CN110361139B - 一种检测半导体碳化硅衬底中大尺寸微管的方法及装置 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种检测半导体碳化硅衬底中大尺寸微管的方法及装置。所述方法是在待测衬底上表面覆盖检测用液体，并使其上下表面形成气压差，通过检测该衬底的下表面和/或其支持物上是否存在所述检测用液体和/或其存在位置判断衬底中大尺寸微管数量和位置情况。所述装置包括样品吸附单元、抽真空装置、和连通所述样品吸附单元与所述抽真空装置的真空管道；所述样品吸附单元包括真空吸盘，其顶部设衬底吸附区域，所述附区域设多个开口朝上的环形槽，所述真空吸盘还设有通孔，所述通孔连通所述吸附区域和所述真空管道。本发明能准确判断半导体碳化硅衬底中大尺寸微管缺陷的数量和位置，检测效率高，适于大规模产业化缺陷检测。

Description

一种检测半导体碳化硅衬底中大尺寸微管的方法及装置

技术领域

本发明涉及半导体碳化硅衬底缺陷检测领域，具体说是一种检测半导体碳化硅衬底中大尺寸微管的方法及装置。

背景技术

半导体碳化硅单晶是最重要的第三代半导体材料之一，因其具有禁带宽度大、饱和电子迁移率高、击穿场强大、热导率高等优异性质，而被广泛应用于电力电子、射频器件、光电子器件等领域。

微管是碳化硅单晶中常见的缺陷，微管通常沿着单晶生长方向贯穿整个晶体，其尺寸从几微米至几十微米不等。对于一些尺寸较大的微管(通常大于20μm)，衬底生长外延过程中随外延层生长延伸至外延层表面，造成在外延后的光刻阶段，外延片处于真空吸附时，光刻胶沿着微管道渗透到碳化硅衬底背面，严重影响光刻工艺，甚至造成设备宕机，此外，大尺寸的微管更易导致外延缺陷的产生，降低器件的成品率。因此，在碳化硅单晶抛光片阶段测试出衬底是否存在大尺寸微管至关重要，避免存在大尺寸微管的碳化硅单晶片进行后续使用，造成后续工艺报废或降低成品率。

目前，检测筛选大尺寸微管的方法是在显微镜下进行微管尺寸测量。该方法存在的缺点是需要在显微镜下寻找衬底中存在的微管，并逐一进行尺寸测量，耗时很长，效率低，不适合生产化使用。

发明内容

针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的方法及装置，本发明的优点在于能够准确判断半导体碳化硅衬底是否存在大尺寸微管，且检测效率高，适用于大规模产业化缺陷检测。

为达到以上目的，本发明采取的技术方案是：

首先，本发明提供了一种检测半导体碳化硅衬底中大尺寸微管的方法，包括如下步骤：

S1、将待测半导体碳化硅衬底水平放置于支持物上，在待测半导体碳化硅衬底上表面布满检测用液体；

S2、使所述待测半导体碳化硅衬底的上表面和下表面之间形成气压差(在设定时间内，所述气压差能将所述检测用液体通过所述待测半导体碳化硅衬底中已存在的大尺寸微管从所述待测半导体碳化硅衬底的上表面流至所述待测半导体碳化硅衬底的下表面和/或所述支持物上)；

S3、检测所述待测半导体碳化硅衬底的下表面和/或所述支持物上是否存在所述检测用液体和/或其存在位置；

若存在，则判断所述待测半导体碳化硅衬底存在大尺寸微管，和/或根据所述存在位置判断大尺寸微管位置，

若不存在，则判断所述待测半导体碳化硅衬底不存在大尺寸微管。

在上述任一所述方法中，所述检测用液体常温常压(25℃、1atm)下，粘度为1～60mPa·s(以便于流动和抽吸，较少残留)、饱和蒸汽压为400～5000Pa(不易挥发以便于检测)，和/或能溶于水(以便于检测完毕后可用去离子水清洗掉检测用液体，对后续衬底加工和使用没有影响，以减少对后续加工的影响)；

所述检测用液体优选为水、乙二醇、和/或丙三醇，

所述水更优选为去离子水。

在上述任一所述方法中，所述待测半导体碳化硅衬底的上表面为正常大气压，所述待测半导体碳化硅衬底的下表面为负压；优选的，所述负压的压强为4×10^-1～4×10³Pa，更优选，4×10^-1～4×10²Pa；

