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技術文章

應用 | 共聚焦拉曼光譜在半導體材料分析中的應用

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應用 | 共聚焦拉曼光譜在半導體材料分析中的應用:以Mg?Si/b-Si異質結構為例


01
背景介紹
應用 | 共聚焦拉曼光譜在半導體材料分析中的應用


共聚焦拉曼光譜技術是一種基于激光散射效應的非破壞性分析手段,通過探測材料中分子鍵的振動模式,提供化學成分、晶體結構及應力分布等信息。其核心原理為:

1. 激光激發(fā):單色激光(如473 nm)聚焦至樣品微區(qū)(空間分辨率<1 μm),激發(fā)分子振動;

2. 拉曼散射:光子與分子振動耦合產(chǎn)生頻移(斯托克斯/反斯托克斯散射),頻移量對應特定化學鍵振動能量;

3. 信號檢測:共聚焦光路通過針孔過濾離焦信號,結合高靈敏度探測器(如CCD)獲取高信噪比光譜。


02
技術優(yōu)勢:
應用 | 共聚焦拉曼光譜在半導體材料分析中的應用


高空間分辨率:亞微米級定位能力,適用于半導體微區(qū)分析(如納米結構、缺陷定位);

非接觸式檢測:避免樣品損傷,支持原位動態(tài)監(jiān)測(如退火、應力加載);

化學特異性:通過特征峰識別材料相變、摻雜濃度及晶格畸變。

在半導體行業(yè)中,共聚焦拉曼被廣泛應用于晶圓質量監(jiān)控、新型材料開發(fā)及器件失效分析。例如,在寬禁帶半導體(如SiC、GaN)中檢測缺陷態(tài)密度,或在二維材料(如MoS?)中分析層間耦合效應。

1.文獻案例:共聚焦拉曼在Mg?Si/b-Si異質結構表征中的應用[1]

2.晶體相識別與化學鍵分析       

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圖一.Mg2Si樣品的代表性拉曼光譜,顯示了晶體Si和Mg2Si的TO聲子模式。

Si納米錐的拉曼特征峰:520 cm?1處尖銳峰對應單晶Si的橫向光學聲子(TO)模式,表明基底材料保持了高結晶性。

Mg?Si的拉曼峰:140 cm?1和380 cm?1處的寬峰分別對應Mg?Si的晶格振動和Si-Mg鍵的伸縮振動,證實了Mg?Si的成功合成。

技術優(yōu)勢:共聚焦拉曼通過特征峰位置和強度,快速區(qū)分Si基底與Mg?Si覆蓋層,避免破壞樣品結構。

應用意義:通過微區(qū)應力映射,優(yōu)化真空蒸鍍工藝參數(shù)(如退火溫度),減少界面缺陷對光吸收性能的影響。

3.原位動態(tài)監(jiān)測退火過程

通過共聚焦拉曼實時監(jiān)測Mg薄膜退火(250–450°C)過程中的相變行為。

關鍵發(fā)現(xiàn):

330°C退火:觀測到Mg?Si特征峰強度達到最大值,與XRD結果一致(圖2(a)),確認最佳退火溫度。

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圖二.XRD圖譜表明沉積的Mg2Si覆蓋層具有(220)優(yōu)選取向。


高溫氧化風險:超過370°C時,拉曼光譜中未檢測到Mg?Si峰,取而代之的是MgO的寬峰(~600 cm?1),表明氧化反應主導。

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圖三.優(yōu)化黑色鎂硅化物在退火溫度的研究結果


技術優(yōu)勢:共聚焦拉曼的高溫兼容性支持原位動態(tài)分析,為工藝參數(shù)優(yōu)化提供實時反饋。


03
結論
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共聚焦拉曼光譜憑借其高空間分辨率、化學敏感性和非破壞性,已成為半導體材料研發(fā)與器件優(yōu)化的關鍵表征工具。在Mg?Si/b-Si異質結構的研究中,該技術成功揭示了界面結晶質量、應力分布與光吸收性能的關聯(lián)性,為開發(fā)高效太陽能電池材料提供了理論指導。結合機器學習算法與高光譜成像技術,未來共聚焦拉曼有望在半導體缺陷自動化檢測和工藝智能調(diào)控中發(fā)揮更大作用。





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顯微共聚焦拉曼光譜儀
應用 | 共聚焦拉曼光譜在半導體材料分析中的應用

由貝拓科學自主研發(fā)設計生產(chǎn)的顯微共聚焦拉曼光譜儀,內(nèi)置多光譜儀具有可調(diào)焦距與高光譜分辨率,滿足各種測量需求采用高靈敏度探測器,確保低光強下的高質量數(shù)據(jù)采集提供高空間分辨率和真正的共焦成像特性,顯著提高圖像清晰度支持多激發(fā)波長的自動切換,方便多樣化樣品分析配備多個探測器,提升數(shù)據(jù)采集速度與精度自動偏振功能,實現(xiàn)精確的偏振測量采用反射光路設計,支持寬光譜范圍的有效測量光譜范圍涵蓋50~5000cm-1。





參考文獻

[1]來源:Shevlyagin, Alexander, et al. "Mg2Si is the new black: Introducing a black silicide with> 95% average absorption at 200–1800 nm wavelengths." Applied surface science 602 (2022): 154321.



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