一种碳化硅晶片缺陷无损检测的方法和装置

技术领域

本发明属于晶片检测技术领域，具体涉及一种碳化硅晶片缺陷无损检测的方法和装置。

背景技术

碳化硅是第三代半导体的代表性材料，在高温、高压、高功率等应用场景下有广阔的应用前景。当前，碳化硅晶片生产已实现产业化，晶圆质量不断提高，三维缺陷如微管、多型、裂纹等已得到良好控制。位错和层错成为碳化硅晶片中主要缺陷类型之一。

当前碳化硅应用中，半绝缘晶片主要用作异质外延衬底，在高频大功率射频器件领域有明显优势。内部的缺陷，尤其是位错的存在会在外延界面局部引起应力集中，造成界面缺陷，成为外延层位错源头。因此，位错是半绝缘衬底的重要指标之一。

为获得碳化硅晶片的位错分布，有无损和有损两种方案。化学腐蚀是当前最为普遍的位错检测方式，该方案通过熔融碱腐蚀碳化硅，以腐蚀坑的形式显露位错并进行统计，操作简单，准确度高。

公开号为CN117110310A的发明申请公开了一种4H-SiC单晶中位错缺陷的检测方法，该方法利用腐蚀液对4H-SiC晶片进行湿法腐蚀，使晶片中含有位错的区域形成腐蚀坑；然后，采用金相显微镜分别用暗场模式和微分干涉模式观察腐蚀坑，由于不同位错的伯格斯矢量不同，其腐蚀机理也不相同，其中，刃位错沿位错线腐蚀、螺位错沿层状腐蚀、混合位错两种腐蚀同时发生，所以在晶片的硅面会形成不同形貌的腐蚀坑，进而根据不同的模式下腐蚀坑的成像结果，可以精确的识别出4H-SiC单晶中螺位错、刃位错或混合位错缺陷。

但由于上述专利公开的是破坏性实验，无法用于批量测试。无损检测方案认可度较高的是基于高能X射线衍射貌相术成像，成本高昂，难以应用于量产。

另一种办法是基于载流子复合的拉曼光谱技术，主要应用于导电型晶圆。因此，对碳化硅晶片位错分布的无损表征成为碳化硅产业发展的一项重要需求。

发明内容

本发明提供了一种易于批量化无损检测的碳化硅晶片缺陷无损检测方法。

本发明具体实施例提供了一种碳化硅晶片缺陷无损检测的方法，包括：

通过微波场扫频和激光照射对碳化硅晶片的待检测位置的双空位色心进行激发产生对应的荧光信号，将所述荧光信号转变为电信号，并通过检测电信号得到待检测位置的双空位色心的荧光强度与微波频率的对应关系，基于所述对应关系得到所述双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率；

当所述双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率偏离对应的标准频率，则待检测位置存在缺陷，从而实现碳化硅晶片缺陷无损检测；

所述标准频率为碳化硅晶片内部无缺陷时双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率。

优选地，对碳化硅晶片进行扫描以得到碳化硅晶片的缺陷分布，包括：

所述碳化硅晶片位于样品台上，设定样品台移动的步长和路线，同时设定激光和微波场的扫描频率，使得激光和微波场能够聚焦到待检测位置；

移动样品台完成对碳化硅晶片的扫描，获得碳化硅晶片不同位置的双空位色心的光探测磁共振特征峰；

将碳化硅晶片不同位置的双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率与对应的标准频率进行比较，基于比较结果得到碳化硅晶片的缺陷分布。

优选地，当检测到的双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率偏离对应的标准频率后，通过双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率与对应的标准频率差值构建衬度，通过衬度确定碳化硅晶片内部的缺陷位置和类型。

优选地，通过碳化硅晶片表面的衬度确定缺陷类型，包括：

当缺陷为贯穿型位错，所述衬度表现为点衬度；当缺陷为平面位错时，所述衬度表现为线衬度；当缺陷为层错时，所述衬度表现为面衬度。

优选地，产生微波场的辐射结构位于碳化硅晶片的待检测位置上方的0.01-0.1mm位置。

优选地，通过调控微波源使得在碳化硅晶片的待检测位置表面产生微波场的频率范围为1000～1500MHz。

优选地，激光通过二向色镜导入光学镜头，然后通过光学镜头聚集到待检测位置。

本发明具体实施例还提供了一种碳化硅晶片缺陷无损检测装置，包括样品台、激光器、微波源、探测模块、二向色镜、探测器、处理器和输出模块；

其中，所述样品台用于放置碳化硅晶片，并通过接收的指令进行移动使得激光能够聚焦到待检测位置；

所述激光器用于产生激光，所述激光通过二向色镜和探测模块聚焦到待检测位置；

所述微波源与探测模块连接，所述微波源产生的微波通过探测模块辐射到待检测位置；

所述探测模块位于待检测位置上方，所述探测模块用于将激光聚焦到待检测位置，还用于监测辐射结构到光学镜头的位置，还用于将微波辐射到待检测位置；

所述二向色镜用于将来自激光器的激光反射到光学镜头，还用于通过待检测位置发射的荧光信号；

所述探测器用于接收通过的荧光信号，并将荧光信号转化为电信号后发送至处理器；

所述处理器与探测器连接，用于基于待检测位置的双空位色心的荧光强度与微波频率的对应关系得到接收的电信号对应的双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率；