优选的，所述气压差的保持时间为0.1～6秒，更优选，1～3秒；以便于所述检测用液体恰好从所述待测半导体碳化硅衬底中的微管中完全流出，且尽量多的留在所述待测半导体碳化硅衬底的下表面或所述支持物上，以便于检测和判断所述检测用液体的流出位置；

和/或，所述半导体碳化硅衬底为碳化硅单晶晶片，其厚度为100～1000μm，优选为300～600μm；

和/或，所述微管的直径为10μm以上，优选为20μm以上。

在上述任一所述方法中，所述方法使用以下任一所述检测吸附装置进行，其中，所述支持物为所述检测吸附装置中所述真空吸盘顶部的半导体碳化硅衬底吸附区域。

本发明还提供一种半导体碳化硅衬底检测吸附装置，包括：样品吸附单元、抽真空装置、和连通所述样品吸附单元与所述抽真空装置的真空管道；

所述样品吸附单元包括真空吸盘，所述真空吸盘的顶部设半导体碳化硅衬底吸附区域，所述半导体碳化硅衬底吸附区域设多个开口朝上的环形槽(如圆形槽或方形槽)，所述真空吸盘还设有至少一个连通所述半导体碳化硅衬底吸附区域和所述真空管道的通孔。

在上述检测吸附装置中，所述多个开口朝上的环形槽同心，所述通孔设于所述多个开口朝上的环形槽的中心处，所述多个开口朝上的环形槽之间通过至少一个径向延伸至所述通孔的沟槽贯通，所述沟槽可用于气体和液体流通。

在上述检测吸附装置中，所述多个开口朝上的环形槽的槽壁高度相同，以便于对其上的待测半导体碳化硅衬底起到支撑作用，

优选的，每个所述环形槽的槽壁的纵切面呈顶部平、侧边垂直的形状，或呈顶部尖状、侧边斜向外的形状；

和/或，所述多个开口朝上的环形槽的最大直径与待测半导体碳化硅衬底直径相同，或比待测半导体碳化硅衬底直径小2mm范围内；

和/或，所述多个开口朝上的环形槽的材质为不易变形金属，所述不易变形金属优选为不锈钢、铝合金或钛合金，更优选为铝合金。

在上述检测吸附装置中，所述通孔为一个且竖直方向贯通，所述通孔的下方设三通管，所述三通管包括上管口、左管口和右管口，所述上管口与所述通孔下部连通，所述左管口通过第一真空挡板阀与所述真空管道连通，所述右管口通过第二真空挡板阀与大气连通。

在上述检测吸附装置中，所述第一真空挡板阀与所述真空管道连通的管路上设气水分离过滤器，以防止检测用液体进入所述抽真空装置如真空泵中，影响抽真空装置运行。

在上述检测吸附装置中，所述通孔下部设吸盘座，所述吸盘座套设于所述通孔外，所述吸盘座外周设开口向上的凹槽，所述凹槽内设弹性O圈，所述真空吸盘下表面通过所述弹性O圈与所述吸盘座上部连接(以便于对放置于所述真空吸盘上表面的所述待测半导体碳化硅衬底起到缓冲作用)，所述吸盘座下部与所述三通管的上管口连通；

优选的，所述吸盘座下部与所述三通管的上管口之间、所述第一真空挡板阀与所述三通管的左管口之间、所述第二真空挡板阀与所述三通管的右管口之间、所述第一真空挡板阀与所述气水分离过滤器之间和所述气水分离过滤器与所述抽真空装置之间通过真空卡箍连接；

更优选的，每个所述真空卡箍中的所述连接的位置处外套设管路密封O圈。

本发明所述装置及方法的有益效果如下：

本发明为半导体碳化硅衬底中大尺寸微管检测判定提供了一种新方法及装置，且不需要通过显微镜进行微管缺陷寻找和尺寸测量，具有检测效率高、检测准确度高的特点，本发明适用于大规模产业化缺陷检测。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本申请的进一步理解，构成本申请的一部分，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：

