Сначала посмотри, потом режь: как находят первопричину отказов силовых приборов
Руководитель электронного направления Zeiss Microscopy Томас Роджерс рассказывает, как в лабораториях анализа отказов ищут причину выхода из строя SiC-MOSFET, IGBT и GaN-транзисторов: неразрушающая трёхмерная рентгеновская съёмка перед разрезанием образца, фемтосекундная лазерная абляция, полировка ионным пучком и возвращение старых методов вроде электронно-канального контраста.
В этом выпуске Power Corner Томас Роджерс, руководитель направления электроники в Zeiss Microscopy, рассказывает об исследовании отказов силовых приборов и полупроводников с помощью сканирующих электронных микроскопов, трёхмерных рентгеновских и световых микроскопов, акустооптической микроскопии, фокусированных ионных пучков, фемтосекундной лазерной абляции и таких аналитических методов, как энергодисперсионная рентгеновская спектроскопия (EDX), электронно-канальный контраст (ECCI) и ток, индуцированный электронным пучком (EBIC). Беседу ведёт Аалия Шаукат, главный редактор Power Electronics News.
Аалия Шаукат: Мы будем говорить об анализе отказов широкозонных полупроводников, а то, чем занимается Zeiss, довольно узкая область. Не могли бы вы рассказать, какой именно анализ отказов Zeiss проводит на силовых приборах — SiC-MOSFET, IGBT, GaN-транзисторах — и чем это отличается от более обычных испытаний? Для карбида кремния это, например, приработка подзатворного оксида на уровне пластины или зондовый контроль на постоянном токе. Чем ваша работа отличается от этого?
Томас Роджерс: У Zeiss Microscopy есть целая линейка микроскопов. В полупроводниковой промышленности мы поставляем прежде всего электронные микроскопы — сканирующие и совмещённые с фокусированным ионным пучком, — а также трёхмерные рентгеновские микроскопы. У нас широкий выбор и световых микроскопов, которые мы тоже продаём в эту отрасль, но это, пожалуй, более стандартные системы, а настоящая ценность — в рентгеновской и электронной микроскопии.
В технологической цепочке наши изделия стоят в лаборатории анализа отказов, или физического анализа. Есть, как вы упомянули, стандартные приработочные испытания, а есть ещё огромный набор проверок на производстве — все эти измерения, контроль и просмотр, которые идут в ходе выпуска. Очень часто такие проверки показывают, идёт ли процесс как надо или что-то вышло за допустимые границы качества. Если проверка даёт ясный ответ, что именно пошло не так, нести образец в лабораторию не нужно. Но часто бывает иначе: например, обнаружилась частица грязи, и важно понять, откуда она взялась. Тогда пластину снимают с линии и отправляют на углублённый анализ — вот тут и вступает группа анализа отказов.
То есть наши приборы применяются не прямо на производстве, а рядом с ним, в лаборатории анализа отказов, где инженерам нужен широкий набор средств, помогающих дойти до первопричины случившегося — в производстве, при приработке или в испытаниях на надёжность. Если приборы выходят из строя, нужно понять почему; иначе в худшем случае отказы случатся уже в эксплуатации. А отказ в эксплуатации запускает целую череду расследований, потому что полупроводниковая компания отвечает перед своими заказчиками и обязана внятно объяснить, что произошло, почему прибор отказал и какие меры приняты, чтобы это не повторилось. В силовых приборах это особенно важно, потому что они применяются в изделиях, от которых зависит безопасность, — в промышленности и автомобилестроении.
Аалия Шаукат: Можете привести пример того глубокого разбора отдельного прибора, который вы предлагаете? Вы назвали случаи: после приработки, после испытаний на надёжность и, конечно, отказ в эксплуатации. Как это происходит?
Томас Роджерс: Обычно сначала идёт массовый контроль, возможно и электрические измерения. Электрические измерения показывают, что в такой-то области есть отклонение, и тогда начинается физический анализ отказа. Первый шаг, разумеется, — где это? Где именно неисправность? Значит, локализация отказа, поиск дефекта — это часто делается такими средствами, как акустическая, оптическая, акустооптическая микроскопия, которые дают область поиска. Акустооптическая микроскопия — это не изделие Zeiss — укажет с точностью до пары микрометров, что там, возможно, трещина или расслоение.
