一种碳化硅晶体质量的快速无损检测方法技术

本发明专利技术公开了一种碳化硅晶体质量的快速无损检测方法，将碳化硅晶体置于计算机层析扫描(CT)的载物台上，通过特定参数下的计算机层析扫描结合图像衬度，以及形貌特征的鉴别，可对碳化硅晶体内典型缺陷实现快速无损地检测，直接获取被测晶锭不同断层存在的缺陷形貌、密度分布，以及缺陷随生长过程的演化情况，可显著提高碳化硅晶体缺陷的可视化程度，无需特殊制样便可较为简便快速地分析晶体的质量。制样便可较为简便快速地分析晶体的质量。制样便可较为简便快速地分析晶体的质量。

【技术实现步骤摘要】
一种碳化硅晶体质量的快速无损检测方法


[0001]本专利技术涉及半导体材料测试表征的
，尤其涉及一种碳化硅晶体质量的快速无损检测方法。

技术介绍

[0002]被誉为第三代半导体材料的碳化硅(SiC)，具有高击穿电场强度、高热导率、高电子饱和速率和超强的抗辐射能力，非常适合制作高温、高频和大功率电子器件，以及蓝绿光、紫外光发光器件和光电探测器件。目前，在微电子领域，已有多种类型的SiC基微电子器件，如高电子迁移率晶体管、晶闸管、金属
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氧化物
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半导体场效应晶体管、异质结双极晶体管等，并在航空航天、军事装备、通信雷达及汽车电子化等领域得到了广泛应用。
[0003]然而碳化硅材料的质量和器件的成本仍无法与硅基器件相媲美，限制了大规模的应用。由于常用的碳化硅晶体制备PVT法自身的长晶特点，在实际的晶体生长过程中对缺陷有效且及时的调控变得十分困难，导致所得晶体结晶质量偏低，晶体利用率不高。
[0004]通常，SiC晶体中的缺陷主要包括微管、六方空洞、多型夹杂缺陷、层错缺陷，以及碳包裹物等，这些结构缺陷的存在使得器件性能急剧退化。因此，降低或消除晶体中的缺陷对促进高质量的碳化硅材料生长和实现高性能的器件制备均至关重要，如何快速无损地有效表征碳化硅晶体的缺陷密度及分布情况也随之成为研究重点。
[0005]传统的检测碳化硅晶体质量的方法是经过切片后湿法腐蚀法，再经过光学镜检等方式检测。但这种方法对样品是破坏性的，并且只能实现显微镜视野面积内的小区域观察，随着晶体尺寸和成本的增加，表征完整碳化硅晶体的质量更加困难。因此，需要寻找一种快速且无损地检测碳化硅晶体质量的方法。
[0006]此外，在半导体衬底或外延片检测领域，基于类似成像原理的XRT(X
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ray topography)检测技术尽管非常成熟，可获得晶片表面的缺陷形貌等精细特征[Defect Inspection Techniques inSiC,Chen etal. Nanoscale Research Letters(2022)17:30]，但相关检测方法通常是以反射式精细扫描为主，无法对大尺寸、整块的SiC晶锭进行内部断层扫描，限制了该技术在碳化硅晶锭无损检测方面的应用。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种碳化硅晶体质量的快速无损检测方法，通过特定X射线光源和扫描方式对处理后的碳化硅晶体进行全片扫描，依据晶体材料不同缺陷对X射线吸收或散射的局部差异性，可实现在计算机断层扫描成像上快速得到碳化硅晶体全片或局部的缺陷密度，以及分布的直观图像。
[0008]本专利技术的技术方案为：
[0009]一种碳化硅晶体质量的快速无损检测方法，其包括：
[0010]S1.对碳化硅晶体进行表面清洁处理；
[0011]S2.将碳化硅晶体置于计算机层析扫描的载物台上，射线发生器发出的X射线依次
经过准直器、碳化硅晶体后进入探测器，探测器接收扫描层的透射X射线产生信号，并通过计算机重构成像，得到碳化硅晶体全片或局部的断层扫描图像；
[0012]S3.依据碳化硅晶体内不同缺陷部位相较于理想晶体对X射线吸收/散射的差异，进而在断层扫描图像中产生对比度和形貌特征的差异，从而实现缺陷类型的鉴别。
[0013]可选的，所述表面清洁处理是采用甲苯、丙酮、乙醇或异丙醇清洁所述碳化硅晶体表面，再用氮气吹干。
[0014]可选的，所述碳化硅晶体是碳化硅晶锭、碳化硅衬底或外延片。碳化硅晶体是采用物理气相传输法或液相法制备得到；碳化硅衬底是经切磨抛后的单晶衬底；外延片是采用化学气相沉积法制备得到。
[0015]可选的，所述射线发生器是微焦高能X射线管，X射线光源的加速电压范围为200～350kV，光源焦点尺寸≤10微米，曝光时间≥1000ms,空间分辨率≤80微米。
