Tim Korea Temukan Sinyal 459 nm untuk Cacat SiC, Menggugat Panduan Inspeksi yang Berlaku Selama 15 Tahun

104.439 cacat membantu mengungkap sinyal identifikasi yang keliru

Tim peneliti Korea Selatan mengidentifikasi sinyal cahaya yang berbeda untuk suatu cacat pada semikonduktor daya silikon karbida setelah memeriksa 104.439 kesalahan susun di 207 wafer komersial dari sembilan pemasok. Temuan ini memberikan landasan ilmiah untuk merevisi nilai identifikasi yang tercantum dalam IEC 63068-3:2020, standar internasional yang digunakan dalam inspeksi semikonduktor.

Cacat yang dikenal sebagai kesalahan susun tipe Frank standar (4,1) ini memancarkan cahaya pada panjang gelombang karakteristik 459 nanometer pada suhu ruang. Selama sekitar 15 tahun, cacat tersebut dikaitkan dengan panjang gelombang 424 nanometer, nilai yang dimasukkan ke dalam panduan dari Komisi Elektroteknik Internasional.

Na Moonkyung, peneliti utama di Pusat Riset Semikonduktor Generasi Berikutnya milik Institut Riset Elektroteknologi Korea, memimpin penelitian ini bersama tim Profesor Hong Soonkoo di Universitas Nasional Chungnam, HORIBA STEC Korea, SK siltron, dan kolaborator lainnya. Penelitian mereka menghubungkan cahaya dari cacat individual dengan citra susunan atom sebenarnya.

Penelitian tim yang diterbitkan di Acta Materialia menggabungkan pengukuran optik, mikroskopi yang mampu menampilkan struktur atom, dan perhitungan perilaku elektron di dalam material. Secara bersama-sama, metode tersebut mengidentifikasi 459 nanometer sebagai sinyal karakteristik kesalahan susun standar (4,1).

Tujuan praktisnya adalah meningkatkan akurasi inspeksi material yang digunakan pada kendaraan listrik, pengisi daya, dan peralatan energi terbarukan. Produsen perlu mengetahui jenis cacat yang mereka amati sebelum dapat melacak penyebabnya dan menyesuaikan produksi. Penelitian ini memberikan dasar untuk meninjau panduan inspeksi; perubahan resmi pada standar IEC, penerapan di pabrik, dan peningkatan keandalan perangkat yang dihasilkan masih memerlukan upaya lebih lanjut.

Mengapa perubahan kecil pada susunan atom itu penting

Silikon karbida, yang biasa disingkat SiC, berguna untuk peralatan yang harus mengendalikan listrik sembari menangani tegangan dan suhu tinggi. Semikonduktor daya membantu mengalihkan dan mengonversi daya listrik, termasuk pada sistem penggerak kendaraan dan instalasi energi terbarukan.

Wafer adalah irisan tipis material semikonduktor yang menjadi tempat pembuatan perangkat. Penelitian ini membahas 4H-SiC, bentuk silikon karbida yang atom-atomnya mengikuti pola susunan berulang tertentu. Wafer epitaksial memiliki lapisan kristal tambahan yang ditumbuhkan di permukaannya untuk pembuatan perangkat.

Kesalahan susun terjadi ketika keteraturan tersebut terganggu. Sebagian melibatkan lapisan yang hilang atau tersisip; sebagian lainnya terbentuk ketika bagian-bagian kristal bergeser satu sama lain. Perbandingan sederhananya adalah tumpukan lembaran berwarna yang tersusun rapi: menambah, menghilangkan, atau menggeser satu lembar akan mengubah pola di sekitarnya.

Susunan atom memengaruhi cara elektron bergerak dan melepaskan energi. Karena itu, cacat dapat mengubah perilaku listrik suatu perangkat sekaligus cahaya yang dipancarkan saat inspeksi. Sebutan (4,1) merupakan singkatan untuk urutan susunan tertentu, bukan ukuran besar cacat.

Bagaimana cahaya menjadi penanda yang menyesatkan

Inspeksi fotoluminesensi, atau PL, menyinari wafer dan mengukur cahaya yang dipancarkan kembali oleh material. Cacat dapat menghasilkan sinyal emisi khas sehingga peralatan inspeksi dapat menemukan dan mengklasifikasikannya tanpa merusak wafer.

