CN110361143A - 利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的方法及装置 - Google Patents

利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的方法及装置 Download PDF

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Abstract

本申请公开了利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的方法及装置。所述方法通过在衬底两个侧面间形成气压差，并检测透过衬底的检测用气体的变化来判断衬底中是否存在大尺寸微管，若透过衬底的检测用气体的量持续上升，则判断衬底中存在大尺寸微管，否则无大尺寸微管，所述大尺寸微管的直径下限值为15‑20μm。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，在所述真空管道上连通特定气体检漏仪；所述样品吸附单元包括真空吸盘，所述真空吸盘的吸附区域设与所述半导体碳化硅衬底边缘匹配的密封圈。本发明能准确预测衬底中是否存在大尺寸微管缺陷，检测效率高，适用于大规模产业化缺陷检测。

Description

利用气体检测半导体碳化硅衬底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，具体说是一种利用气体检测半导体碳化硅衬底中的大尺寸微管的方法及装置。
背景技术
碳化硅(SiC)半导体材料是自第一代元素半导体材料(Si)和第二代化合物半导体材料(GaAs、GaP、InP等)之后发展起来的第三代宽带隙半导体材料，SiC半导体材料由于具有宽带隙、高临界击穿电场、高热导率、高饱和电子迁移率等特点，在高温、高频、大功率、光电子及抗辐射等方面具有巨大的应用潜力。
微管是碳化硅单晶中常见的缺陷，大多数关于微管缺陷形成机制的讨论都是基于微管与大伯格斯矢量(晶胞尺寸的几倍)超螺形位错相结合的Frank理论。碳化硅单晶生长过程中，沿超螺旋位错核心方向的高应变能会导致该处优先升华，因此这种缺陷会具有空心的特征，通常，在晶体生长过程中，微管缺陷处会同时发生生长和升华，造成微管的的空心管内部往往是多面的，其尺寸从几微米至几十微米不等，微管缺陷对后续器件的直接影响是造成成品率下降。除了对器件成品率有影响，对于一些尺寸较大的微管(通常大于20μm)，衬底外延后并不能将微管全部覆盖，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。因此，在碳化硅单晶抛光片阶段检测出衬底是否存在大尺寸微管至关重要，避免大尺寸微管对后续衬底使用造成影响。
目前，检测和筛选大尺寸微管的方法是采用显微镜下观察和测量每个微管的尺寸。该方法存在的缺点是耗时很长，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利用气体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检测筛选出半导体碳化硅衬底中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：
一方面，本发明提供一种利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的方法，包括如下步骤：
S1、使待测半导体碳化硅衬底的第一侧面的气压小于第二侧面的气压以形成气压差；所述第一侧面为所述待测半导体碳化硅衬底两个面中的任一面，则另一个面即为第二侧面；
S2、在所述第二侧面附近施加检测用气体(如氦气)，检测透过所述半导体碳化硅衬底至所述第一侧面一侧的所述检测用气体的量，
若透过所述第一侧面的所述检测用气体的量上升，则判断所述待测半导体碳化硅衬底存在大尺寸微管；
若透过所述第一侧面的所述检测用气体的量不变(与施加检测用气体前一致)，则判断所述待测半导体碳化硅衬底不存在大尺寸微管；