Но дальше крайне важно вот что: такие отказы, как правило, очень редки, и их нужно сохранить, чтобы изучить. Нельзя просто взять и разрезать кристалл, потому что при подготовке образца можно уничтожить именно то, что вас интересует. Поэтому у нас в Zeiss есть трёхмерный рентгеновский прибор, пожалуй, с лучшим пространственным разрешением на рынке: он позволяет заказчику неразрушающим сканированием точно определить, где внутри находится отклонение, и, возможно, увидеть его природу. Это трещина? Посторонняя частица? Металл там, где его быть не должно?
Это и определяет следующий шаг — подготовку образца. Обычно образец приходится раскрывать: механически, плазмой — например, фокусированным ионным пучком — или аргоновым резаком, потому что уже в электронном микроскопе открываются огромные возможности материаловедческого и физического анализа самого дефекта. В электронном микроскопе есть и определение состава — EDX: характеристическое рентгеновское излучение скажет, какие там материалы. Если обнаруживается то, чего быть не должно, это хорошая подсказка.
Аалия Шаукат: Да, грязь. Видимо, это и может оказаться первопричиной — загрязнение на производстве.
Томас Роджерс: Именно. Или если там частица, она обычно видна физически. Но тогда важно понять, на каком этапе процесса произошло загрязнение. Так что, во-первых, понимание того, где именно физически в приборе находится частица, говорит, какой технологический шаг дал сбой. А во-вторых, важно, из чего эта частица, из чего загрязнение, — это подсказывает, какого рода загрязнение искать: осыпание с оборудования или плохое обращение с образцами. Так что наши заказчики занимаются настоящим творческим поиском решений, а мы даём им универсальные приборы, позволяющие посмотреть на предмет множеством разных способов и попытаться понять, что пошло не так.
Аалия Шаукат: Допустим, отказ случился при приработке, и дело не в частице грязи, а в расслоении, трещине или пустоте. Какая у этого может быть первопричина?
Томас Роджерс: Например, мы иногда видим трещины и пустоты из-за неудачного химического состава на межметаллической границе — в соединении межсоединения. Обычно вы соединяете два металла, и при этом на границе образуется ряд разных сплавов. Процесс надо оптимизировать так, чтобы избежать сплавов, которые могут оказаться более хрупкими, чем другие, а это зависит от выбранных материалов, процесса очистки и применяемых температуры и давления. Некоторые сочетания — будь то вольфрам, медь или серебро — могут быть менее желательны, чем другие. Всё это относится к искусству технолога, это его знание дела, а наше дело — дать приборы, которыми можно разобраться, что пошло не так.
Аалия Шаукат: Вы говорите о творческом поиске решений, и я представляю, что вам приходится работать с самыми разными людьми — технологами, схемотехниками, производителями полупроводников. Это многомерная задача. То есть вы применяете рентгеновскую технику, чтобы найти то, чего не видно на...
Томас Роджерс: Да, под поверхностью.
Аалия Шаукат: Именно. А бывают случаи, когда вы вообще снимаете материал, или это не нужно?
Томас Роджерс: В том и смысл неразрушающей трёхмерной съёмки до разрезания образца. Сканирующий электронный микроскоп видит только поверхность исследуемого предмета, обычно на несколько микрометров вглубь, в зависимости от настройки микроскопа. На миллиметры внутрь образца он не смотрит. Поэтому между неразрушающей съёмкой и помещением образца в электронный микроскоп есть шаг подготовки образца, и очень часто результат, который даёт микроскоп, сильно зависит от качества этой подготовки. Подготовка должна быть очень точной — резать нужно аккуратно, — а остающиеся поверхности должны быть гладкими и отражать состояние образца.
