摘要：4H-SiC具有宽带隙（3.26 eV，是硅的3倍）、高击穿场强（2.8×106 V/cm，是硅的10倍）、高饱和电子漂移速度（2.2×107 cm/s，是硅的10倍）、高热导率（4.9 W·cm-1·K-1，是硅的3倍）和高稳定性等优良特性，已广泛应用于新能
4H-SiC具有宽带隙（3.26 eV，是硅的3倍）、高击穿场强（2.8×106 V/cm，是硅的10倍）、高饱和电子漂移速度（2.2×107 cm/s，是硅的10倍）、高热导率（4.9 W·cm-1·K-1，是硅的3倍）和高稳定性等优良特性，已广泛应用于新能源汽车、智能电网和新能源发电等高电压大功率领域。4H-SiC单晶衬底中存在多种生长过程中形成的结构缺陷和化学机械抛光（chemo-mechanical polishing, CMP）造成的微损伤陷会在外延生长过程中延续至外延层，降低4H-SiC功率器件的电学性能及可靠性。因此，亟需寻找一种无损、高效、精确地统计4H-SiC晶圆上微划痕密度的无损检测方法。
《人工晶体学报》2024年53卷第10期发表了湖北隆中实验室联合武汉理工大学、松山湖材料实验室、东莞市中科汇珠半导体有限公司的题为《KCl溶液结晶辅助表征4H-SiC衬底中的微划痕》（第一作者：张翅腾飞；通信作者：宋华平）的研究论文。本文以CMP微划痕中暴露出的高指数晶面为突破口，利用4H-SiC(0001)面具有最低表面能的特性，以KCl水溶液为标记溶液，通过干燥析晶的方法，使KCl晶体自发在微划痕中的高指数晶面上结晶，从而使CMP微划痕在偏光显微镜下可见。该方法简洁、高效且不污染衬底，有望大规模应用于4H-SiC衬底上微划痕的定量分析。
论文题录●●
张翅腾飞, 章嵩, 龚若程, 杨军伟, 宋华平. KCl溶液结晶辅助表征4H-SiC衬底中的微划痕[J]. 人工晶体学报, 2024, 53(10): 1745-1751.
ZHANG Chitengfei, ZHANG Song, GONG Ruocheng, YANG Junwei, SONG Huaping. Characterization of Micro-Scratches on 4H-SiC Substrates by KCl Solution Crystallization-Assisted Method[J]. Journal of Synthetic Crystals, 2024, 53(10): 1745-1751.
//文章导读
将4H-SiC晶圆浸泡在由浓硫酸和双氧水按体积比3∶1配制的溶液（即SPM溶液）约20 min，以清除4H-SiC晶圆表面的有机沾污和部分金属污染，使之呈现亲水状态。将亲水状态的SiC晶圆浸泡在300 mL的0.013 mol/L的KCl水溶液中30 s后取出，按图1方式放置晶圆进行自然干燥，使用偏光显微镜对干燥前后的4H-SiC晶圆进行对比。4H-SiC上微划痕在KCl溶液处理前的偏光显微镜图片（见图2(a)）验证了微划痕无法通过偏光显微镜观测；使用KCl结晶辅助法处理后（见图2(b)）可以清晰地观察到箭头所指的条纹状结构。
图1晶圆干燥放置方式
图24H-SiC上微划痕经过KCl溶液处理前、后对比光学照片
为了验证该条纹状结构是否与微划痕有关，使用原子力显微镜对图2(b)中条纹状结构进行检测，结果如图3(a)所示。从图左上角可以看出，白色凸起颗粒嵌入在深色沟槽中，说明图2(b)中的条纹状结构是4H-SiC表面的微划痕。使用分辨率更高的场发射扫描电子显微镜对微划痕进行检测以验证该结论的正确性。从图3(c)可以看出，该划痕的宽度为42 nm，附近其他更小宽度的微划痕没有被颗粒填充，推测主要原因是划痕宽度低于KCl结晶颗粒最小极限。图3(d)为划痕上颗粒的EDS能谱测试数据，结果表明测试点仅有C、Si、Cl和K元素，其中C和Si来源于衬底背景信号。EDS能谱中Cl和K元素的丰度比例近乎为1∶1，证明了4H-SiC微划痕中嵌入的颗粒为KCl颗粒。
图34H-SiC上微划痕经过KCl溶液处理后的微观结构及成分表征
