三代半碳化硅（SiC）外延层厚度及均匀性无损检测技术的详解

前段时间，因为我之前在某平台上分享了一篇关于“半导体碳化硅（SiC）同质外延层厚度无损红外反射光谱法的分析详解；”的文章而被很多同行或是有兴趣的朋友所关注，所以，本章节就“三代半碳化硅（SiC）同质外延层厚度无损检测技术”再度跟大家聊一聊。

大家都知道：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。

而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，从而更易于获得完美可控的晶体结构，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。

一、碳化硅（SiC）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推广应用，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）：

通常的计算公式如下：

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。

二、碳化硅（SiC）外延厚度测试方法

当前，因为中国半导体行业技术经验积累比较薄弱，而碳化硅（SiC）外延工艺技术要攻克的难点又比较多，所以如我在之前分享的文章中讲到的一样，目前外延层厚度测试方法有：扫描电镜SEM法，可以通过晶界获得比较准确的厚度结果，但是对样品有一定的破坏性或需要切片后通过测试横截面，对于批量生产的外延企业来讲不是很友好；

另外此方法还仅限于在同质外延工艺上，因为同质外延由于晶型相同只是载流子浓度不同，晶界的区分上也有难度。光学方法，可实现非接触无损检测，而且可以测试整片外延晶圆片。比较常见的有基于规则干涉条纹的Fabry-Perot干涉结合经验公式算法，如紫外可见反射光谱法，红外反射光谱法，基于规则周期性干涉条纹及经验公式 d=1/(n*Δϑ)1方法，有一定的局限性，受折射率取值及频率选取范围影响较大；以及基于物理模型的拟合计算方法，如椭圆偏振仪，而椭圆偏振仪一般采用的光波波长是紫外到近红外波段，比较适合测试较薄的几十纳米到几百纳米尺度厚的外延/膜层厚度。功率器件根据器件工作电压，外延层厚度基本都在微米量级，工作电压越高外延层厚度越厚，而红外光波长1-20微米，刚好跟微米尺度厚度的宽禁带化合物半导体外延层厚度相当，可以在此波段获得外延层的光学特征。

而讲到的：利用红外反射光谱法可测量半导体外延层厚度，无论硅基还是化合物半导体，且测量精度极高。此方法是基于红外光在层状结构中产生的光干涉效应的分析，结合基础的物理自洽拟合模型，充分利用所测得的宽范围外延层谱学特征，利用介电函数对于不同掺杂浓度、不同波段折射率参数、阻尼很难准确确定的情况下，无需考虑折射率取值及波段范围，利用拟合方式对所测得的全谱谱学特征进行数学拟合给出准确的外延层厚度值。不仅可用于单层外延层层厚分析，更重要的还可以用于复杂多层结构外延层层厚分析。

当然，上面讲到的拟合方式及拟合算法，我们也要考虑到相关的一些重要参数：

1、衬底和外延层的载流子浓度（对应样品掺杂浓度和谱图中的等离子边）；

2、阻尼（对应样品每个波长下对应的折射率和谱图中干涉条纹的衰减行为）；

3、衬底和外延层的电学性质（如：偏金属性、偏半导体性、或偏绝缘性等）；

4、外延层层数（每一层中的上述参数均单独考虑）；

5、外延层厚度（每一层）；

所以，拟合模型对于厚度、载流子浓度、阻尼是非常灵敏的，如下图所示：

同时，红外光谱法还可以结合布鲁克INVENIO，VERTEX系列宽波段光谱仪，可用于亚微米量级至毫米量级的外延层层厚的分析。

厚度范围：亚微米量级至毫米量级

同质外延、异质外延

单层、多层

专用的分析模型，尤其对于复杂、多层结构的分析

可选自动晶圆扫描成像附件，可对直径2"—12"的晶圆进行自动多点测试、分析：

三、碳化硅（SiC）外延厚度的测试方法

以下是要跟大家分享的：GB-T-42905-2023碳化硅外延层厚度的测试——红外反射法的国标详细内容：

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四、碳化硅（SiC）外延均匀性测试

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。

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%。

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

五、碳化硅（SiC）外延厚度测量设备国产化趋势

近年来半导体设备的周期性正在减弱，行业增长趋势加强。而在半导体制造环节量测设备市场中，科磊、应用材料、日立高新技术等外国企业形成了巨头垄断优势，国产化率极低。在细分领域，FTIR晶圆量测设备也大多依赖国外厂商进口。

