CN106123758A - 一种碳化硅晶体表面台阶宽度的检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于新材料加工技术领域，发明人首次提出采用傅里叶变换来测量晶体平台宽度的概念，以分布图的形式直观得到晶体生长后的平均平台宽度，打破了以往常规的传统人工测量晶体台阶的方法，以及观察范围窄、测量成本高、耗时等弊端，不论是何种晶体类型或是角度，观察范围广，从微观到宏观都能连续可测，可以真实地反映晶体表面台阶情况，是目前最直接有效的检测晶体表面台阶的方法。

Description

一种碳化硅晶体表面台阶宽度的检测方法
技术领域
本发明属于新材料晶体加工领域，具体涉及一种碳化硅晶体表面台阶宽度的检测方法。
背景技术
碳化硅(SiC)是一种半宽禁带半导体材料，其在禁带宽度、热导率、临界击穿场强、饱和电子漂移速率等方面具有明显的优势。由于其优异的物理性能，使用碳化硅器件，有望大幅削减电力转换器的损失和体积。目前碳化硅器件已经开始在汽车、铁路和家用电器中得到应用。正因为碳化硅所具备的优良特性和碳化硅器件所展示的巨大应用潜力，对其单晶的制备、外延材料的生长、缺陷研究一直是国际上的研究热点。
生长SiC晶体的方法有物理气相输运(PVT)法、高温气相沉积(HT-CVD)法和溶液(LPE)法等。虽然生长方式不同，但从微观上来讲，晶体的生长机理是相同的。晶体的生长通过螺位错生长(Spiral Growth)和台阶流动生长(Step-flow Growth)这两种生长机制进行的。不论哪种生长机制，其本质上都是通过台阶的扩张来实现晶体的生长。因此，在工艺要求范围内，表征晶体表面台阶宽度是实现碳化硅器件高性能的关键检测流程之一。
目前可以表征晶体表面台阶的技术手段有台阶仪、扫描电子显微镜(SEM)、原子力显微镜(AFM)等。但台阶仪精度不高，对于微观尺度的台阶，不能准确分辨每个小台阶具体的宽度和高度。SEM可以获得二维的晶体表面形貌图片，但无法获得三维的晶体表面形貌信息，其中包括台阶的宽度和高度等。此外，SEM制样复杂，设备成本高，只能观察晶体表面上的小范围区域，不适合表征晶体表面的台阶。通过AFM可以获得晶体表面的三维形貌，可以准确测量每个台阶的高度和宽度，但缺点是观察范围窄，最大只有100μm×100μm的面积范围，对于2-4英寸的晶体表面，不能完全获取真实的晶体表面形貌信息，并且每个台阶都需要人工去测量统计，没有科学、公认的方法去给出让人信服的数据。
通过现有检测晶体表面形貌的方法和设备，可以检测晶体的微观、划痕、崩边、缺口、颗粒、包裹体、螺型位错(TSD)、刃型位错(TED)、基面位错(BPD)、Pit等信息，已基本满足工业化生产所需检测要求，但对于如何系统有效地检测碳化硅晶体表面的台阶宽度，这方面的检测方法还存在空白之处。
发明内容
根据现有技术存在的不足和空白，本发明的发明人首次提出采用傅里叶变换来测量晶体平台宽度的概念，以分布图的形式直观得到晶体生长后的平均平台宽度，打破了以往常规的传统人工测量晶体台阶的方法，以及观察范围窄、测量成本高、耗时等弊端，不论是何种晶体类型或是角度，观察范围广，从微观到宏观都能连续可测，可以真实地反映晶体表面台阶情况，是目前最直接有效的检测晶体表面台阶的方法。
本发明的具体技术方案如下：
一种碳化硅晶体表面台阶宽度的检测方法，包括以下步骤：
首先，获取碳化硅晶体表面的轮廓图，其中微观层面采用AFM进行检测，宏观层面则采用台阶仪检测；
然后在得到的轮廓图上，沿着台阶流动的方向任意取一条轮廓线，其轮廓线的长度需涵盖所需检测的范围；
接着对选取的轮廓线经过光滑处理后得到轮廓曲线，从该曲线图中可看到尺寸不一的巨型台阶和平台；
采用傅里叶变换的方法，对该轮廓曲线进行信号处理，最终可得波数频率分布图，依据波数与波长之间的倒数关系，由此推出平台宽度的分布，得知晶体生长后的平均平台宽度。
在轮廓线选择时既可以如上所述只选自一条轮廓线，也可以对应的选择多条轮廓线，并对每条轮廓线进行如上的检测和转换，这样对最终的结果进行汇总后，可以获得更为准确的检测结果，但发明人发现当采用选取多条轮廓线进行测量时，其最终结果与采用一条轮廓线时的方差极小，因此发明人优选只选取一条轮廓线的技术方案，且由上可知该方案具有广泛的代表性，能够大大简化整个检测的过程和步骤；
其中所述的轮廓线为直线，选择直线时最具备代表性，而且该轮廓线的长度必须涵盖所需检测的范围，以避免在检测过程中缺失部分数据，造成最终检测结果的误差；
所述的轮廓曲线是从测试结果中直接获取，通过AFM或者台阶仪等测试设备直观的给出晶体表面的轮廓曲线，只需选取与轮廓线对应的部分即可，之所以对选取的轮廓线对应的轮廓曲线进行光滑处理，主要原因在于在样品测量过程中，可能会产生很多底部噪点，反应在轮廓曲线上即为很多尖锐的凸起，这些凸起没有任何的意义，因此为了提高最终的检测准确性，可通过常规的光滑处理得到没有杂峰干扰的轮廓曲线，而从该曲线图中可看到尺寸不一的巨型台阶和平台；
在获得上述的轮廓曲线后，发明人直接利用现有的Origin或者Matlab等专业的数据处理软件，对轮廓曲线进行非周期性连续信号傅里叶变换，即可获得波数频率分布图，依据波数为波长的倒数，波长的频率分布也就是平台宽度的分布频率。