Раньше применяли лазеры с наносекундными импульсами, но они сильно нагревали образец, и сама подготовка создавала слой материала, изменённого нагревом. Сейчас мы перешли к абляции фемтосекундным лазером. У нас в линейке есть приборы подготовки образцов, которые позволяют пользователю выбрать место разреза и снять материал фемтосекундным лазером — это нетепловой процесс. Вы удаляете материал, и зона, затронутая лазером, настолько тонка, что видно, что происходит под поверхностью. Добавьте к этому фокусированный ионный пучок, который крайне точен, но медлителен, — так что приходится выбирать между точностью и быстротой. Можно резать лазером, а затем полировать ионным пучком, чтобы получить действительно чистую поверхность для электронной микроскопии.
Аалия Шаукат: Простите, если ошибусь в следующем вопросе, но есть же «кривая ванны» для полупроводникового, да и вообще электронного производства: есть собственные отказы и есть внешние. Можно ли сказать, что вы находите первопричину внешних отказов в разных частях этой кривой?
Томас Роджерс: На обоих её концах, потому что группа анализа отказов — любопытное подразделение в полупроводниковой компании. К ним приходят задачи с производства, где, например, выход годных не дотягивает до ожидаемого: им дают образцы с линии, и им надо разговаривать с технологами. Но к ним же приходят задачи из эксплуатации и с приработки, и там разговор, возможно, уже не с технологами, а с проектировщиками. Так что группе анализа отказов приходится быть мастером на все руки: надо немного знать всё, потому что проблема может прийти с любой стороны. При этом объём работ всегда небольшой и всегда это что-то новое, а значит, у такой группы внутри большой полупроводниковой компании часто меньше возможностей выбить дорогое оборудование, чем у технологов. Поэтому им действительно нужен прибор, который умеет много разного, но при этом достаточно удобен и автоматизирован, чтобы облегчать им жизнь.
Аалия Шаукат: Может быть, приведёте более общий пример отказов, которые вы видели именно в силовых приборах? Вы описали съёмку высокого разрешения, но что она обычно показывает о самом силовом приборе?
Томас Роджерс: В силовых приборах сейчас такая тенденция, что новые материалы — карбид кремния и нитрид галлия — стали очень широко распространены. Долгое время много внимания уделялось описанию дефектов в самом кристалле, будь то SiC или GaN, и выяснению, может ли дислокация в кристалле привести к последующему отказу прибора. Там сделано немало по-настоящему интересных работ, и наши микроскопы применяются для съёмки и описания таких дефектов на уровне эпитаксиального слоя.
В последнее время карбид кремния научились делать практически без дефектов, а вот у нитрида галлия плотность дислокаций по-прежнему довольно высока. Вопрос в том, какие дислокации интересны с точки зрения отказов, а какие на самом деле допустимы. Обсуждение того, сколько их допустимо, всё ещё открыто, потому что все, конечно, взвешивают это ещё и со стороны стоимости.
Аалия Шаукат: Вы говорили, что у нитрида галлия обычно выше плотность дислокаций, а карбид кремния мы научились делать без дефектов. Но для GaN нужно определить, какие дислокации важны. Не знаю, насколько вы можете об этом рассказать, но какое понимание сложилось у Zeiss за это время о том, какие дислокации действительно ведут к отказам GaN?
Томас Роджерс: Со стороны Zeiss мы стараемся создавать приборы, которые позволяют такие исследования вести. При анализе эпитаксиального слоя, при изучении структуры кристалла есть измерение, которое называется электронно-канальным контрастом. Вы получаете контрастный сигнал от дефекта по интенсивности электронов, возвращающихся от образца, и этот контраст меняется при наклоне образца. За последние пару лет мы сделали на этом поле очень хорошую работу. О том, что такое измерение можно получить в электронном микроскопе, известно уже 50 лет, но всегда требовался опытный оператор, который действительно понимает и физику, и микроскоп, и образец, чтобы вытащить эту информацию. Мы же стараемся превратить это в более простое измерение, чтобы не приходилось каждый раз звать человека с двадцатилетним опытом.
Насколько я вижу, мы всё ещё составляем «зоологию» всех разных дефектов, которые бывают в кристалле GaN. Думаю, вопрос по-прежнему вполне открыт: какой тип дефекта критичен, а какой допустим и может быть пропущен дальше в изготовление прибора.
Аалия Шаукат: Допустим, вы нашли дефект — поговорим о GaN или в целом. Как это меняет дальнейшие действия проектировщика или технолога?
