【网络讲座】 光谱技术在半导体领域中的应用——Q&A集锦

10月23日，HORIBA科学仪器事业部举办了2015年的第6场网络讲座——光谱技术在半导体领域中的应用，涉及辉光、椭偏、拉曼技术。

除了HORIBA资深应用工程师，本讲座也非常荣幸邀请到了清华大学的王敬博士，他在新型硅基半导体材料与器件方面具备丰富的研究经验，在现场，他也与大家分享了拉曼技术在该领域中的应用。

辉光光谱
讲师：文豪（椭偏应用工程师）

Q：辉光放电的面积是多少？
A：辉光放电光谱的测试由选择的铜阳极面积决定，常规选择的是4mm的铜阳极，此外还有2mm、7mm、8mm供选择。

Q：这个面积内如果存在浓度分布不均的情况，测出来的值是不是平均浓度？
A：辉光放电光谱专注于元素在深度上的分布变化，如果样品本身在测试区域内的同一深度面上有差异，辉光只会提供该深度元素的平均信号。因为辉光在剥蚀样品时是一层层进行剥蚀并由探测器同步记录信号的。

Q：我看辉光图谱的横坐标是times，怎么跟深度转换？
A：要将横左边time换算成深度有两种方式：
1）已知各镀层厚度，并将这些数值告诉软件，软件会自动换算坐标，非常简单。
2）通过标准曲线换算，由于辉光放电光谱仪测试的是固体样品，因此标准曲线会与液体样品有所不同。公式为Cqm=kI，其中多了参数qm，也就是溅射速率（单位时间剥蚀样品的量）。可以通过与密度等公式共同代入计算出厚度。

Q：不同的样品溅射速率是一样的吗？
A：不同的材料溅射速度是不一样的，这与材料分子间的结合力强弱相关。

Q：溅射过程中的温度能达到多少？温度范围呢？
A：辉光放电光谱仪使用的是低压等离子体，由低流速的氩气产生的溅射离子在电场作用下飞向样品（阴极），到达样品时动能约为50eV。至于在样品实际分析过程中产生的温度与待分析材料相关。但无需担心样品在分析过程中过热被破坏。系统中有冷却系统，会将剥蚀样品产生的热量快速散去，所以测试后摸到样品温度是冷的。如果样品为有机物薄膜或是玻璃等材质，对温度非常敏感的材料，可以采用脉冲模式进行分析，即剥蚀过程是脉冲式的，散热会更加好。

Q：测试对样品是有损伤的吧？
A：辉光放电光谱仪是有损分析，分析后会在样品表面留下一个溅射坑。

Q：0.4%的分辨精度是什么概念？
A：是在基体分析时主要元素含量的RSD值。

Q：对样品表面精度有要求吗？
A：要求表面平整，但没有非常严格的要求。表面如果粗糙，反应在测试结果上就是深度分辨率较差，因为粗糙导致在剥蚀样品的面就是凹凸不平的。具体可在微信上注册下载《辉光光谱入门手册》，其中有具体解答。

Q：辉光可以测氢的同位素。氢在高温下迁移度很大，如何在测量中保证氢不迁移？到底测得的是何处的氢浓度？
A：此问题与问题5类似，在测试中剥蚀样品产生的热量会快速散去，不会让氢元素产生迁移。测试的氢是镀层中分布的氢，但如果是对氢元素进行准确定量还需考虑一下样品的制备。氢元素尺寸较小，特别容易从空气中渗透入样品，因此测试时考虑脱氢、样品储存等。

Q：如果是合金样品，需要表面抛光吗？
A：辉光放电光谱仪测试的样品通常无需预处理，预处理会破坏镀层结构。但如果您的合金样品不是镀层，仅是基体材料，可以通过抛光去除表面的锈蚀层或氧化层，使得基材元素分析更加准确。

Q：样品表面粗糙度应该要非常小吧，因为是根据深处测量的，所以表面不允许有凹凸坑的。制样有什么要求？
A：粗超度确实会影响镀层深度分析的深度分辨率。但对于粗糙度没有非常具体严格的限制，通常要求密封圈能够密封即可，如果样品粗糙度较大，密封圈无法密封还可以使用小样品附件辅助密封。具体可在微信上注册下载《辉光光谱入门手册》，其中有具体解答。

Q：深度分辨率能到多少？
A：佳深度分辨率由测试条件及表面粗糙度等因素决定，实际样品通常是几个纳米的深度分辨率，有用户曾测试到0.4nm的交替堆叠薄膜。

Q：对于薄膜掺杂元素均匀性问题，怎么表征和检测呢？
A：辉光放电光谱仪对不同元素检出限有所不同（根据元素发射谱线强度及波长等），但基本上是10ppm左右。要想测试薄膜掺杂元素，首先需要掺杂元素浓度高于检出限，其次是在深度上的掺杂变化。如果是平面上的掺杂变化需要微区分析手段，如拉曼、CL、AFM-Raman等技术。

椭圆偏振光谱仪：
讲师：文豪（椭偏应用工程师）

Q：你们用的拟合软件叫什么？如何购买？ 
A：拟合软件DeltaPsi2，软件购买可咨询我们当地的销售。

Q：你们的仪器能否测试退偏振？退偏振的存在说明样品本身的什么性质？
A：可以。UVISEL 采用的相调制技术能够测量&Psi;, &Delta; 和极化度。通过测量Is, Ic 和 Ic&rsquo;，DeltaPsi 软件能够计算得到极化度如下式：P = (Is)2 + (Ic)2 + (Ic&rsquo;)2 。当P=1 时，则样品没有出现退极化，当P<1 时，则样品出现退极化。
退偏效应可能产生于非相干背反射的透明材料、粗糙层、厚膜或者有图形的膜层、光谱分辨率不足、散射、非均匀厚度薄膜。这些效应可以通过测量极化度（或者退极化）来量化。