作为一些较早布局半导体设备领域的中国本土企业，早已针对晶圆类产品可提供高精度光学检测设备了，这些设备将应用于半导体前道量测，主要针对硅外延/碳化硅外延层厚度进行测量。设备采用了高精算法、Load Port、控制软件以及FTIR光路系统。他们自主研发的FTIR光路系统，可快速检测晶圆厚度，实现了扫描速度快、分辨率高、灵敏度高等需求。通过对比发现，国产检测设备具有如下两大优势：

1、兼容性强，可基于客户需求进行定制化

目前FTIR傅里叶红外晶圆测量设备国内市场严重依赖进口，而进口设备大多为预设程序，兼容性低，且无法为国内企业进行定制化改造。而国产检测设备可满足客户不同需求，按照客户要求进行设备定制化，如对接客户MES系统或依据工程师习惯进行软件改进，可大幅降低客户的使用及维护成本。

2、测量时间更短，精度更高

国产设备在测量硅晶圆速度、单片硅晶圆测量时间、测量精度、测试重复性、单点重复性等性能都达到了国际领先水平，部分性能甚至超越国外同类产品。

六、碳化硅（SiC）外延厚度及均匀性无损检测技术的Q/A

1、Q：在拟合 SiC on SiC 以及 Si on Si 的 反射率-波数图像时，折射率应该采用何种建模方式？目前采用图片中的方式进行折射率建模，最终得到的 SiC on SiC 拟合图像在大于1000cm-1和小于700cm-1的部分反射率振幅均明显大于实测数据（我们已经尝试过使用各种起始参数优化，最终的拟合图像均存在这个问题）。

A：针对于碳化硅外延 SiC on SiC和 Si on Si这两种情况，折射率的建模方式是有根本性的不同。其核心原则是：外延层与衬底的材料属性决定了模型的复杂度和折射率的处理方式。所以，对于 Si on Si一般会采用固定且相同的折射率模型，只拟合厚度。这是验证系统的“标尺”。而对于 SiC on SiC，就会采用以标准数据为基础，并允许微小浮动修正的折射率模型。同时拟合厚度和微调折射率，以补偿掺杂和缺陷带来的差异。BEMA 是实现这种修正的常用且有效的手段。通过这种分级建模 approach，你可以从简单的 Si on Si 系统中建立信心，然后成功地应用到更复杂的 SiC on SiC 外延工艺监控中，精确地提取出外延层厚度和光学性质信息。而关于折射率的数据库那部分，SiC的可查阅权威的光学手册（如 Handbook of Optical Constants of Solids by Palik）、晶体数据库（如 ICSD）或研究论文（搜索 “optical constants of 4H-SiC”, “ellipsometry on SiC”）。而Si已非常成熟哪里都可以查。

Q：目标是实现SiC on SiC以及Si on Si的全谱拟合。目前利用菲涅尔公式建立了基本的薄膜干涉光学模型。并通过drude-lorentz 模型建模折射率，但是该模型在拟合SiC on SiC时存在振幅过大的问题，拟合Si on Si时效果也很差。为何Si on Si随着波数增大出现了振幅衰减的情况？我又该如何修正模型使拟合图像更接近真值？

A：首先，因为反射光谱在波数域上是等间隔振荡的，其振荡频率（f）与厚度（d）成正比。所以我们在做完整的反射率模型时是一定要考虑振幅的问题。另外，我们还要了解模型中振荡周期的来源，从而进行精确的拟合，需要建立完整的反射率表达式。这需要用到传输矩阵法（TMM） 或菲涅尔方程呢。

所以，一开始就有强调在引入色散模型时折射率 n(λ) 是关键。因为碳化硅的折射率 n 并非常数，它随着波长 λ 变化，这种关系称为色散。忽略色散会导致厚度计算出现巨大误差。因此，必须用一个准确的色散模型来描述 n(λ)。考虑并修正了以上这些，在最后的参数拟合时，无论从理论还是到测量相对来说都会接近或是准确到我们拟合算法的结果的，因为这个是融合了物理学、光学和数学算法的模型，使得通过简单快速的非接触式光学测量来精确测定碳化硅外延层厚度成为可能的，因此其中的相互配合和一致性与兼容性也是比较重要的。

2、Q：在用红外反射光谱法测量碳化硅外延层厚度时，这个图像是从红外光谱仪上得到的对吗？如何理解这个纵坐标反射率呢？这种高低起伏变化的规律，以及波数大概大于1500之后为什么会出现周期性的反射率？