Томас Роджерс: В общем случае — речь не только о дефектах эпитаксии — такие сведения обычно используются, чтобы настроить установку на производстве, поправить технологические рецепты или начать разговор с поставщиком. Ведь очень часто наши заказчики выполняют не все процессы сами: они закупают компонент, возможно пластину, и это становится частью их разговора о качестве. Анализ отказов очень часто применяется именно в диалоге поставщика и изготовителя конечного изделия. И тут, разумеется, нужны стандартные измерения, чтобы разговаривать на одном языке: если поставщик применяет одно измерение, а изготовитель другое, обсуждать увиденное они толком не смогут.
Аалия Шаукат: По мере того как широкозонные приборы уходят в область более высоких температур и удельных мощностей, появляются ли новые механизмы отказа, которых не было у прежних поколений?
Томас Роджерс: Да, загвоздка с более мощными приборами в том, что отказ бывает настолько разрушительным, что анализировать уже почти нечего — просто дырка. Так вот, одно из того, что я видел — заказчиков своих я, конечно, назвать не могу, — это попытка обширно измерять приборы по ходу изготовления, чтобы заложить прослеживаемость: системы данных запоминают, какое измерение сделано на каком приборе, так что при отказе можно вернуться к архиву и посмотреть, как прибор выглядел на разных этапах изготовления. Вот где помогает прибор, формирующий изображение: в микроскопном снимке часто куда больше данных, чем нужно производству, а при таком разборе уже случившегося это становится по-настоящему ценным для понимания того, что могло пойти не так.
Аалия Шаукат: У меня остался один вопрос — о появляющихся сверхширокозонных приборах. Алмаз, моно- или поликристаллический, оксид галлия, нитрид алюминия — список можно продолжать. Проводил ли Zeiss анализ отказов на этих подложках, материалах, приборах? И видите ли вы, что там появляется рынок?
Томас Роджерс: В промышленности это пока не на первом плане. Но у меня есть несколько совместных работ с университетами, где эти материалы действительно видят материалами будущего. Мы надеемся, что по мере их перехода в промышленность успеем накопить достаточно знаний об этих материалах и о том, что с ними может случиться, чтобы, когда крупные полупроводниковые компании возьмутся за них, суметь порекомендовать подходящее оборудование — будь то совмещённый ионно-электронный микроскоп, сканирующий электронный, световой микроскоп или рентгеновский.
Аалия Шаукат: Большое спасибо за время, Томас. Хотите что-нибудь добавить напоследок?
Томас Роджерс: Для нас главное в том, что физический анализ по-прежнему крайне важен для того, чтобы завод продолжал работать. Наши системы становятся всё мощнее, и у нас есть очень неплохие технические обзоры по разным измерениям, которые мы делаем на силовых приборах. Забавно, что с переходом на новые материалы возникают такие волны: приходят новые материалы — и приходится возвращаться к старым методам, от которых, возможно, уже отказались. Как я говорил, электронно-канальному контрасту 50 лет. Ток, индуцированный электронным пучком, применяется, чтобы напрямую смотреть на запрещённую зону и видеть, где в приборе происходит рекомбинация. Эти методы входят в моду и выходят из неё по мере появления новых материалов: чтобы построить лучший прибор, нужно заниматься фундаментальным материаловедением полупроводников. Думаю, наши приборы и дальше будут всё лучше справляться с такими продвинутыми измерениями, а сами измерения — становиться проще. Я вижу у этого очень хорошее будущее и советую технологам и инженерам по анализу отказов в силовой электронике посмотреть на то, что мы в последнее время сделали по силовым приборам.
Аалия Шаукат: Как вы говорите, дело, может быть, не только в продвинутых методах, но и в применении некоторых старых методов совместно с ними, чтобы как следует описать прибор физически, а не ограничиваться контролем партии по принципу «годен или не годен».
Томас Роджерс: Думаю, всё это сочетается. Контроль партий совершенно необходим, но, когда нужно понять, почему что-то не работает, приходится взять пластину, поставить её в микроскоп и разобраться, что именно не работает. Дойти до первопричины.