2024年世界碳化硅大会在武汉举办获得圆满成功，在大会上，诸多碳化硅产业的专业人员也给我们分享了这个行业目前的进展以及相关产业的研究进度，那么本文将带来上海优睿谱半导体设备有限公司关于碳化硅衬底及外延材料量测检测设备的挑战及国产替代进度的分享
上海优睿谱半导体设备有限公司是一家提供半导体量测检测设备的公司，主要服务于半导体前道，提供一些量测和检测的解决方案。
从碳化硅产业链整体来看，主要包括晶体生长、切磨抛、出货、外延生长、以及量测检测等环节。在每个步骤中，都有关键的监控点，比如晶体生长时的籽晶粘接，气泡处理等。碳化硅的生长采用升华方法，与硅液拉单晶不同，可能存在位错缺陷，包括微管等晶格缺陷，需要进行检测。切磨抛后，需要进行电阻率的量测、倒角监控、边缘检测、平坦度检测以及缺陷检测等，然后才能出货。
在外延环节，除了一些缺陷检测外，还需要进行载流子浓度和外延厚度的测试等。出货后，产品到达晶圆厂，也需要进行一系列的来料检测。
在碳化硅领域，进行微缩实验时主要使用氢氧化钾腐蚀法，通过在高温下腐蚀氢氧化钾溶液来形成不同形状的位错，并利用人工智能的方法进行分析。
另外，微管和内应力可以通过偏振光观察，内应力会导致沿着籽晶内应力的方向继续生长，产生位错缺陷。电阻率衬底通常使用涡流法测试，边缘检测和形貌检测等方面目前主要依靠人工操作，技术相对成熟。
在上图中，深绿色代表国产化已经相对成熟，浅绿色代表国产化正在试验阶段，黄色代表距离国产化还有一定距离。例如，出货平整度的检测目前采用斐索激光干涉法，去年国产设备还在试验阶段，但今年已经有出色的国产设备问世，还比如目前碳化硅外延片和衬底出货的唯一供应商是康宁，形成了较强的垄断地位。
关于碳化硅单晶的生长量管理，籽晶的粘接会影响碳化硅晶体的生长，因此粘接质量的监控至关重要。优睿谱的设备可用于客户籽晶的筛选，以确保其具有最小的内应力和最少的缺陷。
此外，位错缺陷检测也是一个问题，之前提到了未检测到的缺陷检测，上图一个典型的例子。在氢氧化钾腐蚀之后，可以看到各种形状的位错，如螺位错、刃位错和基平面的位错，优睿谱通过光学检测方法拍摄这些照片，然后利用人工智能技术对它们进行分类和总结。
这个过程非常重要，因为基平面位错的数量直接影响衬底的价值。
SICD200是优睿谱基于线扫描光学检测解决方案用于碳化硅晶圆的位错、微管检测设备，采用高速扫描成像技术，这种技术可以在几分钟内扫描整片晶体，并对所有缺陷进行分类，现在这款设备已在国际中获得诸多认可。
传统的技术通常使用面阵相机进行显微拍照，但这种方法时间过长且不够准确，因为它实际扫描面积只有整个面积的十分之一左右，并且不包含微管检测功能。相比之下，优睿谱的技术采用高速显微成像，实现实时对焦，可以在短时间内对整片晶体进行全面扫描，得到高分辨率的图像，并统计出缺陷的数量，并使用成像方法将晶体的图像拼接成一张图，从而可以观察晶圆内应力的分布。
以上是一些已经分类好的SICD200s/200设备检测缺陷类型的典型照片。
SICD200s/200设备还可以输出包括微管不同类型位错的分布图，同时从上图可以看出微管密度现在已经降低了很多。
以上为晶圆内应力分布图右边的照片显示内应力分布非常均匀，而左边的照片则显示内应力分布很不均匀。因此，在籽晶筛选过程中，通常会选择内应力分布均匀的籽晶进行生长。
这些图像还显示了其他位错的分布情况。
优睿谱还可以为客户提供衬底表面大缺陷的标注功能。
使用SICD200s/200设备进行多次重复性测试，从上图来看结果非常好。
目前成熟的无损检测设备是XRT技术，但这种设备价格昂贵且难以用于生产线上。因此，目前大多数人仍然使用氢氧化钾腐蚀法，这种方法会浪费一到两片衬底。有些人正在探索使用光致发光或非线性光学方法进行无损检测，但这些技术目前还在评估阶段。
晶圆出货阶段，例如平整度方面，通常使用美国康宁的Tropel设备，采用激光频率斐索干涉法激光波长干涉法，这种设备基本上已经成为行业的垄断性设备，几乎所有人都在使用。然而，今年国内已经有了类似设备，并且取得了不错的结果，同时现在有几家公司正在试用，相较美国康宁的Tropel设备，结果可能会更好。