图1为一种半导体碳化硅衬底中大尺寸微管检测吸附装置的立体图。

图2为图1所示装置中真空吸盘至三通管上管口处的侧视图。

图3为图2所示圈Ⅰ部分的剖视放大图。

图4为图2所示圈Ⅱ部分的剖视放大图。

图5为真空吸盘的俯视图。

图6a为图5所示真空吸盘的纵切面图。

图6b为图5所示真空吸盘的下部结构示意图。

其中，附图中各标记如下：

1为真空吸盘，2为吸盘座，3为三通管，4为第一真空挡板阀，5为第二真空挡板阀，6为气水分离过滤器，7为抽真空装置，8为真空卡箍，9为待测半导体碳化硅衬底，10为管路密封O圈，11为弹性O圈，12为环形槽，13为凹槽，14为沟槽，15为通孔，16为槽壁。

具体实施方式

为了更清楚的阐释本申请的整体构思，下面结合说明书附图以示例的方式进行详细说明。

实施例1、半导体碳化硅衬底中大尺寸微管检测吸附装置

如图1、5、6a和6b所示，本实施例提供的半导体碳化硅衬底中大尺寸微管检测吸附装置，包括样品吸附单元、抽真空装置7(如真空泵)、和连通所述样品吸附单元与所述抽真空装置7的真空管道；

所述样品吸附单元包括真空吸盘1，所述真空吸盘1的顶部设半导体碳化硅衬底吸附区域，所述吸附区域布满多个开口朝上且同心的环形槽12(图3和图5所示为圆形槽，除中心外共14个圆形槽，也可根据半导体碳化硅衬底的形状设置其它形状的环形槽，如方形槽)，所述真空吸盘1底部设一个竖直方向贯通的通孔15，所述通孔15的上口位于所述环形槽12的中心处，所述通孔15的下口与所述真空管道连通；

所述多个开口朝上的环形槽12之间通过四个均匀分布且径向延伸至所述通孔15上口处的沟槽14贯通；

所述多个环形槽12的槽壁16高度相同，每个所述环形槽12的槽壁16的纵切面呈顶部平、侧边垂直的形状(图6所示)；

所述多个环形槽12的材质为不易变形金属铝合金。

如图1所示，所述通孔15的下方设三通管3，所述三通管3包括上管口、左管口和右管口，所述上管口与所述通孔15下部连通，所述左管口通过第一真空挡板阀4与所述真空管道连通，所述右管口通过第二真空挡板阀5与大气连通；所述第一真空挡板阀4与所述真空管道连通的管路上设气水分离过滤器6。

如图2和图3所示，所述通孔15下部设吸盘座2，所述吸盘座2套设于所述通孔15下开口外，所述吸盘座2上部外周设开口向上的凹槽13，所述凹槽13内设弹性O圈11，所述真空吸盘1下表面通过所述弹性O圈11与所述吸盘座2上部连接；所述吸盘座2下部与所述三通管3的上管口连通；

如图1所示，所述吸盘座2下部与所述三通管3的上管口之间、所述第一真空挡板阀4与所述三通管3的左管口之间、所述第二真空挡板阀5与所述三通管3的右管口之间、所述第一真空挡板阀4与所述气水分离过滤器6之间和所述气水分离过滤器6与所述抽真空装置7之间通过真空卡箍8(具体为KF真空卡箍)连接；

如图2和4所示，每个所述真空卡箍8中的所述连接的位置处外套设管路密封O圈10。

本实施例提供的检测吸附装置的使用方法如下：

选择与待测半导体碳化硅衬底9直径尺寸对应的真空吸盘1，将待测半导体碳化硅衬底9水平放置于真空吸盘1上表面即顶部的所述多个环形槽12上，在待测半导体碳化硅衬底9上表面均匀涂敷检测用液体，开启抽真空装置7，启动检测，此时第二真空挡板阀5关闭，第一真空挡板阀4开启，抽真空装置7产生的负压通过第一真空挡板阀4、三通管3和吸盘座2到达待测半导体碳化硅衬底9下方及下表面，使待测半导体碳化硅衬底9与真空吸盘1上表面之间产生负压。如果待测半导体碳化硅衬底9有一定尺寸的微管缺陷，检测用液体会在负压的作用下通过该缺陷到达待测半导体碳化硅衬底9下表面或环形槽12的槽壁和槽底上，根据待测半导体碳化硅衬底9下表面或环形槽12槽壁和槽底上是否有透过的检测用液体来判断待测半导体碳化硅衬底9是否有大尺寸微管，并进一步预测该待测半导体碳化硅衬底在外延后的光刻阶段，光刻胶是否会沿着待测半导体碳化硅衬底中微管道渗透到半导体碳化硅衬底背面。

