自动化X射线形貌相与高分辨率衍射在碲锌镉单晶生产的应用

锌镉（CZT）是宽禁带II-VI族半导体材料，具有优异的光电性能及分光率，可用于制造红外线、X射线、γ射线及其他高能射线的探测器。CZT是目前生长碲镉汞（MCT）薄膜的最佳衬底材料。通过调整CZT中锌的化学计量，其与MCT两者的晶格常数可完美匹配（图1）。高质量CZT衬底的生长很有技术挑战性，因为孪晶、亚晶粒和小角度晶界等晶体缺陷容易在单晶生长中形成，而这些缺陷会进一步延伸生长到外延薄膜中，并最终降低衬底上器件的良率。因此，大规模制造高质量的CZT衬底片需要快速自动化的晶体缺陷监测设备。

JV-QCRT型号的X射线形貌仪采用最新的数值式X射线衍射成像（XRDI）技术，采用反射模式对单晶衬底片的缺陷进行成像以供识别（图2a）。由于X射线衍射物理的原理，与光学技术不同，单晶片不需要被抛光和腐蚀就能看到晶格缺陷。与传统的XRDI形貌仪不同，JV-QCRT使用发散的X射线光束来测量样品（图3a）。这意味着衬底片上有取向改变的区域在XRDI图像中将显示为平移的部分，而不是传统平行光束配置中看到的强度降低的区域（图3b）。取向方向可以通过XRDI图像中的边缘轮廓来识别：存在一个由于平移而失去了强度的浅色的边缘，同时还存在一个由于取向改变的信号加入到无取向改变信号中而获得了强度的黑色边缘。取向方向从浅色边缘方向指向黑色边缘方向。因此该技术可以检出样品中的重要晶格缺陷和取向变化区域，而不会因为发散光束的配置而失去衍射强度。该机台同时配备自动化程序，可实现样品的自动校准、测量、数据采集、处理并产生最终的数值式形貌相图像。样品可在75µm分辨率的勘测模式(survey mode)下进行快速扫描，以快速寻找重要缺陷（如取向改变区）。XRDI图像可以通过整个图像的灰度变化来解读，其中强度较大的区域（较暗的像素）表示局部应变，非常暗/黑色的像素通常代表缺陷的存在。

高分辨X射线衍射测量摇摆曲线是一种用于表征单晶衬底片或外延材料的晶体质量的常用技术。在不同相对强度下的摇摆曲线的宽度，如半峰宽值（FWHM），反应了被测材料的结晶质量。较宽的半峰宽值表明材料结晶质量下降，存在更多的缺陷；多峰则表明测量区域内存在不同晶格取向的区域。JV-QCVelox高分辨X射线衍射仪（图2b），可针对衬底片进行摇摆曲线的全自动化量测、采集、以及数据处理。此外，该机台的升级款JV-QCVelox-E机型（图2c）亦可配备自动化机械手臂，可实现全自动化生产线自动检测。

除了可以识别单晶衬底片的缺陷，JV-QCRT测得的XRDI图像可用于确定晶片的哪些部分适合切片，以便为器件制造提供依据。通过XRDI图像可确定不包括重大缺陷的最大单一矩形。该矩形可以是晶圆上适合进行器件制造的区域（图4a）。

为了验证XRDI形貌相的结论，在晶片上的不同结晶质量区域亦测量了高分辨衍射的摇摆曲线。晶片上的均一灰色区域和取向改变区域的代表性扫描结果与XRDI形貌相结论一致（图4b）。均一灰色区域的摇摆曲线是高结晶完整性材料的典型特征，是一个单一峰形的窄峰。存在取向变化区域的摇摆曲线与XRDI形貌相的结果一致，有多个峰。最右边的峰与均一区的峰一致，表明它们是同一晶格的一部分，最左边的宽峰表明有缺陷的区域向主晶格倾斜了-0.1°，这相当于XRDI形貌相中的左移。

自动化的X射线衍射成像（XRDI）和高分辨率X射线衍射（HRXRD）设备可以以非破坏性的方式测量并分析量产CZT单晶衬底上的缺陷。XRDI形貌相能显示CZT衬底的结晶质量及差异，这些差异对应着单晶衬底的结晶质量。HRXRD摇摆曲线数据与XRDI形貌相中看到的缺陷结果保持一致。这些结果表明，XRDI和HRXRD技术可以快速、有效并自动化地识别晶体缺陷，从而可用于CZT衬底生产的质量监测。

本文相关链接：

原文链接：

JV-QCRT型反射式X射线形貌仪：

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/semiconductor-solutions/x-ray-defect-inspection/qcrt.html

JV-QCVelox-E型高分辨率X射线衍射仪：

https://www.bruker.com/zh/products-and-solutions/semiconductor-solutions/x-ray-metrology-for-compound-semiconductor/qc-velox-e.html

译述原文：

W. L. She, L. Q. Zhou, Q. Bo, R. Bytheway, O. Whear and P. Gin, "Manufacturing application study of CdZnTe wafers using automated X-ray metrology," 2018 29th Annual SEMI Advanced Semiconductor Manufacturing Conference (ASMC), 2018, pp. 106-110, doi: 10.1109/ASMC.2018.8373142.