蔡司SEM技术助力半导体制程创新与GaN功率元件突破
- 郑宇渟／台北
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近年来，以氮化镓（GaN）为代表的第三代半导体材料功率元件，以其优越的高临界电场强度和导通状态下的通道导电性能，快速融入快充配件及消费电子品产业，并成为多款手机和平板电脑的标准配备。随着元件性能的持续提升以及新能源汽车的蓬勃发展，GaN功率元件迎来了崭新的应用场景。
然而，第三代半导体元件的制程不容小觑，多以磊晶方式堆叠，使得磊晶层之间以及磊晶层与基板之间存在显着晶格常数差异。为了达到高品质的磊晶，制程中必须精准控制应变，以降低表面差排密度。然而，这个过程难免会有疏漏，因此在第三代半导体元件的研发过程中，准确定位差排等缺陷变得不可或缺，对于制程的优化至关重要。
在这关键的背景下，穿透式电子显微镜技术崭露头角，提供高分辨率的缺陷信息。然而，穿透式电子显微镜的样品制备流程复杂，通常需要依赖FIB定点切割，再加上其有限的观察视野，对晶体缺陷的研究受到极大的限制。特别是在第三代半导体材料的磊晶制程中，差排等缺陷将沿着磊晶方向延伸至表面，因此迫切需要一种非破坏性的表面缺陷分析技术，以满足元件开发的需求。
磊晶层分析再创高峰，蔡司SEM-CL与ECCI技术助力制程效能提升
在这个前瞻领域，蔡司扫描式电子显微镜（SEM）技术引领着新的突破。通过阴极萤光（SEM Cathodoluminescence；SEM-CL）和电子通道对比成像（Electron Channeling Contrast Imaging，ECCI）技术，蔡司SEM为我们提供了非破坏性且高效的缺陷分析方法，极大地提升了磊晶层分析的效率，同时进一步提高了后续元件制程的良率。
SEM-CL技术利用电子束对样品表面进行能量激发，由于缺陷和基板的能态差异，导致放出不同波长的光子，这种光子被捕获并清楚地显示了磊晶中产生的缺陷。此外，SEM-CL技术还能够同时分析半导体材料的光学特性，使得分析更加全面。与之相对的，ECCI技术在数据采集效率和图像分辨率方面更为优越，能够提供纳米级别的分辨率，实现对材料内部纳米级缺陷的准确观察。
ECCI利用入射电子束和晶格表面之间的夹角，实现小角度偏移，进而引起背散射电子产额的剧烈变化。这种原理使得仅有数十纳米大小的缺陷在屏幕上展现出强烈的对比，让使用者能够清晰地观察材料内部微小的缺陷。
在过去，扫描式电子显微镜在缺陷分析方面受限于腔体大小，主要仅能提供破片分析。然而，蔡司电子显微镜的独特之处在于其腔室可容纳高达8寸的晶圆，使得分析过程无需裂片，待检测的晶圆可以直接置入腔室中。这项突破性设计意味着分析过程不仅效率更高，而且能够降低分析成本。同时，蔡司电子显微镜所提供的SEM-CL和ECCI技术，综合展现出以下优势：
非破坏性检测：样品仅需平整，无需经过复杂的制备流程，即可进行缺陷分析。
高解析大视野成像：蔡司电子显微镜提供32k x 24k的高像素图片，能够在广泛的范围内进行高分辨率观察。
多类型缺陷区分：不同类型的缺陷，如差排、叠差、掺杂等，均可以进行准确的区分。
这些优势使得蔡司扫描式电子显微镜成为解决第三代半导体材料缺陷分析的理想选择。特别是对于特定取向的晶格、应力集中区以及失效裂开区域，ECCI技术只需通过常规的样品制备，无需依赖FIB技术定点制备薄片样品即可进行观察。同时，由于磊晶层表面极为平整，晶圆可直接放入显微镜腔室中进行检测，无需进行繁琐的前处理，使得样品在检测后仍能够进行后续实验或制造。
数据驱动的自动化，蔡司显微镜方案的优势与应用
此外，蔡司解决方案不仅可以快速检测晶圆表面缺陷，还能够通过蔡司ZEN软件进行缺陷统计分析。随着晶圆尺寸的增大，人工进行大规模差排统计变得极为困难。然而，蔡司的ZEN软件结合机器学习功能，能够自动标记缺陷区域，实现自动化的差排密度统计。这一过程仅需将图像导入软件，即可获得数据，并且能够进一步调整制程参数，加速产品开发效率。
作为全球领先的显微镜供应商，蔡司所推出的光学显微镜、X光显微镜和电子显微镜影像能够相互连结，为用户提供更全面的解决方案。蔡司的扫描式电子显微镜技术可以用于对未通过SEM-CL和ECCI检测的晶圆进行定点分析。
以往使用者需要在高倍率电子显微镜下寻找光学显微镜所观察到的缺陷或特徵点，而通过关联显微镜技术，光学影像可以作为电子显微镜的导航信息，使得定点分析更加轻松。而独特的X光显微镜技术则可以非破坏地观察材料内部微米级的失效。藉由蔡司显微镜方案，使用者可以同时获得光学、电子显微镜以及材料内部缺陷信息，为缺陷分析开启新的视野。如欲了解更多，欢迎来信。