检测完成后，第一真空挡板阀4关闭，同时第二真空挡板阀5开启，大气通过第二真空挡板阀5到达真空吸盘1上表面，使待测半导体碳化硅衬底9达真空吸盘1上表面之间不再有负压产生，将待测半导体碳化硅衬底9取下。

实施例2、实施例1的检测吸附装置的应用——检测大尺寸微管的方法

根据实施例1的装置及其使用方法，本实施例提供的检测半导体碳化硅衬底中大尺寸微管的方法，包括如下步骤：

S1、将待测半导体碳化硅衬底水平放置于支持物(真空吸盘1上表面)上，在待测半导体碳化硅衬底上表面布满检测用液体；

S2、使所述待测半导体碳化硅衬底的上表面和下表面之间形成气压差；

S3、检测所述待测半导体碳化硅衬底的下表面和/或所述支持物上是否存在所述检测用液体和/或其存在位置；

若存在，则判断所述待测半导体碳化硅衬底存在大尺寸微管，

若不存在，则判断所述待测半导体碳化硅衬底不存在大尺寸微管，

根据所述存在位置判断所述待测半导体碳化硅衬底中大尺寸微管存在位置和/或数量和/或密度。

取待测半导体碳化硅衬底：碳化硅单晶晶片，厚度为500μm，尺寸为4英寸，形状为圆形，经显微镜检测，存在微管11个，其中尺寸为直径20μm以上的微管3个，尺寸为直径小于20μm的微管8个；按照上述步骤S1—S3的方法进行检测，其中，检测用液体、所述待测半导体碳化硅衬底的下表面负压压强和抽真空时间设不同的处理，结果如表1—3所示。

表1、检测用液体为去离子水(粘度为1mPa·s)时的检测结果(微管漏液个数)

表2、检测用液体为乙二醇(粘度为25.66mPa·s)时的检测结果(微管漏液个数)

表3、检测用液体为丙三醇(粘度为56mPa·s)时的检测结果(微管漏液个数)

注：表1—3中的“×”表示晶片受损不能进行检测。

表1—3结果表明，所述检测用液体、气压差和气压差保持时间三者的取值与检测用液体的粘度、气压差大小和气压差保持时间长短有关：检测用液体的粘度越小、气压差越大、气压差保持时间越长，检测用液体越容易从微管道中彻底流出；反之，检测用液体的粘度越大、气压差越小、气压差保持时间越短，检测用液体越不容易从微管道中彻底流出；另外，检测用液体的粘度需要适宜，从而从微管道中彻底流出便于检测，气压差和气压差保持时间要适宜，以防止半导体碳化硅衬底由于受力过大而破损。

在所述负压的压强为4×10^-1～4×10³Pa、所述气压差的保持时间为0.1～6秒时，检测结果与待测半导体碳化硅衬底的实际大尺寸微管数量及情况相符，且与经外延后的光刻阶段中实际漏胶情况相符。

对比例1

按照实施例2的方法进行，不同之处在于，检测用液体为食用油(粘度为65mPa·s)，检测结果如表4所示。

表4、检测用液体为食用油时的检测结果(微管漏液个数)

注：表4中的“×”表示晶片受损不能进行检测。

表4结果表明，粘度过大，检测用液体在待测晶片可承受的气压差和气压差保持时间内无法通过微管，无法用于检测。

本说明书中未作详细描述的内容属于本领域专业技术人员公知的现有技术。以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (15)

