响原子在衬底表面的吸附和迁移，导致外延片厚度不均匀，使 TTV 增大 。

 

三、TTV 厚度与生长工艺参数的关联性

 

3.1 温度与 TTV 的关联

 

通过实验研究发现，在一定温度范围内，随着生长温度升高，碳化硅外延片 TTV 厚度呈现先减小后增大的趋势 。存在一个最佳温度区间，在此区间内，原子在衬底表面的迁移和吸附达到平衡，能够形成均匀的外延层，TTV 厚度最小 。超出该温度区间，无论是温度过高还是过低，都会破坏这种平衡，导致 TTV 厚度增加 。

 

3.2 气体流量与 TTV 的关联

 

气体流量与 TTV 厚度之间存在复杂的非线性关系 。合理调整硅源、碳源气体及载气的流量配比，可使外延层均匀生长，降低 TTV 。例如，当硅源气体流量与碳源气体流量保持合适比例时，硅、碳原子能够均匀沉积在衬底表面，外延片厚度均匀性提高 。若流量配比失衡，会导致局部区域生长过快或过慢，使 TTV 厚度增大 。

 

3.3 压力与 TTV 的关联

 

研究表明，反应腔压力与 TTV 厚度呈负相关关系 。在较低压力下，气体扩散均匀，外延片生长均匀性好，TTV 厚度较小 ；随着压力升高，气体扩散受限，外延片不同区域生长速率差异增大，TTV 厚度随之增加 。但压力过低也可能引发其他问题，如生长速率过慢等，因此需要在合适的压力范围内进行生长，以控制 TTV 厚度 。

 

高通量晶圆测厚系统运用第三代扫频OCT技术，精准攻克晶圆/晶片厚度TTV重复精度不稳定难题，重复精度达3nm以下。针对行业厚度测量结果不一致的痛点，经不同时段测量验证，保障再现精度可靠。​

 

我们的数据和WAFERSIGHT2的数据测量对比,进一步验证了真值的再现性：

 

（以上为新启航实测样品数据结果）

该系统基于第三代可调谐扫频激光技术，相较传统双探头对射扫描，可一次完成所有平面度及厚度参数测量。其创新扫描原理极大提升材料兼容性，从轻掺到重掺P型硅，到碳化硅、蓝宝石、玻璃等多种晶圆材料均适用：​

对重掺型硅，可精准探测强吸收晶圆前后表面；​

点扫描第三代扫频激光技术，有效抵御光谱串扰，胜任粗糙晶圆表面测量；​

通过偏振效应补偿，增强低反射碳化硅、铌酸锂晶圆测量信噪比；

（以上为新启航实测样品数据结果）

支持绝缘体上硅和MEMS多层结构测量，覆盖μm级到数百μm级厚度范围，还可测量薄至4μm、精度达1nm的薄膜。

 

（以上为新启航实测样品数据结果）

此外，可调谐扫频激光具备出色的“温漂”处理能力，在极端环境中抗干扰性强，显著提升重复测量稳定性。

 

（以上为新启航实测样品数据结果）

系统采用第三代高速扫频可调谐激光器，摆脱传统SLD光源对“主动式减震平台”的依赖，凭借卓越抗干扰性实现小型化设计，还能与EFEM系统集成，满足产线自动化测量需求。运动控制灵活，适配2-12英寸方片和圆片测量。