Panjang gelombang mengukur jarak antara puncak-puncak berurutan pada gelombang cahaya. Satu nanometer adalah sepersemiliar meter. Sinyal yang direvisi, 459 nanometer, lebih panjang 35 nanometer dibanding nilai lama 424 nanometer, selisih sekitar 8,3 persen dari nilai yang sebelumnya ditetapkan.

Cacat atom yang berbeda dapat memancarkan cahaya pada panjang gelombang yang berdekatan. Karena itu, sistem inspeksi memerlukan hubungan yang andal antara setiap sinyal optik dan struktur yang menghasilkannya. Jika hubungan itu keliru, peralatan mungkin menemukan cacat yang nyata, tetapi memberinya nama yang salah.

Penetapan lama sebesar 424 nanometer telah diterima tanpa pencocokan langsung antara sinyal optik dan struktur atom seperti yang dilakukan dalam penelitian baru ini. Para peneliti mengatasi masalah tersebut dengan kembali ke lokasi persis tempat cahaya diukur.

Dari wafer utuh hingga lapisan atom individual

Tim memulai penelitian dengan survei luas terhadap 207 wafer komersial. Kumpulan tersebut memberikan gambaran dari sembilan pemasok, bukan hanya area kecil dari satu sampel penelitian. Kesalahan susun tipe Frank muncul sebagai kelompok cacat penting dalam material komersial tersebut.

Para peneliti kemudian memilih cacat individual untuk diperiksa lebih dekat. Setelah merekam posisi dan panjang gelombang emisinya melalui pengukuran PL, mereka menggunakan berkas ion terfokus untuk menyiapkan sampel yang sangat tipis dari lokasi yang sama. Secara keseluruhan, mereka memeriksa 176 spesimen yang mengandung struktur kesalahan susun tipe Frank, tipe Shockley, dan tipe lainnya.

Teknik mikroskopi elektron canggih yang disingkat HAADF HR-STEM menampilkan susunan atom. Nama lengkapnya adalah mikroskopi elektron transmisi pindai resolusi tinggi medan gelap anular sudut tinggi. Sederhananya, teknik ini mengirimkan elektron menembus sampel yang sangat tipis dan menggunakan elektron yang terhambur untuk membentuk citra dengan detail yang cukup untuk membedakan kolom-kolom atom.

Penelitian terarah tersebut mencakup sembilan cacat independen yang memancarkan cahaya pada 459 nanometer. Para peneliti memastikan struktur atom (4,1) yang sebenarnya pada enam di antaranya. Hubungan langsung antara sinyal cahaya yang terukur dan susunan atom yang terlihat ini menjadi landasan eksperimental bagi penetapan yang direvisi.

Na, peneliti utama KERI yang memimpin proyek tersebut, menjelaskan pentingnya menghubungkan kedua pengukuran itu:

Penting bahwa kami mengoreksi kesalahan dalam standar identifikasi global yang telah lama diterima dengan menghubungkan sinyal cahaya secara langsung dengan struktur atom sebenarnya.

Temuan perhitungan superkomputer

Para peneliti juga menggunakan teori fungsi kerapatan, atau DFT, untuk menghitung sifat-sifat cacat tersebut. DFT adalah metode untuk memperkirakan perilaku elektron dalam suatu material, yang membantu peneliti menghubungkan susunan atom dengan tingkat energi dan kemungkinan sinyal optiknya.

Tiga pendekatan perhitungan teoretis menempatkan emisi terkait pada kisaran sekitar 444 hingga 450 nanometer. Panjang gelombang yang diukur pada suhu ruang adalah 459 nanometer. Dengan demikian, perhitungan tersebut mendukung emisi di dekat 450 nanometer, bukan penetapan lama 424 nanometer, meski masih terdapat selisih angka dengan pengukuran laboratorium.

Makalah tersebut memadukan perhitungan ini dengan mikroskopi dan spektroskopi PL, yang mengukur kuatnya emisi material pada berbagai panjang gelombang. Pengukuran eksperimental menghasilkan nilai inspeksi 459 nanometer, sedangkan perhitungan memberikan cara lain untuk mengkaji hubungan antara struktur dan cahaya.