所述大尺寸微管为直径(或孔径)15μm以上的微管，优选为直径18μm以上的微管，更优选为直径20μm以上的微管。
即所述方法可以用于检测半导体碳化硅衬底中是否含有所述大尺寸微管，以便于准确评估衬底在后续加工工序中存在的问题。
在上述方法中，所述检测用气体为小分子气体4He、3He或H2，优选4He。
在上述方法中，所述第一侧面的气压为负压，所述第二侧面的气压为正常大气压；
优选的，所述负压的压强为10-1～103Pa，优选10-1～10Pa，更优选1Pa；
优选的，所述半导体碳化硅衬底的厚度为200～1000μm，优选300～600μm；
优选的，所述半导体碳化硅衬底的形状为圆形或方形，也可为其它形状；
优选的，所述半导体碳化硅衬底的直径或边长为2英寸以上(如2、3、4、6、8等常规尺寸)，也可为其它尺寸。
以上任一所述方法可使用以下任一所述的利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置进行。
另一方面，本发明还提供一种利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置，包括：样品吸附单元、抽真空装置、和特定气体检漏仪；
所述样品吸附单元与所述抽真空装置通过真空管道连通；所述特定气体检漏仪连通于所述真空管道上；
所述样品吸附单元包括真空吸盘，所述真空吸盘包括所述半导体碳化硅衬底的吸附区域和连通所述吸附区域和所述真空管道的通孔，
所述吸附区域上设与所述半导体碳化硅衬底边缘匹配的密封圈；
优选的，所述吸附区域水平朝上设置，所述通孔位于所述吸附区域的中部；
所述特定气体检漏仪用于检测通过所述半导体碳化硅衬底的检测用气体，当所述特定气体检漏仪为氦气检漏仪如氦质谱检漏仪时，所述检测用气体为氦气；所述抽真空装置可以加快抽真空速度，提高检测效率。
进一步的，所述真空管道设密闭真空腔体；优选的，所述密闭真空腔体设于所述样品吸附单元与所述特定气体检漏仪之间的所述真空管道；
优选的，所述密闭真空腔体的容积为1—5L，优选2L；在抽真空时，小容积能实现快速达到低的真空度，缩短抽真空时间和检测时间，大的容积有利于稳定真空度，同时有缓冲作用，防止负压突然过大造成损坏待测半导体碳化硅衬底的情况发生。
进一步的，所述真空管道设与大气连通的气阀；优选的，所述气阀设于所述密闭真空腔体处，以便于控制或调整所述真空管道内的负压大小。
进一步的，所述吸附区域上设周长小于或等于所述半导体碳化硅衬底的环形凹槽，所述密封圈设于所述环形凹槽内；
所述吸附区域的形状和尺寸可根据碳化硅衬底的形状和尺寸进行设计；
使用时，所述半导体碳化硅衬底置于所述密封圈之上；所述密封圈既可以起到密封作用，又可以起到对所述半导体碳化硅衬底的缓冲作用。
进一步的，所述真空管道呈T型排布，所述T型排布包括横向分支和垂直于所述横向分支的垂直分支，所述样品吸附单元和所述特定气体检漏仪分别位于所述横向分支的两个末端，所述抽真空装置位于所述垂直分支的末端；
进一步的，所述T型排布与水平面平行，所述T型的分支处至所述样品吸附单元的管道设为真空波纹管，所述T型的分支处至所述抽真空装置的管道依次设为真空波纹管和弯头接头，所述T型的分支处至所述特定气体检漏仪的管道设为弯头接头；
上述真空管道的排布设计优点在于，所述特定气体检漏仪与所述样品吸附单元之间的管路为直通设计，且使用弯头接头直接与所述特定气体检漏仪相连，减少了检测用气体到达所述特定气体检漏仪的分压损耗，缩短了检测时间，提高了检测结果的准确性和检测效率。
进一步的，所述真空管道的每个管口连接处设真空卡箍，每个所述真空卡箍中的所述管口连接的位置处外套设管路密封O圈。
本发明所述方法及装置具有如下有益效果：
本发明为半导体碳化硅衬底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，且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为利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置的立体图。
图2为图1所示装置中真空吸盘处的侧视图。