FabXLab的设备目前已经在几家衬底厂进行了演示。
这是激光频率斐索干涉仪的一些特性以及优势。
图中显示了FabXLab和TPEL测试的结果，两者的对比相对较好，反映国产化替代较为完善。
另外，对于碳化硅衬底宏观缺陷检测的出货阶段，目前仍然需要人工参与，但是正在研发一种设备来替代人工，目前已经有了样机。在宏观检测阶段，需要查看透明片下面是否有污染或崩边等问题。
衬底和外延片的出货检测主要由日本的Lasertec和美国的KLA等公司提供设备支持。这些设备在生产过程中的交货期较长，价格也较高。在缺陷检测方面，主要检测的缺陷包括颗粒、划痕、微管堆积、层错堆叠和位错缺陷等。
其中，一些缺陷需要使用暗场技术、明场技术、形貌分析和光致发光等多种技术进行检测。光之发光技术主要用于检测位错缺陷，而其他技术则主要用于检测表面缺陷。
两家主要供应商，日本的Lasertec和美国的KLA的技术路线略有不同。Lasertec主要使用面阵相机和差分成像技术，而KLA则主要使用激光和光电倍增管技术，其中包括旋转式设备。从灵敏度角度来看，KLA的技术更为优越，因为光电倍增管技术比相机技术更为灵敏。但是，Lasertec在光致发光方面做得非常出色，比KLA更优秀。
值得注意的是，KLA主要用于衬底的出货检测，而Lasertec则主要用于外延片的出货检测。两者在解析度方面也有所不同，KLA可以达到60nm的解析度，而Lasertec则为0.35微米。
因此，在检测衬底的硬缺陷时，具有60nm解析度的设备更为适合，因为这些硬缺陷可能会导致生产外延片时产生其他缺陷。
目前碳化硅衬底缺陷检测基本标准是KLA Candela 8520，国内走Candela技术路线的企业极少，行业几家基本都是走Lasertec技术路线使用相机方案，预计今年会有国产Candela技术路线样机进入验证阶段。
外延片的生产流程相对简单，主要包括衬底清洗、外延生长和产品出货前的测试。在这个过程中，通常需要进行缺陷检测、电阻率测试、载流子浓度测试以及品种测试等。
对于来料的检测，通常需要进行宏观检测，以确保衬底质量符合要求。外延生长完成后，需要进行模糊测试以及其他测试，确保外延片的质量满足要求，然后才能出货。
FTIR是一种常用的测试方法，基本原理就是红外光谱，通过测量反射光谱来获得样品的干涉波纹，进而测量膜厚。这种方法与传统的物理切片（如SIMS）相比，具有更高的效率和精度。
优睿谱在做FTIR膜厚测试时首要考虑的就是供应链的安全，也就是全国产化替代，避免“卡脖子”情况的发生，一些公司已经在国产化方面取得了进展，使得生产的设备更具可靠性和安全性。
多层外延的缓冲层测试在碳化硅生产中变得越来越重要。衬底中的位错缺陷可能会影响外延生长过程中的质量，因此通过优化缓冲层，可以防止位错缺陷扩散到外延层，从而提高器件的质量。
缓冲层的设计不仅仅是为了阻挡衬底中的位错，还可以通过控制杂质浓度和分布，实现更准确的离子注入，从而改善电学性能。此外，多层外延还可以降低热预算成本，修复一些缺陷密度，并提高器件的寿命。
FTIR量测原理通过全域拟合来实现，这是一种基于固态物理的数学模型。通过这种方法，可以获得各种厚度的样品，并提供精确的测试数据。此外，外延片还需要进行载流子浓度测试，这对于了解器件性能至关重要。
关于碳化硅为什么需要缓冲层甚至更多层外延，一是通过调整参杂浓度，刚才提到的减少缺陷密度。通过多层外延，可以调整每层的浓度和分布，实现更准确和精确的离子注入，并优化电学性能。离子注入通常需要在高温下进行，多层外延还可以降低热预算的成本。此外，通过在离子注入中间层的再结晶，可以修复一些缺陷密度。
多层外延的量测原理主要通过全域拟合介电函数实现，这是一个固态物理的数学模型。主要通过全域拟合来实现，通过在先进的拟合程序中调整层厚及其各自的光学模型参数使之与理论光谱得到完美匹配。
