汽车的电动化推动了对碳化硅（SiC）功率器件的需求爆发式增长，但也给寻找和识别这些芯片中的缺陷带来了挑战。

与此同时，人们越来越意识到SiC技术是多么的不成熟，还有多少工作需要做，以及这必须以多快的速度实现。汽车制造商正在大力进军电动汽车，从400V电池系统向800V电池系统的过渡正在加速电动汽车功率模块中从IGBT器件向SiC器件的过渡。其结果将是SiC需求的指数级增长，所有这些都需要完美地工作。

为了满足对SiC日益增长的需求，该行业需要提高产量。这意味着要解决长期以来减缓SiC生产的制造挑战。这些挑战包括高昂的设备成本，以及缺陷和可靠性问题。为了解决成本问题，SiC衬底制造商正在从150毫米晶圆转移到200毫米晶圆。然而，这种预期的指数级增长给SiC器件的筛选带来了挑战，这将需要制造商、检验和测试供应商的创新。

检验和计量方法

硅和SiC功率IC之间的一个关键区别与衬底的生长有关。作为一种均匀的晶体结构，硅几乎没有亚表面缺陷。相比之下，碳化硅是通过化学气相沉积生长的，这会导致广泛的亚表面缺陷，如堆叠缺陷和微管。在随后的外延生长过程中，晶体断层可以传播。此外，由于SiC是一种脆性材料，它更容易受到划痕和凹坑等表面缺陷的影响，这些缺陷会影响整个芯片。

此外，SiC芯片在处理过程中容易断裂，锯切到模具中会引入更多的裂纹机会，这些裂纹可能会传播。因此，在整个晶圆和组装过程中进行检查是至关重要的。

由于其高通量，工程师在SiC制造过程中主要依赖光学检测系统。许多公司为SiC提供专业的光学检测工具，包括审查和分类功能。

计量就不那么简单了。计量反馈涉及工艺工程师需要测量的各种参数，包括衬底平面度和厚度、晶格取向、电阻和表面粗糙度。反过来，这些需要一套多样化的系统。

Bruker白光干涉仪产品经理Sandra Bergmann表示：“白光干涉仪（WLI）轮廓仪在基板制造商现场用于质量保证/质量控制，以测量Si、GaN和SiC的晶片粗糙度（亚nm）。” “SiC衬底的生产更具挑战性。由于其硬度，抛光很困难。因此，WLI对于优化/跟踪抛光过程至关重要。”

SiC器件可以是基于平面或沟槽的技术。WLI对于沟槽深度测量特别有用。

Bergmann说：“对于高压IC工艺过程中的高纵横比沟槽深度测量，WLI可以从2µm的开口分辨到40µm的深度。”。“它是无损的，可以对视野内的所有沟槽进行平行检查。我们通常使用5倍物镜和0.5平方毫米的询问场。我们还提供整个视野内沟槽深度的完全变化。”

晶片检查需要同时考虑表面缺陷和亚表面缺陷，后者对SiC特别重要。

Onto Innovation负责检测的产品营销经理Burhan Ali表示：“光学检测技术用于缺陷检测，而X射线和光致发光用于计量。” “光学检测面临的挑战是，它能有效地以高通量发现表面缺陷，但当涉及到亚表面晶体缺陷时，它很快就会失去动力。在这种情况下，光致发光技术在检测SiC衬底和外延层上的亚表面晶体缺陷方面已经证明是卓有成效的。”

在整个装配过程中进行检查。由于高通量和低设备投资，光学是首选方法。但光学仅限于表面缺陷。对于检测中等至高密度的亚表面缺陷，X射线是优选的解决方案，因为它可以在2D中高速运行。同时，声学检测可以很容易地检测出分层，但需要将零件浸入水中。

Amkor Technology负责全球测试服务的副总裁George Harris表示：“手动、光学和X射线检查都是无损检测方法。” “基本的X射线检查有助于审查包装的完整性。很大一部分系统缺陷模式很容易用X射线识别，因此深受客户欢迎。根据客户的要求，可以在专门的故障分析实验室进行包装的破坏性机械横截面和扫描电子显微镜检查。”

检查不限于电气问题。它还可用于识别可能影响热管理的缺陷。

Nordson Test&Inspection的产品线总监Brad Perkins表示：“在包装领域，大多数电气缺陷都与电线穿过/接触成型过程并导致短路有关。”。“还需要考虑热保护，这就是工程师检查模具连接的原因，因为这是热管理的一部分。过大的空隙、过高的空隙总百分比或足够大的分层将导致模具中的热点，从而导致过早故障。因为许多功率设备用于高可靠性应用（汽车、火车、风车等）故障的成本可能非常高，因此检查可能导致过早现场故障的缺陷对制造商来说非常有成本效益。”

试验方法

SiC的批量生产相对较新，在汽车中的应用也相对较新。因此，正在制定严格的测试流程，以确保质量和可靠性。测试在多种温度、电压和频率下进行。这是至关重要的，因为缺陷在较低的频率和电压下可能表现为良性，但随后在较高的频率和/或电压下表现出来。