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6为图5所示真空吸盘在A-A处的剖视图。
其中，附图中各标记如下：
1为抽真空装置，2为特定气体检漏仪，3为真空吸盘，4为吸附区域，5为通孔，6为密封圈，7为密闭真空腔体，8为气阀，9为环形凹槽，10为半导体碳化硅衬底，11为真空卡箍，12为管路密封O圈，13为真空波纹管，14为三通接头，15为弯头接头。
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、利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置
如图1所示，本实施例提供的利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置，包括：样品吸附单元、抽真空装置1(具体为抽气泵)、和连通样品吸附单元与抽真空装置1的真空管道；特定气体检漏仪2(具体为氦质谱检漏仪，型号为ZQJ-3000，生产厂家为北京中科科仪股份有限公司，该仪器可使用氦气或氢气进行检漏)连通于所述真空管道上；该氦质谱检漏仪ZQJ-3000上会显示两个数据，一是当前装置中的压力，单位是Pa；二是当前检测气体(如氦气或氢气)的漏率，单位是Pa×m3/s。
如图2和图3所示，样品吸附单元包括真空吸盘3，真空吸盘3包括半导体碳化硅衬底10的吸附区域4和连通吸附区域4和真空管道的通孔5(如图4所示)；吸附区域4水平朝上设置，通孔5位于吸附区域4的中部；吸附区域4上设与半导体碳化硅衬底10边缘匹配的密封圈6(具体为密封O圈)；吸附区域4上设周长略小于半导体碳化硅衬底10的环形凹槽9，密封圈6设于环形凹槽9内；
如图5和图6所示，真空吸盘3的形状为漏斗状，真空吸盘3上部开口及边沿处即为待测半导体碳化硅衬底的吸附区域4，吸附区域4水平朝上设置，吸附区域4的边沿处设开口向上的环形凹槽9，吸附区域4的中部设通孔5，吸附区域4的形状和尺寸与待测半导体碳化硅衬底的形状和尺寸相匹配；
如图1和2所示，样品吸附单元与特定气体检漏仪2之间的真空管道处设密闭真空腔体7；密闭真空腔体7的容积为2L；该容积能实现快速达到低的真空度，缩短抽真空时间和检测时间，同时有缓冲作用，防止负压突然过大造成损坏；真空管道的密闭真空腔体7处设与大气连通的气阀8；所述密闭真空腔体7设于所述样品吸附单元的正下方，与所述样品吸附单元中所述真空吸盘3的通孔5下部直接相连；
如图1所示，所述真空管道呈T型排布，所述T型排布包括横向分支和垂直于所述横向分支的垂直分支，所述样品吸附单元和特定气体检漏仪2分别位于所述横向分支的两个末端，所述抽真空装置1位于所述垂直分支的末端；
所述T型排布与水平面平行，所述T型的分支处至所述样品吸附单元的管道设为真空波纹管13，所述T型的分支处至抽真空装置1的管道依次设为真空波纹管13和弯头接头15，所述T型的分支处至特定气体检漏仪2的管道设为弯头接头15，所述T型的分支处设为三通接头14。
如图1所示，真空管道的每个管口连接处设一个真空卡箍11；每个所述真空卡箍11中的所述管口连接的位置处外套设管路密封O圈12(如图4所示)。
以上利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置，其使用方法如下(以检测用气体为氦气4He，特定气体检漏仪2为氦质谱检漏仪ZQJ-3000为例)：
1)选择与待测半导体碳化硅衬底10尺寸对应的真空吸盘3，先将盲板(无微管等孔隙)水平放置于真空吸盘3的吸附区域4的密封圈6上，关闭气阀8，开启抽真空装置1，使负压压强达到103Pa以下，通常在103Pa到10-1Pa范围，同时，当负压压强达到1500Pa以下时开启检漏仪；在整个装置所有接口附近逐一喷氦气，逐个检查每个接口氦质谱检漏仪测试数据，氦质谱检漏仪数据无突然增加情况；完成以上确认步骤之后，确保装置的气密性无问题；
2)关闭抽真空装置1，打开气阀8，将盲板取下，更换为待测半导体碳化硅衬底10；