图4为不同浓度KCl溶液处理后4H-SiC的光学照片。当浓度为0.013 mol/L时，4H-SiC衬底上的微划痕可以被间接地表征出来；当浓度为0.065 mol/L时，KCl在微划痕及其周边区域结晶，干扰对微划痕的表征；当浓度为0.130~0.650 mol/L时，KCl的结晶不受衬底表面微划痕的限制，大量结晶出现在非划痕处，使本方法丧失有效性。
图4不同浓度KCl溶液处理后4H-SiC的光学照片
图5(a)、(b)为样品使用半导体行业标准的RCA方法清洗后的偏光显微镜照片，可以看出晶圆表面无残留的KCl结晶颗粒，具有较高的洁净度。表面EDS能谱测试结果（见图5(c)）发现，金属K元素的含量已经低于EDS能谱测试极限，这说明样品表面的KCl晶体被完全清洗干净。表面颗粒污染清洗结果和表面金属污染清洗结果均达到工业级标准，表明优化后的清洗工艺对SiC晶圆的清洗效果良好，验证了KCl溶液结晶辅助法的应用价值。
图5RCA清洗后的4H-SiC光学照片及成分分析
根据经典的结晶动力学理论，在蒸发浓缩过程中溶液中KCl会优先结晶在高表面能区域。微划痕会使4H-SiC的高指数晶面暴露在KCl溶液中，改变4H-SiC局部的表面能，促使KCl优先结晶于微划痕区域。如图6(a)、(b)所示，以4H-SiC(000-1)面上沿着[11-20]方向形成的划痕为例，假设微划痕所造成的台阶上、下表面均为(0001)面，仅有侧面形成高指数晶面(1-10z)，其中z为正整数。表面能σsurface可以由公式(1)计算得到:
σsurface=(Eslab-nEbulk)/2A
式中:Eslab为碳化硅slab模型的总能量；Ebulk为碳化硅块体的总能量；A为slab模型的面积。
图64H-SiC(0001)面上微划痕的示意图。(a)沿着[11-20]方向的微划痕示意图；(b)沿着[11-20]方向的微划痕的原子模型；(c)4H-SiC晶格示意图；(d)4H-SiC的部分高指数晶面的表面能
该公式适用于求解(0001)和(1000)等晶面的表面能，而高指数晶面则需要利用楔形模型求解，其计算公式为
σ(1000)+σ(0001)+σ(1-10z)=Etotal-nSiμSi-nCμC-nHμH
式中的σ(0001)和σ(1000)需要通过公式(1)计算，Etotal是楔形模型的总能量，nSi、nC、nH和μSi、μC、μH分别代表楔形模型中Si、C、H原子的数量与原子势能。从各个晶面的表面能（见图6(d)）可以看出，与4H-SiC的其他晶面相比，(0001)面为密排面，具有最小的表面能，KCl原子簇不易在该晶面上成核。而由CMP工艺造成的微划痕会使高指数晶面暴露，过饱和的KCl溶液会优先在这些高表面能的表面成核，控制KCl溶液的浓度和蒸发速率，使微划痕处的KCl成核发育形成尺寸较大的晶体，即可在显微镜下被直接观测。综合以上实验与机理研究结果，可以将KCl结晶辅助法的微观过程归纳为以下几个过程（见图7）：1）泡于KCl水溶液中的4H-SiC被取出后，会在表面形成一层KCl液膜；2）KCl液膜在自然干燥的过程中会逐渐转变为KCl过饱和溶液；3）KCl过饱和溶液析出KCl纳米晶，纳米晶会优先在4H-SiC的高指数晶面上成核，成核于4H-SiC(0001)面的KCl纳米晶亦会迁移至附近的高指数晶面；4）随着KCl液膜的继续蒸发，位于高指数晶面的KCl晶体逐渐发育长大至几十至数百纳米，直至KCl液膜完全蒸干。
图7KCl溶液结晶辅助表征4H-SiC衬底中微划痕的机理
结论
CMP抛光造成的微划痕会使4H-SiC晶圆上的高指数晶面暴露，高指数晶面拥有较高的表面能。本研究使用KCl结晶辅助的方法，使KCl晶体成核于高表面能的高指数晶面上，成核后的KCl晶体沿着微划痕的表面紧密排列，使微划痕可以间接地被偏光显微镜观测。研究发现，受制于KCl的临界成核尺寸，KCl晶体仅能在线宽大于42 nm的微划痕上成核，其应用方法具有一定的局限性。由于KCl不与4H-SiC发生反应，表征后的SiC晶圆经过标准RCA清洗工艺后，表面的KCl晶体可以被完全去除，不影响碳化硅晶圆的后续使用。本研究解决了4H-SiC晶圆表面微划痕难以快速定量表征的问题，提供了一种低成本、高效率且无损伤的微划痕表征方法，有望在实际工业生产中获得广泛推广。
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