การวิเคราะห์โครงสร้างความคลาดเคลื่อนในคริสตัล SiC โดยการจำลองการติดตามรังสีที่ได้รับความช่วยเหลือจากการถ่ายภาพโทโพโลยีด้วยเอ็กซ์เรย์

ภูมิหลังการวิจัย

ความสำคัญในการใช้งานของซิลิคอนคาร์ไบด์ (SiC): เนื่องจากเป็นวัสดุเซมิคอนดักเตอร์ที่มีแถบความถี่กว้าง ซิลิคอนคาร์ไบด์จึงได้รับความสนใจอย่างมากเนื่องจากคุณสมบัติทางไฟฟ้าที่ดีเยี่ยม (เช่น แถบความถี่ที่ใหญ่กว่า ความเร็วความอิ่มตัวของอิเล็กตรอนที่สูงขึ้น และการนำความร้อน) คุณสมบัติเหล่านี้ทำให้มีการใช้กันอย่างแพร่หลายในการผลิตอุปกรณ์ความถี่สูง อุณหภูมิสูง และกำลังสูง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในด้านอิเล็กทรอนิกส์กำลัง

อิทธิพลของข้อบกพร่องของคริสตัล: แม้ว่า SiC จะมีข้อดีเหล่านี้ แต่ข้อบกพร่องในคริสตัลยังคงเป็นปัญหาสำคัญที่เป็นอุปสรรคต่อการพัฒนาอุปกรณ์ประสิทธิภาพสูง ข้อบกพร่องเหล่านี้อาจทำให้ประสิทธิภาพของอุปกรณ์ลดลงและส่งผลต่อความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์
เทคโนโลยีการถ่ายภาพโทโพโลยีด้วยรังสีเอกซ์: เพื่อเพิ่มประสิทธิภาพการเติบโตของคริสตัลและทำความเข้าใจผลกระทบของข้อบกพร่องที่มีต่อประสิทธิภาพของอุปกรณ์ จำเป็นต้องระบุลักษณะและวิเคราะห์การกำหนดค่าข้อบกพร่องในคริสตัล SiC การถ่ายภาพทอพอโลยีด้วยรังสีเอกซ์ (โดยเฉพาะการใช้ลำแสงซินโครตรอน) ได้กลายเป็นเทคนิคการระบุลักษณะเฉพาะที่สำคัญที่สามารถสร้างภาพโครงสร้างภายในของคริสตัลที่มีความละเอียดสูง
แนวคิดการวิจัย
อิงจากเทคโนโลยีการจำลองการติดตามรังสี: บทความนี้เสนอการใช้เทคโนโลยีการจำลองการติดตามรังสีโดยอิงตามกลไกคอนทราสต์ในการวางแนว เพื่อจำลองคอนทราสต์ข้อบกพร่องที่สังเกตได้ในภาพทอพอโลยีเอ็กซ์เรย์จริง วิธีการนี้ได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นวิธีที่มีประสิทธิภาพในการศึกษาคุณสมบัติของข้อบกพร่องของคริสตัลในเซมิคอนดักเตอร์ต่างๆ
การปรับปรุงเทคโนโลยีการจำลอง: เพื่อจำลองความคลาดเคลื่อนต่างๆ ที่พบในคริสตัล 4H-SiC และ 6H-SiC ได้ดียิ่งขึ้น นักวิจัยได้ปรับปรุงเทคโนโลยีการจำลองการติดตามรังสี และรวมผลของการผ่อนคลายพื้นผิวและการดูดกลืนแสงด้วยตาแมว
เนื้อหาการวิจัย
การวิเคราะห์ประเภทความคลาดเคลื่อน: บทความนี้จะทบทวนลักษณะเฉพาะของความคลาดเคลื่อนประเภทต่างๆ อย่างเป็นระบบ (เช่น การเคลื่อนของสกรู การเคลื่อนของขอบ การเคลื่อนแบบผสม การเคลื่อนของระนาบฐาน และการเคลื่อนตัวแบบแฟรงก์) ใน SiC ประเภทต่างๆ (รวมถึง 4H และ 6H) โดยใช้การติดตามรังสี เทคโนโลยีการจำลอง
การประยุกต์เทคโนโลยีการจำลอง: มีการศึกษาการประยุกต์ใช้เทคโนโลยีการจำลองการติดตามรังสีภายใต้สภาพลำแสงที่แตกต่างกัน เช่น โทโพโลยีลำแสงอ่อนและโทโพโลยีคลื่นระนาบ ตลอดจนวิธีการกำหนดความลึกของการเจาะที่มีประสิทธิภาพของการเคลื่อนที่ผ่านเทคโนโลยีการจำลอง
การผสมผสานของการทดลองและการจำลอง: ด้วยการเปรียบเทียบภาพทอพอโลยีเอ็กซ์เรย์ที่ได้รับจากการทดลองกับภาพจำลอง ความแม่นยำของเทคโนโลยีการจำลองในการพิจารณาประเภทความคลาดเคลื่อน เวกเตอร์เบอร์เกอร์ และการกระจายเชิงพื้นที่ของความคลาดเคลื่อนในคริสตัลได้รับการตรวจสอบแล้ว
ข้อสรุปการวิจัย
ประสิทธิผลของเทคโนโลยีการจำลอง: การศึกษาแสดงให้เห็นว่าเทคโนโลยีการจำลองการติดตามรังสีเป็นวิธีการที่เรียบง่าย ไม่ทำลาย และไม่คลุมเครือในการเปิดเผยคุณสมบัติของความคลาดเคลื่อนประเภทต่างๆ ใน ​​SiC และสามารถประมาณความลึกของการเจาะที่มีประสิทธิภาพของความคลาดเคลื่อนได้อย่างมีประสิทธิภาพ
การวิเคราะห์การกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนแบบ 3 มิติ: ด้วยเทคโนโลยีการจำลอง การวิเคราะห์การกำหนดค่าความคลาดเคลื่อนแบบ 3 มิติและการวัดความหนาแน่นสามารถทำได้ ซึ่งมีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการทำความเข้าใจพฤติกรรมและวิวัฒนาการของความคลาดเคลื่อนในระหว่างการเติบโตของผลึก
การใช้งานในอนาคต: เทคโนโลยีการจำลองการติดตามรังสีคาดว่าจะถูกนำไปใช้กับโทโพโลยีพลังงานสูงเพิ่มเติม รวมถึงโทโพโลยีเอ็กซ์เรย์ในห้องปฏิบัติการ นอกจากนี้ เทคโนโลยีนี้ยังสามารถขยายไปสู่การจำลองลักษณะข้อบกพร่องของโพลีไทป์อื่นๆ (เช่น 15R-SiC) หรือวัสดุเซมิคอนดักเตอร์อื่นๆ
ภาพรวมของรูป