3)关闭气阀8，开启抽真空装置1，使负压压强达到103Pa以下，通常在103Pa到10- 1Pa范围；此时待测半导体碳化硅衬底10上表面即第二侧面为正常大气压，下表面即第一侧面为负压；当负压压强达到1500Pa以下时开启检漏仪；
4)在待测半导体碳化硅衬底10上表面即第二侧面附近喷氦气，观察氦质谱检漏仪测试数据，即透过第一侧面的氦气的量，判断待测半导体碳化硅衬底10上是否有大尺寸微管；
5)检测完成后，关闭抽真空装置1，开启气阀8，大气通过气阀8到达待测半导体碳化硅衬底10下表面，使待测半导体碳化硅衬底10两侧面间不再有气压差，将待测半导体碳化硅衬底10取下。
实施例2、利用气体(氦气)检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置的应用——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，本实施例提供的利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的方法，包括如下步骤：
S1、使待测半导体碳化硅衬底的第一侧面的气压小于第二侧面的气压以形成气压差；
S2、在所述第二侧面施加检测用气体，检测透过所述半导体碳化硅衬底至所述第一侧面一侧的所述检测用气体的量，
若透过所述第一侧面的所述检测用气体的量突然明显持续上升，则判断所述待测半导体碳化硅衬底存在大尺寸微管；
若透过所述第一侧面的所述检测用气体的量未发生变化，与施加检测用气体前一致，则判断所述待测半导体碳化硅衬底不存在大尺寸微管；
所述大尺寸微管为直径(或孔径)15μm以上的微管，优选为直径18μm以上的微管，更优选为直径20μm以上的微管。
以检测用气体为氦气4He、特定气体检漏仪为氦质谱检漏仪，具体检测方法如下：
取数个半导体碳化硅衬底(碳化硅单晶衬底，厚度为500μm，形状为圆形，直径为4英寸)，经显微镜检测，存在不同尺寸和数量的微管；且经后续工艺验证，微管直径在18-20μm以上时存在漏胶情况。
在不同气压差内，在半导体碳化硅衬底上表面(即第二侧面)喷氦气后，透过待测半导体碳化硅衬底至下表面(即第一侧面)的氦气的量(即漏率)是否突然增加情况如表1所示。
表1、微管数量/尺寸在不同气压下喷氦气时漏率变化情况
注：表1中的“×”表示晶片受损不能进行检测，“↑”表示漏率突然明显增加(即氦气量突然持续增加)，“—”表示漏率无变化(即氦气量与施加氦气前一致)。
表1结果表明，半导体碳化硅衬底微管孔径不变，气压差越大(即负压越小)、测试出的微管最大尺寸下限阈值越小，为了提高检测的准确性以及保证晶片无损，最佳负压应为10-1～103Pa，优选10-1～10Pa，且在该最佳负压范围内，测试出的最大微管孔径下限阈值为18-20μm，即实际最大微管孔径大于或等于18-20μm时，均可被检出，从而对衬底是否会对后续工序造成影响进行更准确的判断。
实施例3、利用气体(氦气)检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置的应用——检测大尺寸微管的方法
按照实施例2的方法进行，不同之处在于：取数个半导体碳化硅衬底(碳化硅单晶衬底，厚度为350μm，形状为圆形，直径为6英寸)经显微镜检测，存在不同尺寸和数量的微管；且经后续工艺验证，微管直径在18-20μm以上时存在漏胶情况。
结果：最佳负压为10-1～103Pa，优选10-1～10Pa，测试出的最大微管孔径下限阈值为18-20μm。
实施例4、利用气体(氢气)检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置的应用——检测大尺寸微管的方法
按照实施例2的方法进行，不同之处在于：
1、检测用气体为氢气；
2、取数个半导体碳化硅衬底(碳化硅单晶衬底，厚度为500μm，形状为圆形，直径为8英寸)经显微镜检测，存在不同尺寸和数量的微管；且经后续工艺验证，微管直径在18-20μm以上时存在漏胶情况。
结果：最佳负压为10-1～103Pa，优选10-1～10Pa，测试出的最大微管孔径下限阈值为18-20μm。
实施例5、利用气体(氦气)检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置的应用——检测大尺寸微管的方法