由于其模拟性质，功率IC需要进行功能和性能测试。对于功率IC，测试分为静态和动态测试，即直流和交流。静态测试在室温下进行，而动态测试在高温下进行。

Advantest意大利公司董事总经理Fabio Marino表示：“静态测试不再是一个挑战，因为被测设备（DUT）是在稳态下测试的。” “这意味着低功率。即使是超高压，也是低电流，如果是超高电流，也是低电压。工程界面临的真正挑战是动态测试。动态测试是非常高的功率，因为它测试DUT从ON到OFF状态的转换，反之亦然。这意味着在非常高的电压下有非常高的电流在很短的时间内，它处于极高的功率。”

在宽带隙器件中观察到的与栅极阈值漂移相关的可靠性问题也推动了严格的测试。

NI的Heidemann指出：“关于测试、鉴定和EoL，我们需要进行更彻底的测试，并深入研究器件特性。例如，门漂移，一种宽带隙器件特有的现象，在不同的市场参与者之间差异很大。有些在汽车的使用寿命内表现出显著的漂移，而另一些则表现出最小的漂移。”。“有趣的是，即使在同一供应商内部，不同设备的行为也可能不同。因此，更需要全面的测试，包括EoL和资格鉴定，这与硅世界相比要求更高。”

如今，芯片测试单元无法进行动态测试，因为芯片卡盘具有非常高的杂散电感。工程师们只使用晶圆类的静态测试。即使在那时，由于施加了高电压，也有可能产生火花，损坏好的设备。

Teradyne电源分立产品经理Tom Tran表示：“由于这是一个物理挑战，多年来一直以同样的方式处理——通过管理空气间隙，当然还有管理空气。”。“随着电压开始攀升至400V及以上，我们通常会看到从仅仅使用物理间距到通过紧贴晶圆的压力室添加压缩干空气（CDA）的转变。”

目前晶圆测试的局限性促使裸片测试的发展。

Advantest的Marino说：“电源模块是我们可以测试静态和动态的最坚固的封装部件。” “但缺点是这些软件包含多个开关——6到48个。如果一个开关坏了，那么你就把整个包装都扔掉了，这是非常昂贵的。这就是为什么客户转向基板的中间测试，例如在最终组装之前。所以它稍微便宜一点，但你仍然有6到48台设备。突破性的创新是测试裸模。这会筛选每个开关（静态和动态测试）。只有组装好的模具，客户才能从组装成本方面获益。”

裸片测试存在损坏探针卡和/或ATE的风险，如果发生故障的裸片吸收高电流。但工程师们已经找到了解决这个问题的方法。

马里诺说：“在向裸片过渡的过程中，CREA（现在是Advantest的一部分）专门开发了一项专利技术——探针卡接口（PCI）。”。“这是一种检测异常电流消耗的硬件和软件算法。测试裸模的探针卡每个裸模有3000个针，因为每个针只能驱动1安培。在测试仪和探针卡之间是PCI，一个硬件盒。PCI监测探针卡中每个针或针组中的电流。如果电流分布或电流异常ent消耗（由于故障部件），PCI立即关闭电源。零件出现故障，但卡盘、探针卡和测试仪受到保护。”

一旦模具被组装到封装中，测试就可以筛选与封装相关的缺陷以及在动态测试中表现出来的缺陷。

Teradyne的Tran表示：“除了局部放电测试外，封装特定的缺陷机制通常还通过从晶圆到封装级别测试的行为变化来测试。” “虽然局部放电更多地关注封装和材料方面，但电气测试可以揭示封装过程中的物理故障，如引线键合损坏导致的连续性错误，或单体化过程造成的损坏。在检查从晶片分类到最终封装测试的平均偏移和分布时，也可以进行筛选。”

可靠性相关缺陷的检测非常重要，现有标准指导零件鉴定和生产制造的测试。

NI的Heidemann说：“我们采用了各种测试方法来达到最终和资格认证的目的。”。“在鉴定方面，JEDEC和ECPE的AQG324等行业标准定义了专门针对碳化硅的动态测试场景，以引入具有不同失效模型的新材料。因此，鉴定需要大量的动态测试，包括动态H3TRB、DGS和DRB测试等，与IGBT相比，这些测试相对较新同样，在生产线结束的环境中，可以观察到各种各样的动态测试场景，不同的客户会有所不同。然而，可以说，线端测试广泛涉及在高温和高压环境下进行的动态测试。目标是确保这些设备经过动态测试，以防止在整个生产系列中出现故障影响。”

国产自研第三代半导体晶圆缺陷检测设备实现交付

1月，中电科风华信息装备股份有限公司推出首款具备完全自主知识产权的第三代半导体晶圆缺陷检测设备—Mars 4410。目前，该设备已陆续发往国内多家客户进行使用。

Mars 4410 是碳化硅器件产线中的关键装备，用于对碳化硅衬底片、外延片、腐蚀片的缺陷检测。设计团队经过两年不懈努力，攻克了激光散射、显微成像等光学检测核心关键技术。