A：上图图像确实是从红外光谱仪上得到的，同时，这个图像也是非常典型的，正是红外光谱仪测量SiC外延层厚度后直接得到的原始光谱图。所以，这种技术被称为傅里叶变换红外反射光谱（FTIR Reflectance Spectroscopy）。您看到的图像中起伏的、像波浪一样的曲线，就是由这种干涉现象形成的，称为干涉条纹（Interference Fringes）。这些条纹的形态（周期、振幅）直接包含了外延层厚度的信息。而至于您问到:如何理解这个纵坐标“Modified Reflectance”（修正反射率）的问题，这是一个非常关键的概念。纵坐标不是简单的绝对反射率，而是经过数学处理的“修正”后的值。这样做的核心目的是通过除以（或与）衬底的反射率进行归一化处理，可以消除掉由材料本身光学性质（如折射率）和表面粗糙度等因素引起的影响，从而凸显出纯粹由外延层干涉效应产生的信号。简单来说： “Modified Reflectance”是一个经过归一化处理的、背景被拉平了的相对反射率。它的数值大小本身没有绝对的物理意义（比如60%并不代表绝对反射了60%的光），但其波峰和波谷的周期性变化极其重要。厚度计算正是基于这些波峰波谷之间的距离（即干涉周期）来完成的。所以，综合来说，您看到的那张图正是FTIR厚度测量中最核心、最标准的输出结果图像。横坐标是波数（cm⁻¹），纵坐标是经过归一化处理的“修正反射率”，其干涉条纹的疏密直接反映了外延层的厚薄（条纹越密，外延层越厚）。

Q：0到1000波数之间那个突增的高峰是怎么出现的呢？以及怎样由图中波数、反射率去计算外延层的厚度？

A：0到1000波数之间的突增高峰的出现与测量原理无关，它是一个由实验系统本身产生的假信号（Artifact）。因此，这个高峰不是SiC样品本身的真实光学响应，而是仪器本身的限制所导致的假象。在分析数据时，这个区域通常会被忽略或剔除。而计算厚度的原理是基于光学干涉效应。您可以看到在1500-2500 cm⁻¹范围内，反射谱呈现出明暗相间的周期性震荡条纹。这些条纹就是干涉条纹。所以，低波数高峰是仪器分束器（KBr）导致的假信号，可忽略。而计算厚度则是利用干涉条纹的周期性和公式 d = 1/(2n Δν) 进行计算，其中关键是要从图中读出相邻干涉极值点之间的波数差 Δν，并使用正确的折射率 n。

3、Q：碳化硅（SiC）外延厚度红外线无损检测的拟合模型是什么？以及拟合参数又是什么？

A：碳化硅外延层的红外测量基于红外光在薄膜层中产生的干涉效应。当一束宽光谱的红外光照射到外延片时，会在空气/外延层界面和外延层/衬底界面发生反射和透射。这些反射光之间会发生相长干涉和相消干涉，从而在测量得到的光谱上形成周期性的干涉条纹（即干涉图谱）。拟合模型的核心任务就是通过分析这些干涉条纹的周期性和强度，反向推导出外延层的厚度。所以，拟合模型主要分为两大类：物理模型和简化经验模型。而至于拟合参数，大致可以分为两类：被拟合参数和固定参数。因此，当您问到“拟合模型”时，通常指的是基于菲涅尔方程和传递矩阵法的物理模型。而“拟合参数”主要指外延层厚度（d），但这个结果的准确性极度依赖于预先设置的固定参数——特别是外延层和衬底的光学常数（n, k）。商业仪器的软件已经内置了经过验证的SiC材料光学常数数据库，这是其测量准确的核心保障。

七、写在最后面的话

目前，全球各大晶圆厂加速扩产，在复杂的地缘政治因素影响下，国产半导体设备迎来发展良机且站在了时代的风口，不断创新发展。多年来，国内也有很多低调的企业在晶圆量测设备领域不断深耕，凭借突出的技术优势以及优秀的产品表现，为半导体晶圆前道量检应用场景提供了一系列可以替换进口的国产化解决方案，致力担纲国产化重任，力做国产晶圆量测设备领航者，特别是本章节讲到的三代半碳化硅（Sic）外延层厚度及均匀性无损检测技术所使用到的“红外反射光谱法”相关国产替代设备，更使得半导体行业有一个质的飞跃，相信在不久的将来，半导体行业中所有的工艺技术设备都将会被国产所完全替代，从而促使中国的半导体行业也能屹立于世界之巅。

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审核编辑 黄宇