按照实施例2的方法进行，不同之处在于：
取数个半导体碳化硅衬底(碳化硅单晶衬底，厚度为500μm，形状为圆形，直径为4英寸)经显微镜检测，存在不同尺寸和数量的微管；且经后续工艺验证，微管直径在18-20μm以上时存在漏胶情况。
结果：最佳负压为10-1～103Pa，优选10-1～10Pa，测试出的最大微管孔径下限阈值为18-20μm。
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 (10)

1.一种利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的方法，包括如下步骤：
S1、使待测半导体碳化硅衬底的第一侧面的气压小于第二侧面的气压以形成气压差；
S2、在所述第二侧面施加检测用气体，检测透过所述半导体碳化硅衬底至所述第一侧面一侧的所述检测用气体的量，
若透过所述第一侧面的所述检测用气体的量上升，则判断所述待测半导体碳化硅衬底存在大尺寸微管；
若透过所述第一侧面的所述检测用气体的量不变，则判断所述待测半导体碳化硅衬底不存在大尺寸微管；
所述大尺寸微管为直径15μm以上的微管，优选为直径18μm以上的微管，更优选为直径20μm以上的微管。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于：所述检测用气体为小分子气体4He、3He或H2，优选4He。
3.如权利要求1或2所述的方法，其特征在于：所述第一侧面的气压为负压，所述第二侧面的气压为正常大气压；
优选的，所述负压的压强为10-1～103Pa，优选10-1～10Pa，更优选1Pa；
优选的，所述半导体碳化硅衬底的厚度为200～1000μm，优选300～600μm；
优选的，所述半导体碳化硅衬底的形状为圆形或方形；
优选的，所述半导体碳化硅衬底的直径或边长为2英寸以上。
4.如权利要求1—3中任一所述的方法，其特征在于：所述方法使用权利要求5—10中任一所述的利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置进行。
5.一种利用气体检测半导体碳化硅衬底大尺寸微管的装置，其特征在于：其包括：样品吸附单元、抽真空装置、和特定气体检漏仪；
所述样品吸附单元与所述抽真空装置通过真空管道连通；所述特定气体检漏仪连通于所述真空管道上；
所述样品吸附单元包括真空吸盘，所述真空吸盘包括所述半导体碳化硅衬底的吸附区域和连通所述吸附区域和所述真空管道的通孔，
所述吸附区域上设与所述半导体碳化硅衬底边缘匹配的密封圈；
优选的，所述吸附区域水平朝上设置，所述通孔位于所述吸附区域的中部。
6.如权利要求5所述的装置，其特征在于：所述真空管道设密闭真空腔体；优选的，所述密闭真空腔体设于所述样品吸附单元与所述特定气体检漏仪之间的所述真空管道；
优选的，所述密闭真空腔体的容积为1—5L，优选2L。
7.如权利要求6所述的装置，其特征在于：所述真空管道设与大气连通的气阀；优选的，所述气阀设于所述密闭真空腔体处。
8.如权利要求5—7中任一所述的装置，其特征在于：所述吸附区域上设周长小于或等于所述半导体碳化硅衬底直径的环形凹槽，所述密封圈设于所述环形凹槽内。
9.如权利要求5—8中任一所述的装置，其特征在于：所述真空管道呈T型排布，所述T型排布包括横向分支和垂直于所述横向分支的垂直分支，所述样品吸附单元和所述特定气体检漏仪分别位于所述横向分支的两个末端，所述抽真空装置位于所述垂直分支的末端；
优选的，所述T型排布与水平面平行，所述T型的分支处至所述样品吸附单元的管道设为真空波纹管，所述T型的分支处至所述抽真空装置的管道依次设为真空波纹管和弯头接头，所述T型的分支处至所述特定气体检漏仪的管道设为弯头接头。
10.如权利要求5—9中任一所述的装置，其特征在于：所述真空管道的每个管口连接处设真空卡箍，每个所述真空卡箍中的所述管口连接的位置处外套设管路密封O圈。
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