所述输出模块用于基于双空位色心的光探测磁共振特征峰在碳化硅晶片表面的位置分布，通过光探测磁共振特征峰的微波频率与标准频率差值构建衬度，通过衬度的变化确定碳化硅晶片表面的缺陷位置和数量。

优选地，所述探测模块包括光学镜头、距离传感器和辐射结构；

其中，所述辐射结构与光学镜头连接，且位于光学镜头和待检测位置之间，所述光学镜头用于将激光聚焦到待检测位置，所述距离传感器固定在光学镜头侧壁，用于监测辐射结构到光学镜头的位置，所述辐射结构用于将接收到的微波辐射到待检测位置。

优选地，所述样品台和探测模块通过无磁材料制得。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明基于对碳化硅晶片中的双空位色心的光探测磁共振特征峰的激发和探测，获得碳化硅晶片的双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率和标准频率的比较结果，基于比较结果判断碳化硅晶片内部的缺陷，从而较为容易的对碳化硅晶片进行无损检测，从而实现对碳化硅晶片的批量化无损检测。

附图说明

图1为本发明具体实施例提供的一种碳化硅晶片缺陷无损检测的方法的流程图；

图2为本发明具体实施例提供的一种碳化硅晶片双空位色心荧光光谱图；

图3为本发明具体实施例提供的测试效果图；

图4为本发明具体实施例提供的一种碳化硅晶片缺陷无损检测装置图。

其中，待测样品1；样品台2；辐射结构3，光学镜头4，距离探测器5；二向色镜6；探测器7；处理器8；输出模块9；激光器10；微波源11；控制器12。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，下述的实施例及实施方式中的特征可以相互组合。

为了实现对碳化硅晶片内部的缺陷的无损探测，本发明具体实施利用对碳化硅晶片内的双空位色心激发出的荧光信号进行处理得到对应的光探测磁共振特征峰的微波频率，通过微波频率与标准频率的比较以确定碳化硅晶片内部存在缺陷的区域，本发明具体实施例提供的一种碳化硅晶片缺陷无损检测的方法的具体步骤，如图1所示，包括：

(1)通过施加微波场和激光对碳化硅晶片的双空位色心进行激发产生对应的荧光信号：由于双空位均匀分布在碳化硅晶片内部，因此碳化硅晶片内部由于缺陷产生的晶格畸变能够通过双空位色心进行激发产生对应的荧光信号准确的反应出来，因此本发明具体实施例利用双空位色心对应的荧光信号进行无损探测，具体步骤如下：

本发明具体实施例将碳化硅晶片放置在样品台，在一具体实施例中，该样品台为三轴样品台，通过真空吸附将碳化硅晶片吸附固定在三轴样品台上，防止测试过程中碳化硅晶片抖动，在碳化硅晶片的待检测位置产生微波场进行扫频，并通过激光对待检测位置的双空位色心进行激发产生对应的荧光信号，通过微波源对辐射结构施加1365～1385MHz的微波场，步长为1MHz，记录每个步长的荧光信号强度，得到光探测磁共振信号，在双空位色心的共振频率荧光强度变弱，如图2所示，双空位色心的一个光探测磁共振特征峰标准位置为1376MHz，晶格畸变造成测试数据与标准数据的偏差，本发明具体实施例通过探测器将荧光信号转变为电信号。

在一具体实施例中，本实施例提供的产生微波场的辐射结构位于碳化硅晶片的待检测位置上方的0.01-0.1mm位置。本发明提供的辐射结构并未与碳化硅晶片相接触，避免了对碳化硅晶片的污染，从而较为容易的实现批量无损探测，由于微波场的能量较为容易损耗，因此本发明具体实施例提供的辐射结构较为接近碳化硅晶片表面，从而能够提供足够的能量对碳化硅晶片进行激发。

在一具体实施例中，本发明具体实施例提供的激光通过二向色镜导入光学镜头，通过光学镜头聚集到待检测位置，在一实施例中，该激光的波长为914nm。

(2)将荧光信号转变为电信号，并通过检测得到待检测位置的双空位色心的荧光强度与微波频率的对应关系得到所述电信号对应的双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率，具体步骤如下：

本发明具体实施例通过变换微波场的频率，实现在待检测位置的扫频，从而能够得到某一微波频率D使得双空位色心的基态的m

在一具体实施例中，由于激发双空位色心的某一微波频率D处在不同的频段，因此为了实现基于双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率来探测缺陷的目的，本实施例提供了通过调控微波源使得在碳化硅晶片的待检测位置表面产生微波场的频率范围为1000～1500MHz。

(3)基于检测得到的双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率判断待检测位置是否存在缺陷：当检测到的光探测磁共振特征峰的微波频率偏离标准频率，则待检测位置存在缺陷，从而实现碳化硅晶片缺陷无损检测，本发明提供的标准频率为碳化硅晶片的待检测位置无除色心外的其他缺陷时检测到的双双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率。