现有技术中常规方法是测量每个台阶，然后通过大量的采样取平均的方式得到平台的宽度信息。但晶体表面有成千上万个台阶，而且每个台阶的宽度都不尽相同，通过现有的方法，既费时费力，又不能准确反映晶体表面台阶的宽度。而通过本发明中提供的方法，直接对测试结果进行数据处理，可快速的获取表面信息，并且不需要人为干预，可靠性高。
综上所述，发明人首次提出采用傅里叶变换来测量晶体平台宽度的概念，以分布图的形式直观得到晶体生长后的平均平台宽度，打破了以往常规的传统人工测量晶体台阶的方法，以及观察范围窄、测量成本高、耗时等弊端，不论是何种晶体类型或是角度，观察范围广，从微观到宏观都能连续可测，可以真实地反映晶体表面台阶情况，是目前最直接有效的检测晶体表面台阶的方法。
附图说明
图1为实施例1中2°偏角的4H-SiC晶体在同向流动下生长10min后的AFM图；
图2为图1中轮廓线A-B的轮廓曲线；
图3为图2中轮廓曲线经过傅里叶变换后的波数频率分布图；
图4为实施例2中1°偏角的4H-SiC晶体在同向流动下生长10min后的AFM图；图5为图4中轮廓线A-B的轮廓曲线；
图6为图5中轮廓曲线经过傅里叶变换后的波数频率分布图。
具体实施方式
下面通过具体的制备实施例进一步说明本发明，但是，应当理解为，这些实施例仅仅是用于更详细具体地说明之用，而不应理解为用于以任何形式限制本发明。
实施例1 2°偏角的4H-SiC晶体表面台阶宽度的检测方法
本检测方法包括以下步骤：
首先，获取碳化硅晶体表面的轮廓图，2°偏角的4H-SiC晶体表面台阶宽度采用AFM进行检测，如图1所示；
然后在得到的图1所示的轮廓图上，沿着台阶流动的方向取一条轮廓直线A-B，其轮廓线的长度需涵盖所需检测的范围；
接着对选取的轮廓线经过光滑处理后得到轮廓曲线(如图2所示)，从该曲线图中可看到尺寸不一的巨型台阶和平台；
利用现有的Origin数据处理软件，对轮廓曲线进行非周期性连续信号傅里叶变换，最终可得波数频率分布图(如图3所示)，依据波数为波长的倒数，波长的频率分布也就是平台宽度的分布频率。从图3中可以看到波数在0.076μm-1时有一个明显的峰，并且在0.1μm-1和0.2μm-1的位置有两个小峰。这些峰代表着平台宽度集中分布的位置。在波数为0.076μm-1处的主峰代表着最普遍的平台宽度，对应着宽度为13μm的平台，这样通过傅里叶变换就可以知道晶体生长后的平均平台宽度。
通过人工实际测量的数据，可知平台宽度分布集中在5-15μm左右，因此可以看到本发明所提供的检测方法最终获得的结果可靠，且准确度更高。
实施例2 1°偏角的4H-SiC晶体表面台阶宽度的检测方法
本检测方法包括以下步骤：
首先，获取碳化硅晶体表面的轮廓图，1°偏角的4H-SiC晶体表面台阶宽度采用AFM进行检测，如图4所示；
然后在得到的图1所示的轮廓图上，沿着台阶流动的方向取一条轮廓直线A-B，其轮廓线的长度需涵盖所需检测的范围；
接着对选取的轮廓线经过光滑处理后得到轮廓曲线(如图5所示)，从该曲线图中可看到尺寸不一的巨型台阶和平台；
利用现有的Matlab数据处理软件，对轮廓曲线进行非周期性连续信号傅里叶变换，最终可得波数频率分布图(如图6所示)，从图6中可以看到波数在0.06μm-1时有一个明显的峰，在波数为0.06μm-1处的主峰代表着最普遍的平台宽度，对应着宽度为17μm的平台，这样通过傅里叶变换就可以知道晶体生长后的平均平台宽度。
而通过实际人工对AFM检测结果判读，可知平台宽度分布在10-20μm左右；可见本发明所提供的检测方法最终获得的结果可靠，且准确度更高。

Claims (4)

1.一种碳化硅晶体表面台阶宽度的检测方法，其特征在于：包括以下步骤：
首先，获取碳化硅晶体表面的轮廓图，其中微观层面采用AFM进行检测，宏观层面则采用台阶仪检测；
然后在得到的轮廓图上，沿着台阶流动的方向任意取一条轮廓线，其轮廓线的长度需涵盖所需检测的范围；
接着对选取的轮廓线经过光滑处理后得到轮廓曲线，从该曲线图中可看到尺寸不一的巨型台阶和平台；
采用傅里叶变换的方法，对该轮廓曲线进行信号处理，最终可得波数频率分布图，依据波数与波长之间的倒数关系，由此推出平台宽度的分布，得知晶体生长后的平均平台宽度。
2.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：傅里叶变换为采用Origin或者Matlab数据处理软件，对轮廓曲线进行非周期性连续信号傅里叶变换。
3.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述的轮廓线为直线。
4.根据权利要求1所述的检测方法，其特征在于：所述的轮廓线至少为一条。
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商庆杰等: "SiC MESFET 工艺在片检测技术", 《半导体技术》 *

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