1.一种检测半导体碳化硅衬底中大尺寸微管的方法，包括如下步骤：

S1、将待测半导体碳化硅衬底水平放置于支持物上，在待测半导体碳化硅衬底上表面布满检测用液体；

S2、使所述待测半导体碳化硅衬底的上表面和下表面之间形成气压差；

S3、检测所述待测半导体碳化硅衬底的下表面或所述支持物上是否存在所述检测用液体和其存在位置；

若存在，则判断所述待测半导体碳化硅衬底存在大尺寸微管，和根据所述存在位置判断大尺寸微管位置，

若不存在，则判断所述待测半导体碳化硅衬底不存在大尺寸微管；

所述检测用液体具有如下性质：常温常压下，粘度为1~60mPa•s、饱和蒸汽压为400~5000 Pa和能溶于水；

所述半导体碳化硅衬底的厚度为100～1000μm；

所述大尺寸微管的直径为10μm以上。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述检测用液体为水、乙二醇或丙三醇。

3.如权利要求2所述的方法，其特征在于：所述水为去离子水。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述待测半导体碳化硅衬底的上表面为正常大气压，所述待测半导体碳化硅衬底的下表面为负压。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于：所述负压的压强为4×10^-1～4×10³ Pa；

所述气压差的保持时间为0.1～6秒。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述负压的压强为4×10^-1～4×10² Pa；

所述气压差的保持时间为1～3秒；

所述半导体碳化硅衬底的厚度为300～600μm；

所述大尺寸微管的直径为20μm以上。

7.一种权利要求1-6任一项所述的方法中使用的检测吸附装置，其特征在于：其包括：样品吸附单元、抽真空装置、和连通所述样品吸附单元与所述抽真空装置的真空管道；

所述样品吸附单元包括真空吸盘，所述真空吸盘的顶部设半导体碳化硅衬底吸附区域，所述半导体碳化硅衬底吸附区域设多个开口朝上的环形槽，将上表面均匀涂覆检测用液体的待测半导体碳化硅衬底放置于所述环形槽上，所述真空吸盘还设有至少一个连通所述半导体碳化硅衬底吸附区域和所述真空管道的通孔；

所述通孔的下方设三通管，所述三通管包括上管口、左管口和右管口，所述上管口与所述通孔下部连通，所述左管口通过第一真空挡板阀与所述真空管道连通，所述右管口通过第二真空挡板阀与大气连通，根据待测半导体碳化硅衬底下表面或环形槽的槽壁和槽底上是否有检测用液体来判断是否存在大尺寸微管；

所述第一真空挡板阀与所述真空管道连通的管路上设气水分离过滤器。

8.如权利要求7所述的检测吸附装置，其特征在于：所述多个开口朝上的环形槽同心，所述通孔设于所述多个开口朝上的环形槽的中心处，所述多个开口朝上的环形槽之间通过至少一个径向延伸至所述通孔的沟槽贯通。

9.如权利要求7所述的检测吸附装置，其特征在于：所述多个开口朝上的环形槽的槽壁高度相同；

所述多个开口朝上的环形槽的最大直径等于待测半导体碳化硅衬底直径，或比待测半导体碳化硅衬底直径小2mm范围内；

所述多个开口朝上的环形槽的材质为不易变形金属。

10.如权利要求9所述的检测吸附装置，其特征在于：每个所述环形槽的槽壁的纵切面呈顶部平、侧边垂直的形状，或呈顶部尖状、侧边斜向外的形状；

所述不易变形金属为不锈钢、铝合金或钛合金。

11.如权利要求10所述的检测吸附装置，其特征在于：所述不易变形金属为铝合金。

12.如权利要求7所述的检测吸附装置，其特征在于：所述通孔下部设吸盘座，所述吸盘座套设于所述通孔外，所述吸盘座上部外周设开口向上的凹槽，所述凹槽内设弹性O圈，所述真空吸盘下表面通过所述弹性O圈与所述吸盘座上部连接，所述吸盘座下部与所述三通管的上管口连通。

13.如权利要求12所述的检测吸附装置，其特征在于：所述吸盘座下部与所述三通管的上管口之间、所述第一真空挡板阀与所述三通管的左管口之间、所述第二真空挡板阀与所述三通管的右管口之间、所述第一真空挡板阀与所述气水分离过滤器之间和所述气水分离过滤器与所述抽真空装置之间通过真空卡箍连接。

14.如权利要求13所述的检测吸附装置，其特征在于：每个所述真空卡箍中的连接的位置处外套设管路密封O圈。

15.如权利要求7所述的检测吸附装置，其特征在于：所述真空吸盘顶部的半导体碳化硅衬底吸附区域用于对所述待测半导体碳化硅衬底起支持作用。

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