รูปที่ 1: แผนผังของการตั้งค่าการถ่ายภาพทอพอโลยีรังสีซินโครตรอน รวมถึงเรขาคณิตการส่งผ่าน (Laue) เรขาคณิตการสะท้อนกลับ (Bragg) และเรขาคณิตอุบัติการณ์การแทะเล็ม รูปทรงเหล่านี้ส่วนใหญ่จะใช้ในการบันทึกภาพทอพอโลยีเอ็กซ์เรย์

รูปที่ 2: แผนผังของการเลี้ยวเบนรังสีเอกซ์ของพื้นที่บิดเบี้ยวรอบๆ การเคลื่อนตัวของสกรู รูปนี้อธิบายความสัมพันธ์ระหว่างลำแสงตกกระทบ (s0) และลำแสงเลี้ยวเบน (sg) กับระนาบการเลี้ยวเบนเฉพาะจุด (n) และมุมแบรกก์เฉพาะจุด (θB)

รูปที่ 3: ภาพภูมิประเทศเอ็กซ์เรย์แบบสะท้อนกลับของไมโครไปป์ (MPs) บนเวเฟอร์ 6H–SiC และความแตกต่างของการเคลื่อนที่ของสกรูจำลอง (b = 6c) ภายใต้เงื่อนไขการเลี้ยวเบนเดียวกัน

รูปที่ 4: ไมโครไพพ์จับคู่กันในภาพภูมิประเทศแบบสะท้อนกลับของเวเฟอร์ 6H–SiC รูปภาพของ MP เดียวกันที่มีระยะห่างต่างกันและ MP ในทิศทางตรงกันข้ามจะแสดงโดยการจำลองการติดตามรังสี

รูปที่ 5: ภาพภูมิประเทศเอ็กซ์เรย์อุบัติการณ์การเล็มหญ้าของการเคลื่อนที่ของสกรูแกนปิด (TSD) บนเวเฟอร์ 4H–SiC จะแสดงขึ้น รูปภาพแสดงคอนทราสต์ของขอบที่ได้รับการปรับปรุง

รูปที่ 6: การจำลองการติดตามรังสีของอุบัติการณ์การแทะเล็ม ภาพภูมิประเทศด้วยรังสีเอกซ์ของ 1c TSD ทางซ้ายและขวาบนเวเฟอร์ 4H–SiC จะแสดงขึ้น

รูปที่ 7: การจำลองการติดตามรังสีของ TSD ใน 4H–SiC และ 6H–SiC จะแสดงขึ้น โดยแสดงการเคลื่อนที่ด้วยเวกเตอร์และโพลีไทป์ของเบอร์เกอร์ที่แตกต่างกัน

รูปที่ 8: แสดงภาพทอพอโลยีเอ็กซ์เรย์อุบัติการณ์การแทะเล็มของการเคลื่อนที่ของขอบเกลียว (TED) ประเภทต่างๆ บนเวเฟอร์ 4H-SiC และภาพทอพอโลยี TED จำลองโดยใช้วิธี ray tracing

