Bạn không cần phải là một người theo dõi tận tình của ngành vận tải để biết rằng ngành này đang ở giai đoạn đầu của một quá trình chuyển đổi đáng kể, thoát khỏi động cơ đốt trong ầm ầm sang những ngày yên tĩnh của xe điện. Các dấu hiệu của quá trình chuyển đổi này hiện diện ngay trên đường phố dưới dạng xe buýt, xe đạp và ô tô chạy bằng điện. Con đường dẫn tới tương lai điện năng của chúng ta đang ở phía trước, nhưng chúng ta sẽ không thể đạt được điều đó nếu không có chất bán dẫn phức hợp như SiC.

Các nhà sản xuất trong lĩnh vực ô tô và năng lượng sạch muốn các thiết bị điện hiệu quả hơn có thể đáp ứng điện áp cao hơn, có tốc độ chuyển mạch nhanh hơn và mang lại tổn thất thấp hơn so với các thiết bị điện dựa trên silicon truyền thống, những điều mà các thiết bị điện SiC có cấu trúc rãnh có thể mang lại.

Nhưng trong khi các kiến ​​trúc dựa trên chiến hào giúp giảm lực cản và tăng tính di động của sóng mang, chúng lại làm tăng độ phức tạp. Đối với các nhà sản xuất thiết bị điện SiC, khả năng đo chính xác sự phát triển của lớp epi và độ sâu của các lớp cấy ghép trong các rãnh này là mối quan tâm đáng kể, đặc biệt là khi phải đối mặt với độ phức tạp chế tạo ngày càng tăng.

Trong tạp chí blog trước trong loạt bài này, chúng tôi đã khám phá cách sử dụng máy đo dựa trên FTIR hệ thống cho phép mô hình hóa trực tiếp nồng độ chất mang và độ dày màng, do đó cho phép các nhà sản xuất thiết bị điện SiC đo lường tốt hơn sự phát triển của lớp epi, các lớp cấy ghép và thành phần. Trong phần này, chúng ta khám phá cách các nhà sản xuất thiết bị điện SiC có cấu trúc dựa trên rãnh đo độ sâu rãnh cũng như kích thước tới hạn đáy và đỉnh (CD) bằng cách sử dụng một hệ thống đo lường kích thước tới hạn quang học (OCD) được thiết kế cho các thiết bị đặc biệt.

Thử thách tàng hình

Thách thức cốt lõi khi đo các thiết bị điện SiC có cấu trúc dựa trên rãnh là: các cấu trúc lõm vào và lõm theo chiều dọc là vô hình đối với các phép đo từ trên xuống. Điều này áp dụng cho các phương pháp tiếp cận như kính hiển vi điện tử quét kích thước tới hạn (CD-SEM) và kính hiển vi dựa trên hình ảnh. Do đó, các nhà sản xuất đã chuyển sang OCD để đo lường chiều. OCD cung cấp các phép đo không phá hủy chỉ mất chưa đầy một giây, có độ chính xác cao với độ lặp lại ở mức angstrom và đây là kỹ thuật đo lường giàu dữ liệu có khả năng đo đồng thời 10 giây tham số trong các cấu trúc 3D phức tạp.

Với các hệ thống OCD được thiết kế cho thị trường thiết bị điện, các nhà sản xuất thường sử dụng phép đo quang phổ elip (SE), tiêu chuẩn vàng để đo màng mỏng và phép đo phản xạ quang phổ phân cực (SR). SE được sử dụng để thu thập độ phản xạ gương trong phạm vi tia cực tím sâu (DUV) đến cận hồng ngoại (NIR) từ các cấu trúc định kỳ 2D và 3D ở tần số xiên, trong khi với SR, điều này cũng tương tự ngoại trừ ở tần suất bình thường. Điều này có một nhược điểm: là một phương pháp gián tiếp, OCD yêu cầu một mô hình để diễn giải dữ liệu quang phổ phức tạp. Kết quả là phép đo OCD có thể không chính xác và mất nhiều thời gian thiết lập. Tuy nhiên, tin tốt là ở đây: thuật toán học máy hướng dẫn mô hình (MGML) có thể cải thiện độ chính xác và thời gian giải quyết.