Q：一种全新的二维材料，不知道n，k值，能否测定带隙宽度？微光斑的尺寸能到多少？
A：可以。35&mu;m或25&mu;m。

Q：有两个问题，，有晶硅太阳能电池的应用实例吗？第二，那个在线检测能不能用在镀膜process的在线监测？
A：有。如下图所示，R2R在线检测可实现8m/s的转速，可参见微课堂第7期关于在线检测的应用。



拉曼光谱
讲师：王敬博士（清华大学微电子所副教授）

Q：弛豫是什么？
A：弛豫是指应变弛豫，用弛豫度来表示，弛豫度一般用百分数来表示。举例来说，对Si上生长的SiGe薄膜来说，当SiGe薄膜中完全没有应变时，说明其弛豫度是100%；而当其中的应变完全保持，则弛豫度为0，例如，对Si上生长50nm厚的SiGe薄膜，Ge含量（原子比）25%时，其理论上完全应变的应变度应该是1.05%，如果实测值为1.05%，则认为其弛豫度为0。

Q：一般测拉曼时激光达到样品时的温度是多少？
A：实际温度和激光的功率、物镜倍数、材料的导热性能等有密切关系。常规的显微拉曼测试时，如果没有用激光能量衰减功能，估计温度大约在50-200℃（我没有实际测试过）。

Q：PPT中介绍注入高能He后，好像材料出现新峰，其物理意义是何？注入造成晶格损伤空间群改变了？能再解释一下吗？
A：详情请参考OPTICAL MATERIALS EXPRESS，2013, 3(2), 126。实际上，631cm-1这个峰是LiNbO3材料的A1(TO)散射，这是一个Raman强度与晶向有关的峰，在文献中的实验条件下，原始样品的A1(TO)散射是不存在的，离子注入之后，晶格损伤严重，破坏了原有的晶向，A1(TO)峰出现。

Q：Raman同XRD测试应力的差别？弛豫度的单位是？ 
A：Raman和XRD测试应力的差别在于：
(1) Raman的测试精度不如XRD，这主要是因为Raman峰往往较宽，不容易准确地找到实际的峰位；
(2) Raman的优势在于可变换激光波长，从而测试较为表层的应力，例如，325nm激光对Si的穿透深度为10nm（也有文献说是4nm），那么，利用325nm的激光，就可以准确测试10nm厚的应变硅薄膜中的应力，而XRD的穿透深度往往达到微米量级；
(3) 用XRD测试应力时，往往要求测试非对称晶面的衍射，例如(331)，(224)晶面，这对设备要求比较高，一般老式的XRD不容易测试到。
弛豫度没有单位，一般用百分数表示。

Q：请问拉曼峰的半峰宽的物理机制是什么？
A：半高宽实际上反应的是材料中原子周期性排列的均匀性，只有均匀性好的排列，分子的键长是均匀的，其振动-转动时的能级才是均匀的，这时的半高宽就会很小。对于非晶材料来说，没有周期性排列，不能获得很窄的半高宽。

半高宽实际上也和表面粗糙度有关系，当激光波长很短而穿透深度很小时，比如穿透深度只有10nm，如果粗糙度达到5nm，半高宽就会明显增加。这主要是因为表面分子的非均匀性排列，分子的键长也会有明显变化，激光波长越短，则表面分子的影响越大。

Q：请教下，共聚焦拉曼光谱仪的空间分辨率较好，共聚焦光谱仪上的高倍数物镜的纵向焦深较短，但是可见激光本身在样品上的穿透深度又比较深，这两个因素中哪个是起主要决定作用的呢？
A：多数情况下，共聚焦的纵向焦深会起到主要的作用。当这二者差异越明显，共聚焦测试的效果往往越好。

Q：静水压下薄层二硫化钼材料拉曼峰半峰宽变大能不能说明有压致非晶化呢？还有加压之后压力达到几十万大气压峰强变得太低甚至消失能不能说明非晶化呢？
A：上面提到了半峰宽实际上反应了材料中原子周期性排列的均匀性。二硫化钼材料在静水压下峰宽变大还不能证明压致非晶化，我个人觉得，二硫化钼本身是一种固体润滑材料，层与层之间很容易滑动，静水压下造成部分分子滑动、或者材料的非均匀性形变可能是峰宽变大的原因。

对于加压到几十万大气压后Raman峰消失的原因，由于没有看到实验装置，这里不能给予明确答复。即便非晶化，Raman峰也往往是存在的，只不过会有展宽和位移。我个人感觉更多的可能是由于实验装置的原因造成拉曼峰消失。

Q：拉曼激发波长选择原则都有哪些？
A：拉曼光谱测试的是分子的振动能级差，理论上任何激发波长获得的拉曼发射谱都是相同的。但在实际测试中会遇到样品荧光背底、黑体辐射、测试深度的问题，就需要选择不同的激发波长以优化测试结果。

荧光背底：荧光的反射波长位置由样品本身决定，不会随激发波长的改变而改变，因此针对该类样品，选择的激发波长需避开荧光发射波段。

黑体辐射：根据黑体辐射通常出现的波长位置，一般建议选择较短波长避开。

探测深度：通常激发波长越短，激光穿透样品的深度也就越小，可以使用该特性测试层状样品不同深度的拉曼信号。

此外，同一样品采用两个激发波长测试，通过将横左边在波数和波长下对比还可以确认哪些峰是荧光峰，哪些是拉曼峰。

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