在一具体实施例中，本实施例提供了对碳化硅晶片进行扫描以得到碳化硅晶片的缺陷分布的方法，包括：

本发明具体实施例将碳化硅晶片放置在样品台上，设定样品台移动的步长和路线，以精准、完整的扫描到所设定的碳化硅晶片区域，设定微波场和激光扫描频率，并将激光和微波场聚焦到设定的碳化硅晶片的待检测位置，样品台按照提前设定的步长和路线移动从而完成对对碳化硅晶片的扫描，在每个位点采集双空位色心的光探测磁共振信息，并记录对应的位置坐标，进而获得碳化硅晶片的双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率的分布，基于碳化硅晶片不同位置的双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率与对应的标准频率进行比较，基于比较结果得到碳化硅晶片的缺陷分布。由于双空位色心均匀分布在碳化硅晶片处，通过调控微波场的扫描频率，因此能够较为准确，且无损的探测到碳化硅内部的缺陷。

在一具体实施例中，本发明具体实施例提供的当检测到的双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率偏离对应的标准频率后，通过双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率与对应的标准频率差值构建衬度，通过衬度的变化确定碳化硅晶片内部的缺陷位置。由于在碳化硅晶片内部缺陷的存在，双空位色心的光探测磁共振特征峰的位置会发生移动，由于有缺陷和无缺陷对应的光探测磁共振特征峰的频率不同，从而在图中能够体现衬度变化，如图3所示，无缺陷区域光探测磁共振特征峰频率较为统一，衬度均匀，位错区域出现频率变化，衬度表现为点状，基于衬度的变化得到在碳化硅基片内的缺陷的分布的数量。

在一具体实施例中，本发明具体实施例提供了通过碳化硅晶片表面的衬度确定缺陷类型，当缺陷为贯穿型位错，由于所述贯穿型位错沿着碳化硅晶片法线方向延伸，所述衬度表现为点衬度；当缺陷为基平面位错时，由于沿着碳化硅晶片表面延伸，所述衬度表现为线衬度；当缺陷为层错时，所述衬度表现为面衬度。本发明具体实施例基于不同的衬度形态能够较为准确的获得不同类型的缺陷。

本发明具体实施例还提供了一种碳化硅晶片缺陷无损检测装置，如图4所示，包括样品台、激光器、微波源、探测模块、二向色镜、探测器、处理器和输出模块。

其中，所述样品台用于放置碳化硅晶片，并通过接收的指令进行移动使得激光能够聚焦到待检测位置。

本发明具体实施例提供的激光器用于产生激光，所述激光通过二向色镜和探测模块聚焦到待检测位置。

本发明具体实施例提供的微波源与探测模块连接，所述微波源产生的微波通过探测模块辐射到待检测位置。

本发明具体实施例提供的探测模块位于待检测位置上方，所述探测模块用于将激光聚焦到待检测位置，还用于监测辐射结构到光学镜头的位置，还用于将微波辐射到待检测位置。

本发明具体实施例提供的二向色镜用于将来自激光器的激光反射到光学镜头，通过来自样品的荧光信号。

本发明具体实施例提供的探测器用于接收通过的荧光信号，并将荧光信号转化为电信号后发送至处理器。

本发明具体实施例提供的处理器与探测器连接，用于基于待检测位置的双空位色心的荧光强度与微波频率的对应关系得到接收的电信号对应的双空位色心的光探测磁共振特征峰的微波频率。

本发明具体实施例提供的输出模块用于基于双空位色心的光探测磁共振特征峰在碳化硅晶片表面的位置分布，通过光探测磁共振特征峰的微波频率与标准频率差值构建衬度，通过衬度的变化确定碳化硅晶片表面的缺陷位置和数量。

在一具体实施例中，本实施例提供的探测模块包括光学镜头、距离传感器和辐射结构；其中，所述辐射结构与光学镜头连接，且位于光学镜头和待检测位置之间，所述光学镜头用于将激光聚焦到待检测位置，所述距离传感器固定在光学镜头侧壁，用于监测辐射结构到光学镜头的位置，所述辐射结构用于将接收到的微波辐射到待检测位置。

本发明具体实施提供的碳化硅晶片位错无损检测装置中的辐射结构用于将微波辐射到碳化硅晶片表面，使得碳化硅晶片表面形成微波场，由于该辐射结构位于待检测位置上方，未与碳化硅晶片接触，避免对碳化硅晶片的污染。

本发明具体实施提供的样品台和探测模块通过无磁材料制得。

本发明具体实施例提供了一种碳化硅晶片位错检测装置和方法，基于对碳化硅晶片中双空位色心探测磁共振特征峰的激发与探测，获得碳化硅晶片位错分布情况，并可以根据衬度分析缺陷类型。由于双空位色心是碳化硅晶片的本征缺陷类型，无需对测试样品进行处理，因此可以实现碳化硅晶片位错分布的无损、批量测试。