实验室显微光致发光偏振分析用于鉴别硅中的晶体缺陷

《Vacuum》：Laboratory Micro-Photoluminescence Polarization Analysis for Discriminating Crystallographic Defects in Silicon

　　

摘要

硅中位错相关发光的现象已有大量报道，但多数研究集中在缺陷集合体层面，而非单个缺陷的层级。本文采用室温微光致发光成像结合正交偏振分析，将硅中晶体学缺陷的光学响应与其局部结构进行关联。研究考察了由离子注入或外延生长过程中产生的缺陷，并将发光图谱与择优刻蚀及透射电子显微镜结果进行对比。在注入样品中，多个缺陷表现出明显的偏振各向异性，透射电镜显示这些特征在多例中对应于位错环状结构，包括闭合环和开放环。更广泛的调查发现，偏振更常与位错相关特征相关联，而非与层错相关特征。外延样品进一步表明，层错相关信号保持微弱且基本无偏振，而其它点状缺陷可能表现出偏振依赖的发射。总体而言，这些结果表明，偏振分辨微光致发光可为硅中的缺陷分类提供有用的局部描述符，结合结构显微技术，能够实现发光各向异性与晶体学缺陷几何形态之间更直接的关联。

引言

硅中位错相关光致发光长期以来被公认为扩展晶体缺陷的标志。对塑性变形和含位错的硅晶体的研究表明，D1–D4发光带源于位错相关的电子态。此外，该发光可表现出强烈的线性偏振，发射光通常沿位错线方向偏振或位于位错滑移面内。特别是，对含位错硅晶体、位错网络和晶片的测量一致表明，偏振态由辐射中心的各向异性特性及缺陷的晶体学取向决定。Suezawa、Sumino、Kveder、Kittler等人发表的研究报告[1]、[2]、[3]、[4]、[5]、[6]等表明，D线发射强烈依赖于偏振，且偏振可与位错结构的几何形态相关联。然而，现有证据多来自对缺陷集合体、位错网络或高度缺陷区域进行平均的光谱或图像，其中多个辐射中心同时贡献于测量信号。因此，偏振响应往往在缺陷群体层级而非单个可分辨缺陷层级上被解释。

近年来，室温光致发光成像技术实现了空间分辨的缺陷图谱，通过利用光谱滤波器增强与硅中缺陷态相关的弱亚带隙发射。Peloso [7]将该成像应用于多晶硅晶片，证实了含有位错的区域表现出强烈的偏振亚带隙电致发光。然而，由于这些测量的空间分辨率较差，导致无法识别产生所观测偏振的具体缺陷的结构。

在工业环境中，在线室温微光致发光成像已展示了该方法在微米尺度进行工艺监控和缺陷检测方面的价值。该工具的实验室平台结合偏振分析，为将偏振态与单个结构已识别的缺陷或小缺陷簇关联起来提供了可能。

本文采用一种局部方法，将微光致发光与偏振分析及互补的透射电子显微镜相结合，提供了发光各向异性与缺陷晶体学性质之间更直接的实验关联。

章节摘要

实验室室温微光致发光成像

缺陷表征使用Semilab公司的EnVision 2100完成，这是微光致发光成像工具的实验室版本，该工具已广泛应用于晶体缺陷的在线检测[8]、[9]、[10]。该工具通过绿色激光激发材料，实现对硅样品的非接触式光学检测。激发光通过物镜以正交方式照射到样品上。发射的红外光致发光经红外相机采集。集成的机械装置允许

微光致发光表征注入诱导缺陷

我们首先将微光致发光应用于注入硅样品，以评估其定位、分类晶体学缺陷并将其与光学响应关联的能力。光致发光图像揭示了丰富的亮特征，具有不同的形貌和光致发光强度（图1）。

基于阈值的算法可用于统计缺陷数量并根据其发射强度将其分配到不同类别。例如，在图1所示的采集结果中，双阈值

结论

本研究表明，偏振分析结合室温微光致发光可为硅中晶体学缺陷提供强大的局部探测手段。与以往主要基于缺陷集合体或高缺陷区域的早期研究不同，本文方法将光学响应与单个可分辨缺陷或小缺陷簇进行关联，且其结构由透射电镜独立验证。

在注入样品中，发光的偏振响应

CRediT作者贡献声明

Isabella Mica：撰写—审阅与编辑，撰写—原稿，方法学，形式分析，数据整理。Giovanni Rizza：方法学，形式分析，数据整理。Cristina Lenardi：验证，指导，方法学。Andrea Serafini：数据整理。Jacopo Frascaroli：撰写—审阅与编辑，指导，项目管理，形式分析，数据整理，概念构思

利益冲突声明

? 作者声明不存在已知的可能影响本文所报告工作的竞争性经济利益或个人关系。

Isabella Mica|Giovanni Rizza|Cristina Lenardi|Andrea Serafini|Jacopo Frascaroli

意法半导体，Via C. Olivetti 2，20864，Agrate Brianza，意大利