这是通过SIMS（二级离子质谱）测得的不同厚度的结果，这是实际生产中的一些数据。
外延片还需要测量载流子浓度，碳化硅的少子寿命很短，传统的非接触式测量载流子浓度的方法相对比较难测。所以回归到传统的接触式汞探针法（MCV），但测量完片子需要清洗工艺。
汞探针法实际上是在表面滴一滴汞，通过电压驱动耗尽层，可以在不同深度测量载流子浓度的分布。
以上是一些测量结果，国产设备与匈牙利公司设备的结果对比显示，国产设备性能很好，国产设备和耗材不仅可以快速更换，性能也在逐步赶超国外设备。实际上，近期的一些突破还包括了解决客户痛点的遗留问题，比如漏汞和测试清洗后仍遗留痕迹的问题。
非接触式测量还有一种方法叫CNCV，也是由SemiLab公司开发的，国内目前还没有，但正在加紧研发。
关于翘曲度的测量，和碳化硅衬底一样，碳化硅外延片衬底出货阶段测试目前也是使用美国康宁的Tropel设备， 该设备使用激光频率扫描干涉法，是行业垄断性设备。但目前国产设备已经紧跟而上并处于验证阶段了。
外延片的出货检测是至关重要的，而国产的Lasertec和Candela设备主要用于不同部分的检测。
然而，外延片的缺陷仍然需要改进，特别是在碳化硅生产中，目前的设备的解析度相对较低。客户对于更高解析度的需求正在增加，因此需要提高设备的解析度，以满足市场需求。
总的来说，国产化的测试设备和耗材已经在碳化硅生产中取得了显著进展，但仍需要不断改进以满足市场的需求。
目前国产化设备的情况是这样的：去年取得了一些进展，今年情况有所改善，预计明年基本上所有设备都能实现国产化，所以情况还是比较乐观的。特别是在碳化硅设备和检测设备方面，优睿谱花了很多精力。
国产的碳化硅设备已经有了显著提升。例如，微管和位错技术已经有了大幅度提升。然而，无损检测还在早期验证阶段，许多人工目检的过程，比如边缘检测，仍然由人工完成。目前优睿谱已经在验证阶段，未来会取代这些人工检测。康宁的Tropel设备不再垄断，现在国产设备已经能够验证并进入试产阶段。外延检测设备的测试也不是问题，某些方面已经超过了国外设备。匈牙利垄断的载流子浓度测试设备MCV也已经实现国产化，结果非常好。非接触式检测设备仍需努力改进。
关于KLA Candela 8520设备，优睿谱认为还有进一步改进的空间。目标是改进光致发光检测能力使其拓展到碳化硅外延片的出货检。
未来，碳化硅量测领域将面临一些挑战，其中包括协助碳化硅从六寸片向八寸片的过渡，以及提高晶格制成上的良率。解决这些问题需要提供定制化的解决方案来满足客户的需求。同时，还需要提供高解析度的外延片出货表面缺陷检测，以满足碳化硅 MOSFET 量产的需求。碳化硅 MOSFET 是一个重要的芯片，对颗粒有着极高的容忍度要求，因此需要高达 60 纳米的解析度来检测表面缺陷。因此，为碳化硅厂提供相应的解决方案将成为未来的重要任务。
充电头网总结
碳化硅材料因其卓越的物理和化学特性，在半导体器件制造中扮演着越来越重要的角色。上海优睿谱半导体设备有限公司凭借其在量测检测领域的专业能力和技术积累，为碳化硅产业链的各个环节提供了强有力的支持和解决方案。
从晶体生长的监控点到外延生长的测试，再到晶圆出货前的检测，优睿谱的设备和技术在确保产品质量和提高生产效率方面发挥着至关重要的作用。特别是SICD200系列产品，以其高速扫描成像技术和人工智能分析，为碳化硅晶圆的位错和微管检测提供了高效准确的解决方案，其性能已在国际上得到广泛认可。
同时，优睿谱在国产化进程中也取得了显著成就，不仅推动了国内半导体设备的发展，也为打破国际垄断、实现供应链安全做出了贡献。随着技术的不断成熟和市场的不断扩大，国产设备正在逐步替代进口设备，展现出强大的竞争力和发展潜力。
随着碳化硅器件在功率电子、电动汽车、可再生能源等领域的广泛应用，对碳化硅衬底和外延片的质量要求将更加严格。优睿谱也将继续致力于技术创新和产品升级，为客户提供更高精度、更高效率的检测设备，以满足市场需求，推动碳化硅产业的持续发展。