รูปที่ 9: แสดงภาพโทโพโลยีการสะท้อนกลับของเอ็กซ์เรย์ของ TED ประเภทต่างๆ บนเวเฟอร์ 4H-SiC และคอนทราสต์ของ TED ที่จำลองขึ้น

รูปที่ 10: แสดงภาพจำลองการติดตามรังสีของการเคลื่อนที่ของเกลียวแบบผสม (TMD) พร้อมเวกเตอร์เบอร์เกอร์เฉพาะ และภาพทอพอโลยีเชิงทดลอง

รูปที่ 11: แสดงภาพโทโพโลยีแบบสะท้อนกลับของการเคลื่อนที่ของระนาบฐาน (BPD) บนเวเฟอร์ 4H-SiC และแผนผังของการสร้างคอนทราสต์การเคลื่อนที่ของขอบที่จำลอง

รูปที่ 12: แสดงภาพจำลองการติดตามรังสีของ BPD ที่เป็นเกลียวทางขวาที่ระดับความลึกต่างๆ โดยพิจารณาถึงผลกระทบจากการคลายตัวของพื้นผิวและการดูดซึมโฟโตอิเล็กทริก

รูปที่ 13: แสดงภาพจำลองการติดตามรังสีของ BPD ที่เป็นเกลียวทางขวาที่ระดับความลึกที่แตกต่างกัน และภาพโทโพโลยีเอ็กซ์เรย์อุบัติการณ์การแทะเล็ม

รูปที่ 14: แสดงแผนผังของการเคลื่อนตัวของระนาบฐานในทิศทางใดๆ บนเวเฟอร์ 4H-SiC และวิธีการกำหนดความลึกของการเจาะโดยการวัดความยาวการฉายภาพ

รูปที่ 15: ความแตกต่างระหว่าง BPD กับเวกเตอร์เบอร์เกอร์และทิศทางเส้นที่แตกต่างกันในภาพทอพอโลยีเอ็กซ์เรย์อุบัติการณ์การแทะเล็ม และผลการจำลองการติดตามรังสีที่สอดคล้องกัน

รูปที่ 16: ภาพจำลองการติดตามรังสีของ TSD ที่เบี่ยงเบนไปทางขวาบนเวเฟอร์ 4H-SiC และภาพโทโพโลยีเอ็กซ์เรย์อุบัติการณ์การแทะเล็มจะแสดงขึ้น

รูปที่ 17: การจำลองการติดตามรังสีและภาพการทดลองของ TSD ที่เบี่ยงเบนบนเวเฟอร์ 4H-SiC ออฟเซ็ต 8° จะแสดงขึ้น

รูปที่ 18: ภาพจำลองการติดตามรังสีของ TSD และ TMD ที่โก่งตัวด้วยเวกเตอร์ Burgers ที่แตกต่างกัน แต่มีการแสดงทิศทางเส้นเดียวกัน

รูปที่ 19: ภาพจำลองการติดตามรังสีของการเคลื่อนตัวแบบแฟรงก์ และภาพทอพอโลยีเอ็กซ์เรย์อุบัติการณ์การแทะเล็มที่สอดคล้องกันจะแสดงขึ้น

รูปที่ 20: ภาพทอพอโลยีทอพอโลยีลำแสงสีขาวที่ส่งของไมโครไปป์บนเวเฟอร์ 6H-SiC และภาพจำลองการติดตามรังสีจะแสดงขึ้น

รูปที่ 21: แสดงภาพทอพอโลยีเอกซ์เรย์ที่มีอุบัติการณ์การแทะเล็มเดียวของตัวอย่างที่ตัดตามแนวแกนของ 6H-SiC และภาพจำลองการติดตามรังสีของ BPD

รูปที่ 22: แสดงภาพจำลองการติดตามรังสีของ BPD ในตัวอย่างที่ตัดตามแนวแกน 6H-SiC ที่มุมตกกระทบที่แตกต่างกัน

รูปที่ 23: แสดงภาพจำลองการติดตามรังสีของ TED, TSD และ TMD ในตัวอย่างที่ตัดตามแนวแกน 6H-SiC ภายใต้เรขาคณิตของอุบัติการณ์การแทะเล็ม

รูปที่ 24: แสดงภาพทอพอโลยีเอ็กซ์เรย์ของ TSD ที่เบี่ยงเบนไปบนด้านต่างๆ ของเส้นไอโซคลินิกบนเวเฟอร์ 4H-SiC และภาพจำลองการติดตามรังสีที่สอดคล้องกัน

บทความนี้มีไว้เพื่อการแบ่งปันทางวิชาการเท่านั้น หากมีการละเมิดใด ๆ โปรดติดต่อเราเพื่อลบออก