Perhitungan yang lebih luas juga membandingkan energi kesalahan susun dan struktur pita elektronik. Energi kesalahan menggambarkan biaya energi dari gangguan tertentu pada kristal. Struktur pita elektronik menggambarkan tingkat energi yang dapat ditempati elektron, sehingga membantu menjelaskan alasan cacat yang berbeda memiliki perilaku optik yang berbeda.

Studi 2024 lebih dulu menggugat pemetaan lama

Studi inspeksi wafer sebelumnya, yang diterbitkan pada 1 Juni 2024 di Materials Science in Semiconductor Processing, memeriksa sekitar 50.000 kesalahan susun pada 70 wafer komersial. Studi itu juga memadukan pengukuran optik dengan pemeriksaan langsung terhadap struktur atom tertentu.

Penelitian tersebut menemukan satu kesalahan susun tipe Shockley (3,1) pada 424 nanometer, panjang gelombang yang sebelumnya dikaitkan dengan cacat Frank tipe (4,1). Para peneliti menelusuri cacat yang memancarkan cahaya pada kisaran 420 hingga 430 nanometer, tetapi tidak menemukan struktur (4,1) yang diperkirakan ada di sana.

Studi 2024 itu juga menetapkan ulang sinyal karakteristik kesalahan susun Frank intrinsik tipe (5,2) menjadi 482 hingga 484 nanometer, bukan 488 nanometer seperti yang dilaporkan sebelumnya. Struktur yang diperiksa pada kisaran tersebut sebagian besar merupakan kesalahan susun (5,2), bukan kesalahan susun Shockley tripel tipe (5,3) yang diperkirakan berdasarkan penetapan panjang gelombang terdahulu. Tidak ada kesalahan susun (5,3) yang ditemukan dalam survei tersebut.

Sinyal lain yang berdekatan menjadi lebih mudah dibedakan: studi itu mengukur kesalahan susun Frank multilapis tipe (4,2) pada 457 nanometer dan kesalahan susun Shockley kuadrupel tipe (4,4) pada 462 nanometer. Kalibrasi akurat dan pemeriksaan struktur secara langsung membantu membedakan cacat yang sinyal cahayanya hanya berjarak beberapa nanometer.

Survei terbaru mencakup hampir tiga kali lebih banyak wafer, 207 dibandingkan 70, dan sedikit lebih dari dua kali jumlah kesalahan susun yang tercatat, 104.439 dibandingkan sekitar 50.000. Kemajuannya juga spesifik: setelah pencarian sebelumnya tidak menemukan struktur (4,1) yang diperkirakan berada di dekat 424 nanometer, penelitian terbaru menghubungkannya dengan 459 nanometer.

Makalah ini juga merevisi klasifikasi kesalahan susun

Makalah Acta Materialia tersebut tidak hanya mengganti satu panjang gelombang. Makalah itu juga meninjau kembali klasifikasi kesalahan susun tipe Frank sebagai intrinsik atau ekstrinsik, istilah yang menjelaskan hubungannya dengan struktur kristal di sekitarnya.

Dengan menerapkan definisi kristalografi asli Frank, para penulis mengklasifikasikan kesalahan susun (3,2) yang banyak dibahas sebagai intrinsik, meskipun pembentukannya melibatkan penyisipan. Klasifikasi ditentukan oleh susunan kristal yang dihasilkan, sedangkan proses pembentukan menjelaskan bagaimana susunan tersebut terbentuk.

Pengamatan atom juga menunjukkan hubungan struktural antara kesalahan susun standar (5,2), (4,2), dan (4,1). Pengamatan ini mendukung salah satu kemungkinan jalur perubahan struktur tersebut dari satu bentuk ke bentuk lainnya. Memahami hubungan semacam ini dapat membantu peneliti menyelidiki alasan cacat tertentu muncul selama pertumbuhan atau pemrosesan material.

Para penulis menemukan bahwa notasi Zhdanov yang sama, yaitu label numerik untuk menggambarkan urutan susunan, dapat merujuk pada konfigurasi intrinsik maupun ekstrinsik di antara kesalahan susun nonstandar. Karena itu, susunan kristal di sekitarnya perlu diperhatikan untuk menafsirkan label tersebut.

