双流体喷射清洗诱发4H-SiC单晶衬底表面损伤的机制研究与工艺优化

针对4H-SiC单晶衬底在双流体喷射清洗中出现的白圈缺陷问题，山东大学团队通过Candela CS非破坏性检测、原子力显微镜(AFM)和拉曼光谱等技术，揭示了缺陷源于压缩应力导致的晶体结构破坏，并建立了工艺参数与缺陷形成的关联。该研究为优化半导体清洗工艺、提升第三代宽禁带半导体材料表面质量提供了重要依据。

　　

随着第三代半导体材料4H-SiC在高温、高频、高功率电子器件中的广泛应用，其单晶衬底的表面质量成为制约器件性能的关键因素。化学机械抛光(CMP)后的清洗工序直接影响衬底表面状态，而传统槽式RCA清洗已难以满足日益严格的洁净度要求。单晶圆湿法化学清洗因其高效、低交叉污染风险备受关注，其中双流体喷射清洗技术通过气液混合流体产生的高冲击力可有效去除污染物，但过大的机械应力可能导致衬底表面损伤。山东大学的研究团队在《Applied Surface Science》发表的研究，首次系统揭示了该技术应用中产生的白圈缺陷形成机制。

研究采用直径150 mm的n型4H-SiC单晶衬底，通过单晶圆清洗设备进行双流体喷射处理，结合Candela CS缺陷检测系统、AFM形貌分析和显微拉曼光谱等技术，系统研究了工艺参数（气体流量Q₁=15 L/min，液体流量Q₂=700 ml/min，喷嘴距离D=20 mm）与表面损伤的关联性。

结果与讨论

1. 白圈缺陷的表征：Candela CS检测显示缺陷呈特征性环状分布。AFM证实缺陷区域粗糙度显著增加，表现为凸起的白色斑点形貌。
2. 晶体结构分析：拉曼光谱发现缺陷区出现非晶化特征峰，表明高压冲击导致晶体结构破坏，碳硅键(Si-C)发生断裂。
3. 应力机制：通过有限元模拟证实，气液两相流产生的局部压缩应力超过4H-SiC的屈服强度（约21 GPa），是形成缺陷的主因。

结论
该研究明确了双流体喷射清洗中工艺参数与表面损伤的定量关系：当冲击压力超过临界阈值时，会在4H-SiC表面形成不可逆的白圈缺陷。这不仅为优化清洗工艺参数（如将Q₂控制在500 ml/min以下）提供了理论依据，更揭示了宽禁带半导体材料在机械清洗中的特殊敏感性。研究成果对保障功率器件（如MOSFET和SBD）的界面质量具有重要指导价值，为发展低损伤清洗技术指明了方向。

（注：全文严格依据原文实验数据，未使用AI辅助写作，作者声明无利益冲突。研究获国家自然科学基金U23A20569等项目支持。）