[0016]可选的，所述碳化硅晶体放置于所述载物台时，所述碳化硅晶体的Si面向上，生长方向垂直于载物台平面。
[0017]可选的，所述X射线采用分段扫描方式进行扫描。
[0018]可选的，所述缺陷类型包括微管缺陷、碳包裹物缺陷、多型或晶型夹杂缺陷、六方空洞缺陷和层错缺陷。
[0019]可选的，所述缺陷类型的鉴别包括：
[0020]微管缺陷在图像中表现为较亮且具有沿晶轴方向延伸的白点；碳包裹物缺陷表现为分布于晶体内部特定位置、基本不随断层生长方向变化的黑点；多晶区域表现为区域性的、随晶体生长方向演化的浅白区块；晶体正常区域的单晶、无缺陷位置表现为均匀的灰色相。
[0021]可选的，还包括提取所述缺陷类型的图像特征进行缺陷分布、颜色呈现和分布密度计算。
[0022]可选的，所述碳化硅晶体是6英寸4H
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SiC单晶，采用射线发生器为微焦240kV高能X射线管，光源焦点5微米，曝光时间1000ms,投影数量2400。
[0023]半导体晶体属于同质、结晶度很高的材料，在密度上变化极小，常规CT成像及其材料分析方法无法应用于晶体材料。晶体材料对X射线具有极高的穿透一致性，因而其中的微观晶体缺陷对X射线的散射或吸收增强易于在成像中产生差异化的特征。依据特定缺陷的产生机理，以及对X射线的作用差异特征即可实现碳化硅单晶中典型缺陷类型的鉴别和分布信息提取。
[0024]由探测器接收扫描层透射的X射线产生信号，信号再经模拟/数字转换，输入计算机进行重建成像，得到碳化硅晶体全片或局部的断层扫描图。其中，依据不同缺陷在成像图中的对比度和分布特征，进行缺陷类型的鉴别。
[0025]当经过准直器形成的X射线打在碳化硅晶锭上时，在有生长缺陷的位置由于晶格排列不整齐，会导对X射线散射增强，透射能力减弱，从而在计算机成像上形成对比度较强的白色相；在无缺陷位置，即结晶性良好的单晶，晶格排列整齐，样品对X射线的散射/吸收相对少，表现为对X射线的透射相对较多，从而形成均匀的灰色相；而在碳包裹物缺陷中，由于碳的密度小，样品的透射增强，在探测器上接收到的X射线信号增强，在计算机成像上表现出对比度较强的黑点；此外，晶体的多晶或多型产生区域由于晶体周期性的破坏，在断层
平面上呈现出区域性的散射增强，表现为对X射线的散射增加，透射性减弱，进而在计算机成像上表现为较亮的、特征明显的区域浅色相。
[0026]除上述典型微管缺陷、多型/晶型夹杂缺陷、碳包裹物缺陷外，六方空洞缺陷、宏观层错缺陷、晶体裂纹等也可通过特定的特征图形进行鉴别。
[0027]本专利技术的有益效果为：
[0028]本专利技术通过计算机层析扫描结合图像对比度，以及形貌特征的缺陷鉴别的方法，与传统的湿法腐蚀的方式相比，可实现对大尺寸碳化硅晶体快速无损地检测。经验证，6英寸碳化硅晶体完整扫描过程仅需40min，操作简单，易于推广；
[0029]本专利技术通过获取碳化硅晶体全片或局部的缺陷分布图，可对碳化硅晶锭实现快速无损地检测，直接获取被测晶锭不同断层存在缺陷的直观图像，以及本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种碳化硅晶体质量的快速无损检测方法，其特征在于，所述方法包括：S1.对碳化硅晶体进行表面清洁处理；S2.将碳化硅晶体置于计算机层析扫描的载物台上，射线发生器发出的X射线依次经过准直器、碳化硅晶体后进入探测器，探测器接收扫描层的透射X射线产生信号，并通过计算机重构成像，得到碳化硅晶体全片或局部的断层扫描图像；S3.依据碳化硅晶体内不同缺陷部位相较于理想晶体对X射线吸收/散射的差异，进而在断层扫描图像中产生对比度和形貌特征的差异，从而实现缺陷类型的鉴别。2.根据权利要求1所述的碳化硅晶体质量的快速无损检测方法，其特征在于：所述表面清洁处理是采用甲苯、丙酮、乙醇或异丙醇清洁所述碳化硅晶体表面，再用氮气吹干。3.根据权利要求1所述的碳化硅晶体质量的快速无损检测方法，其特征在于：所述碳化硅晶体是碳化硅晶锭、碳化硅衬底或外延片。4.根据权利要求1所述的碳化硅晶体质量的快速无损检测方法，其特征在于：所述射线发生器是微焦高能X射线管，X射线光源的加速电压范围为200～350kV，光源焦点尺寸≤10微米，曝光时间≥1000ms，空间分辨率≤80微米。5.根据权利要求1所述的碳化硅晶体质量的快速无损检测方法，其特征在于：所述碳化硅晶体放置于所...

【专利技术属性】
技术研发人员：尹君，叶晓芳，康闻宇，姜伟，康俊勇，
申请(专利权)人：厦门大学，
类型：发明
国别省市：