Perhitungan mengidentifikasi perbedaan lebih lanjut pada kesalahan susun (1,1) dan (2,1). Karakteristik elektroniknya menyerupai bentuk silikon karbida 2H, sedangkan sebagian besar kesalahan susun yang diteliti menunjukkan keadaan yang menyerupai bentuk kubik 3C. Hasil ini menghubungkan kajian klasifikasi dengan penjelasan lebih luas dalam makalah tentang bagaimana perubahan susunan atom memengaruhi perilaku elektronik dan optik.

Publikasi, pengakuan, dan langkah praktis berikutnya

Penelitian ini diumumkan pada Oktober 2026. Pemberitaan mengenai pengumuman KERI menyebutkan tanggal 23 dan 25 Oktober. Studi tersebut dilaporkan terbit pada 8 September, sedangkan Acta Materialia mencantumkannya dalam volume 321, artikel 122747, bertanggal 1 Desember 2026.

Tonggak-tonggak utama ini menempatkan temuan terbaru dalam upaya penelitian yang berlangsung lebih dari dua tahun:

• 1 Juni 2024: Studi sebelumnya memeriksa sekitar 50.000 kesalahan susun pada 70 wafer dan menggugat sejumlah penetapan panjang gelombang yang telah diterima.
• 8 September 2026: Studi terbaru di Acta Materialia dilaporkan terbit, menghubungkan kesalahan susun standar (4,1) dengan 459 nanometer.
• Oktober 2026: KERI mengumumkan temuan dari penelitian lebih luas terhadap 207 wafer dan 104.439 kesalahan susun.
• 1 Desember 2026: Tanggal volume Acta Materialia yang memuat makalah tersebut.

Proyek ini mendapat dukungan dari Proyek Pengembangan Teknologi Pemajuan Semikonduktor Daya Senyawa Kementerian Perdagangan, Industri, dan Energi. Makalah tersebut diterima tanpa permintaan revisi dan diterbitkan dalam jurnal yang disebut berada di 5 persen teratas bidangnya menurut Journal Citation Reports.

Na juga menerima Honorable Mention dalam HORIBA Masao Award 2026 atas penelitiannya tentang analisis cacat SiC. Menurut KERI, ini merupakan pengakuan pertama dalam ajang tersebut bagi peneliti yang berafiliasi dengan lembaga penelitian Korea sejak penghargaan itu dimulai pada 2004.

Bagi produsen, tugas langsungnya adalah menilai bagaimana identifikasi yang direvisi ini dapat diterapkan dalam prosedur inspeksi yang ada. Klasifikasi yang lebih baik dapat membantu para insinyur melacak cacat hingga ke kondisi pertumbuhan atau pemrosesan, lalu menentukan perubahan yang perlu diuji. Manfaat yang diharapkan adalah jalur yang lebih akurat dari pendeteksian cacat hingga pemahaman dan pengendalian penyebabnya.

Poin-Poin Utama

• Kesalahan susun Frank standar (4,1) pada 4H-SiC memancarkan cahaya pada 459 nanometer pada suhu ruang, bukan 424 nanometer seperti yang ditetapkan selama ini.
• Penelitian ini mencakup 104.439 kesalahan susun pada 207 wafer komersial dari sembilan pemasok.
• Para peneliti memeriksa 176 spesimen sangat tipis dan memastikan struktur (4,1) pada enam dari sembilan cacat terarah yang memancarkan cahaya pada 459 nanometer.
• Perhitungan memperkirakan emisi pada kisaran sekitar 444 hingga 450 nanometer, mendukung sinyal di dekat 450 nanometer.
• Studi 2024 sebelumnya telah mengidentifikasi cacat berbeda, yakni satu kesalahan susun Shockley tipe (3,1), pada 424 nanometer.
• Temuan ini memberikan landasan ilmiah untuk meninjau panduan inspeksi IEC dan meningkatkan klasifikasi cacat.
• Na Moonkyung menerima Honorable Mention dalam HORIBA Masao Award 2026.