设备采用差分干涉相衬、光致发光、暗场等多种检测手段，晶圆检测可与数据分析并行处理，晶圆缺陷可与器件失效相关联，具有低噪声和高分辨率成像、高检测通量、高检出率和准确性等优势，能满足提升 SiC 器件良率的需求。

在国家及省、市产业政策支持引导下，中电科风华加快技术攻关，推出碳化硅缺陷检测设备，填补国内空白，打破国际垄断，实现进口替代，积极响应我国第三代半导体产业发展的迫切需求，解决了“卡脖子"技术难题。

国产设备可实现光学位错微管检测

6月21日，国内半导体前道制程量测设备公司优睿谱宣布，公司的碳化硅自动光学位错微管检测设备SICD系列交付客户。

作为重要的宽禁带半导体材料，碳化硅具有高临界击穿场强、高热导率、高电子饱和漂移速率等优点，用其制造的高温大功率器件，具有优越的机械特性和物理、化学稳定性等特点。

在碳化硅衬底上生长同质外延时，衬底中的位错缺陷会向外延层延伸和转化，导致外延层中出现大量扩展型缺陷。对不同类型的位错和微管缺陷密度和分布进行检测，是碳化硅衬底制造中非常重要的步骤和环节。

目前，碳化硅衬底片位错缺陷检测通常在腐蚀后进行位错检测，目前市场上的位错微管检测设备检测速度极慢，检测整片晶圆往往需要数小时，在实际生产中，往往是选择性地测量晶圆部分区域的位错缺陷密度，而非对整个晶圆进行检测，无法实现晶圆的整体位错分布的检测，也无法与碳化硅衬底片自动化生产系统相匹配。

优睿谱的SICD系列设备具有四大显著优势：一是实现了对整片衬底的全面积扫描和检测。二是检测成像具备高分辨率，大幅提升检测准确度。三是在实现整片检测和高分辨率下，检测效率提升了数十倍，10分钟即可完成整片检测，并自动输出检测报告。四是SICD系列设备将腐蚀片位错缺陷检测和衬底片高分辨率微管缺陷检测集成在同一款设备上，这使得客户可以更有效地在生产线上使用设备。

“优睿谱的SICD系列设备使用高分辨率实时对焦高速扫描成像技术，并采用深度学习算法(AI)，有效提高缺陷检测的准确度和速度，有助于改善碳化硅制造工艺和生产质量控制。” 优睿谱总经理唐德明博士表示。

SICD系列设备分为手动上下片的半自动检测设备SICD200s、自动上下片的全自动检测设备SICD200，后者可对接碳化硅衬底片厂的MES系统，实现工厂自动化生产。

国产12寸Online外延膜厚量测设备即将交付

近日，盖泽半导体宣布，由公司自主开发的，12寸量测设备GS-A12X即将交付。该设备为国内首台12寸Online外延膜厚量测设备，可精确测量多种晶圆材料外延膜厚，并可确保测量的精准性、安全性。

晶圆制备包含了衬底制备和外延工艺两大环节，外延是指在单晶衬底上生长一层新单晶的过程。外延工艺可能受到各种条件因素影响出现厚度不均的情况，如衬底温度、反应腔气压、反应生长物及晶圆片表面清洗过程等。如果外延厚度不均位于晶圆片表面制作晶体管器件的有源区域，将导致器件失效。所以晶圆在通过外延工艺制备后，使用膜厚测量设备对外延的厚度均匀性进行测量尤为重要。

GS-A12X使用了行走轴双臂洁净机械手，同时测量单元使用全新设计的Stage平台，可选择吸附或者夹持方式，更大程度上兼容客户应用场景，双臂机械手和Stage的配合，使得GS-A12X测量效率提高至少30%；气浮平台的设计应用减少了震动对于测量的影响，使得测量数据更加稳定；GS-A12X设备整体使用模块化设计，减少了开发周期，提高了装配效率，缩短了设备的维护时间，定制化设计让GS-A12X更懂客户。

该设备基于FTIR红外光谱技术，可以在线监测晶圆外延制造过程中的实时数据，并提供高精度的测试结果。其主要特点包括以下方面：

高效快速：采用快速扫描技术，能够在短时间内获得高精度的测试数据，提高生产效率；

非侵入式检测：采用红外光谱技术，不会对晶圆造成任何损伤和影响，保证测试数据真实可靠；

可靠性高：采用优质材料和先进技术，保证设备稳定性和可靠性；

数据分析：设备自带数据分析软件，可以实现数据可视化，帮助用户更好地理解晶圆的性能和特性；

定制化功能开发：针对客户应用的痛点定制开发，让系统更懂客户。

本次交付的设备增加了Online在线技术。该设备遵循SEMI标准协议，可无缝连接客户OHT/MES等系统。同时，设备实现检测自动化控制，具备智能化控制和自动化运行功能，降低人力成本，提高生产效率。

文章来源： 王树一，半导体行业观察，宽禁带联盟，芯智讯