Trong nghiên cứu của mình, chúng tôi đã sử dụng SE và SR để đo các cấu trúc dựa trên rãnh này trong các thiết bị nguồn SiC, sau đó phân tích dữ liệu bằng bộ giải EM dựa trên RCWA. Thông tin này sau đó được sử dụng để chạy kiểm soát quy trình nâng cao.

Mặc dù OCD có thể được sử dụng ở một số bước quy trình trong quy trình MOSFET rãnh SiC, nhưng các phép đo ăn mòn sau rãnh được đặc biệt quan tâm. Khắc rãnh là yếu tố then chốt vì chiều rộng đáy, độ bo tròn của đáy, góc thành bên, độ sâu và độ nhám của thành bên góp phần tạo nên các thuộc tính hiệu suất chính, bao gồm điện áp đánh thủng, điện trở trên, tính di động của kênh và sự phân hủy oxit cổng phụ thuộc vào thời gian. Việc khắc SiC là một thách thức vì đây là một chất cực kỳ cứng, ổn định về mặt hóa học và có độ chọn lọc thấp đối với SiO₂ mặt nạ cứng.

Hình 1: Sự biến thiên quang phổ của phép đo elip quang phổ và các kênh OCD của phép đo phản xạ tới thông thường.

Đối với ứng dụng đầu tiên trong nghiên cứu của chúng tôi, chúng tôi đã xử lý một thiết kế thí nghiệm (DOE) ở bước khắc rãnh trên bốn tấm bán dẫn. Thời gian khắc được thay đổi để làm nghiêng độ sâu rãnh. Hình 1 cho thấy sự biến đổi quang phổ của các kênh OCD SE và phép đo phản xạ tần số bình thường, được nhóm theo tấm bán dẫn, với DOE rõ ràng. Hình 2 cho thấy mô hình vật lý và mô hình phù hợp với cấu trúc thử nghiệm của cùng một vị trí trên bốn tấm bán dẫn; nó cũng hiển thị độ sâu rãnh trung bình so với độ sâu dự kiến ​​dựa trên các điều kiện DOE với mối tương quan tuyệt vời.

Hình 2: Mô hình vật lý và mô hình phù hợp với cấu trúc thử nghiệm trên bốn tấm wafer DOE.

Đối với ứng dụng thứ hai, chúng tôi đã mở rộng cấu trúc rãnh trong ví dụ trước. Mặc dù DOE trước đó tập trung vào độ sâu rãnh, nhưng nhu cầu xem xét các thông số quan trọng khác trong mô hình, bao gồm chiều rộng đáy rãnh, có liên quan và do đó cần phải đo lường. Sau đó, chúng tôi so sánh các mô phỏng sử dụng các kênh OCD riêng lẻ, SE và SR và cả hai kênh với nhau (hình 3). Bằng cách kết hợp cả hai kênh, chúng tôi có thể đo độ sâu rãnh; bản thân kênh SE đã được sử dụng để đo CD dưới cùng và CD trên cùng. Do đó, chúng tôi đã xác định rằng có thể đo tất cả các thông số chính ảnh hưởng đến năng suất và hiệu suất của thiết bị – bao gồm độ sâu rãnh và CD đáy và đỉnh ở bước khắc rãnh bằng cách sử dụng phép đo OCD.

Hình 3: So sánh các mô phỏng sử dụng phép đo elip quang phổ (SE), tần suất bình thường (NI) và SE và NI kết hợp. 

Kết luận

Nếu không có các thiết bị điện bán dẫn phức hợp, con đường phía trước có thể dẫn đến ngõ cụt. Tuy nhiên, việc sản xuất thiết bị điện SiC đặt ra một số thách thức quan trọng trong việc kiểm soát quy trình, một trong số đó là việc đo chính xác các cấu trúc rãnh. Giống như các hệ thống dựa trên FTIR đã thảo luận trong blog trước của chúng tôi, “Sử dụng FTIR để cải thiện hiệu suất thiết bị nguồn SiC,” Đo lường OCD cung cấp cho các nhà sản xuất thiết bị nguồn SiC một số tùy chọn để giải quyết những trở ngại này một cách chắc chắn và rõ ràng.

Trong blog tiếp theo của chúng tôi, blog cuối cùng của loạt bài này, chúng tôi sẽ xem xét cách sử dụng siêu âm picosecond trong sản xuất thiết bị điện SiC dựa trên rãnh. Chúng tôi hy vọng bạn tham gia với chúng tôi.