基于微拉曼光谱与多尺度模拟的Al离子注入4H-SiC同质外延片界面损伤与应力无损分析

这篇研究通过整合分子动力学(MD)和蒙特卡洛(MC)模拟与微拉曼光谱技术，系统揭示了高能Al离子注入4H-SiC过程中界面缺陷（如空位和间隙原子）与残余应力的演化规律。研究发现注入剂量与缺陷呈线性关系，而应力在较高剂量下因动态平衡趋于饱和。实验证实损伤层深度从1014 ions cm?2时的300 nm增至1016 ions cm?2的500 nm，与模拟结果高度吻合。该工作为半导体制造中的实时无损质量控制提供了创新解决方案。

　　

Highlight

本研究通过多尺度模拟与实验相结合，首次实现了对Al离子注入4H-SiC界面损伤与应力的动态无损解析。分子动力学(MD)模拟捕捉到表面粗糙度随剂量增加而加剧（S_a/S_q值上升），蒙特卡洛(MC)模拟则精准预测了损伤层深度扩展至500 nm的演变趋势。拉曼光谱验证了注入区净压应力的饱和现象，揭示了缺陷相互作用对应力积累的调控机制。

Atomic/nano-scale simulation of Al ion implantation effects

分子动力学(MD)模拟显示，Al离子束注入会引发表面溅射效应，形成明显凹坑（图1a）。随着剂量增加，硅(Si)和碳(C)原子迁移堆积导致表面粗糙度指标S_a和S_q显著上升。值得注意的是，高剂量下间隙缺陷主导了缺陷类型，与拉曼光谱检测到的压应力积累形成呼应。

Conclusion

综合研究表明，高能Al离子注入在4H-SiC中产生的损伤层深度与剂量呈正相关，而残余应力在10¹⁶ ions cm^?2后进入动态平衡阶段。该成果为优化离子注入工艺参数提供了理论依据，并凸显了光学表征技术在半导体先进制造中的实时监测潜力。