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基于Candela8520自动光学检测系统，对n型4H-SiC晶圆进行近紫外光致发光（NUV-PL）成像，发现异常斑点源于氮掺杂浓度的微观不均匀性（百微米级），且PL信号强度与氮浓度正相关。相比传统电磁感应电阻测试，NUV-PL具有非接触、非破坏、高分辨率（微米级）和快速扫描（秒级/晶圆）优势，为晶圆级氮掺杂均匀性检测提供新方法。
Dapeng Chang|Mengyan Li|Xiufang Chen|Xianglong Yang|Muqing Zhang|Xuejian Xie|Xuanyi Zhao|Huiqing Chen|Jiaxin Zhang|Xiangang Xu
山东大学新型半导体研究所，济南，250100，中国
摘要
利用自动光学检测（AOI）系统Candela8520，我们通过近紫外光致发光（NUV-PL）通道对n型4H-SiC晶圆进行了成像，并观察到一些晶圆上存在异常的斑点图案。通过结合拉曼光谱、微光致发光（micro-PL）和涡流电阻率测试的全面表征，确认NUV-PL斑点源自晶圆内部数百微米水平尺度上的氮掺杂浓度微观波动。此外，发现近紫外波段的PL信号强度随着掺杂浓度的增加而显著增强。结果表明，NUV-PL通道可以作为表征n型4H-SiC晶圆中氮掺杂浓度细微变化的有效半定量方法。与传统涡流电阻率测试相比，NUV-PL通道具有非接触、非破坏性的优势，并且具有更高的空间分辨率和扫描速度。这为快速精确检测晶圆中的氮掺杂不均匀性提供了创新解决方案。
引言
作为第三代宽带隙半导体的代表，4H-SiC已成为制造高压、高功率和高频电子设备的理想衬底[[1], [2], [3], [4], [5], [6]]。这种适用性源于其卓越的性能，包括高击穿电场、高饱和电子漂移速度和优异的热导率[7]。衬底掺杂的不均匀性可能会间接影响器件特性，因为这通常伴随着晶格应变或表面台阶聚集。这种状态会在外延生长过程中被复制，从而影响外延过程中的氮掺杂行为。由于外延层中的掺杂浓度直接决定了导通电阻和击穿电压，因此这些间接效应值得仔细考虑[[8], [9], [10]]。因此，开发一种具有高空间分辨率、快速性和非破坏性的掺杂浓度分布表征技术对于推进SiC衬底制造工艺优化和提高器件产量和性能具有重要的科学和工程价值。
目前，表征SiC掺杂浓度和均匀性的方法可以分为三类[11]：元素分析、电学方法和光学方法。二次离子质谱（SIMS）是一种典型的元素分析技术，可以直接测量杂质的化学浓度，具有非常低的检测限。然而，其破坏性、耗时的过程、高昂的成本和小的分析区域使其不适合用于晶圆级别的在线检测[12,13]。电学方法，如霍尔效应测量和电容-电压（C-V）曲线分析，可以直接提供载流子浓度和迁移率等关键参数，但通常只能反映测试区域的宏观平均值，空间分辨率有限[12]。尽管非接触式电阻率测绘（例如涡流方法）可以提供晶圆级别的电阻率图，但其空间分辨率通常仅限于毫米级别，难以揭示微米级别的掺杂变化。此外，将电阻率转换为掺杂浓度时会引入不确定性，因为这取决于载流子迁移率模型[14]。
相比之下，光学表征技术因其非接触、非破坏性和快速成像的潜力而受到了广泛关注。其中，光致发光（PL）光谱可以分析激发材料发出的光子的能量和强度，敏感地反映关于能带结构、缺陷状态和掺杂的信息[15,16]。先前的研究已经使用PL技术对SiC中的特定缺陷进行了定性成像[17,18]。然而，建立PL信号强度（特别是在近紫外波段）与氮掺杂浓度之间的可靠定量或半定量关系，以及开发适用于晶圆级别、高分辨率、快速检测的PL成像方案仍然具有挑战性[11,19]。PL映射在SiC中定量确定载流子浓度方面的有限成功应用部分是由于其作为间接带隙材料的低PL效率以及PL信号对各种缺陷补偿效应的敏感性[20,21]。
基于此，本研究提出并验证了一种基于商用AOI系统的近紫外光致发光（NUV-PL）成像通道，作为表征n型4H-SiC晶圆中氮掺杂浓度细微变化的高分辨率、半定量方法。通过将NUV-PL成像与拉曼光谱、PL光谱和涡流电阻率测试相结合，系统分析揭示了NUV-PL信号强度与氮掺杂浓度之间的直接正相关关系。确认图像中观察到的异常斑点图案源自水平方向上数百微米尺度上的氮浓度微观不均匀性。结果表明，在间接表征整个晶圆的掺杂浓度均匀性方面，NUV-PL成像在空间分辨率上优于传统的涡流电阻率测试，为n型4H-SiC晶圆的非接触、非破坏性、快速和高分辨率在线检测提供了有前景的新技术解决方案。
章节摘录
单晶生长和样品制备
本研究中使用的4H-SiC单晶是在4°偏轴4H-SiC籽晶的C面上生长的，籽晶取向为[11——20]，采用物理气相传输（PVT）技术。生长温度控制在2000至2300°C之间，生长压力保持在40至500 Pa之间。通过在生长室内的氩气（Ar）气氛中引入高纯度氮气（N2），实现了4H-SiC的氮掺杂。
结果与讨论
Candela8520集成了五种互补的检测技术：暗场、明场、表面坡度变化、相位对比和光致发光，能够多维度获取晶圆表面缺陷信息。如图1所示，对于6英寸n型4H-SiC晶圆，Candela8520获得的NUV-PL通道图像显示了两个典型特征：图1(a)清晰地显示了非晶面区域的斑点，而图1(b)显示了相对均匀的灰度
结论
采用PVT方法生长了氮掺杂的4H-SiC单晶，氮掺杂浓度控制在7-9 × 1018 cm?3范围内。使用自动光学检测系统Candela8520对晶圆的（0001）表面进行了检测。结合PL和拉曼光谱等表征技术，首次报告了n型4H-SiC单晶衬底NUV-PL通道图像中的异常斑点源自微观
CRediT作者贡献声明
Dapeng Chang：撰写——初稿，软件，方法论，研究，数据管理。Mengyan Li：方法论，数据管理。Xiufang Chen：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，监督，资源，研究，资金获取，正式分析，数据管理。Xianglong Yang：撰写——审阅与编辑，监督。Muqing Zhang：撰写——审阅与编辑，验证，资源，方法论，正式分析。Xuejian Xie：撰写——审阅与编辑，验证，
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的财务利益或个人关系可能影响本文报告的工作。
致谢
本工作得到了国家自然科学基金（项目编号：U23A20569）、山东省重点研发计划（项目编号：2022ZLGX02）和山东省重点研发计划（项目编号：2025ZLGX02）的支持。
