应用|共聚焦拉曼光谱在半导体材料分析中的应用：以Mg₂Si／bSi异质结构为例

　　01背景介绍

　　共聚焦拉曼光谱技术是一种基于激光散射效应的非破坏性分析手段，通过探测材料中分子键的振动模式，提供化学成分、晶体结构及应力分布等信息。其核心原理为：

　　1.激光激发：单色激光（如473 nm）聚焦至样品微区（空间分辨率<1 μm），激发分子振动；

　　2.拉曼散射：光子与分子振动耦合产生频移（斯托克斯/反斯托克斯散射），频移量对应特定化学键振动能量；

　　3.信号检测：共聚焦光路通过针孔过滤离焦信号，结合高灵敏度探测器（如CCD）获取高信噪比光谱。

　　02技术优势：

　　高空间分辨率：亚微米级定位能力，适用于半导体微区分析（如纳米结构、缺陷定位）；

　　非接触式检测：避免样品损伤，支持原位动态监测（如退火、应力加载）；

　　化学特异性：通过特征峰识别材料相变、掺杂浓度及晶格畸变。

　　在半导体行业中，共聚焦拉曼被广泛应用于晶圆质量监控、新型材料开发及器件失效分析。例如，在宽禁带半导体（如SiC、GaN）中检测缺陷态密度，或在二维材料（如MoS₂）中分析层间耦合效应。

　　1.文献案例：共聚焦拉曼在Mg₂Si/b-Si异质结构表征中的应用[1]

　　2.晶体相识别与化学键分析

图一.Mg2Si样品的代表性拉曼光谱，显示了晶体Si和Mg2Si的TO声子模式。

　　Si纳米锥的拉曼特征峰：520 cm⁻¹处尖锐峰对应单晶Si的横向光学声子（TO）模式，表明基底材料保持了高结晶性。

　　Mg₂Si的拉曼峰：140 cm⁻¹和380 cm⁻¹处的宽峰分别对应Mg₂Si的晶格振动和Si-Mg键的伸缩振动，证实了Mg₂Si的成功合成。

　　技术优势：共聚焦拉曼通过特征峰位置和强度，快速区分Si基底与Mg₂Si覆盖层，避免破坏样品结构。

　　应用意义：通过微区应力映射，优化真空蒸镀工艺参数（如退火温度），减少界面缺陷对光吸收性能的影响。

　　3.原位动态监测退火过程

　　通过共聚焦拉曼实时监测Mg薄膜退火（250–450°C）过程中的相变行为。

　　关键发现：330°C退火：观测到Mg₂Si特征峰强度达到最大值，与XRD结果一致（图2(a)），确认最佳退火温度。

图二.XRD图谱表明沉积的Mg2Si覆盖层具有(220)优选取向。

　　高温氧化风险：超过370°C时，拉曼光谱中未检测到Mg₂Si峰，取而代之的是MgO的宽峰（~600 cm⁻¹），表明氧化反应主导。

图三.优化黑色镁硅化物在退火温度的研究结果

　　技术优势：共聚焦拉曼的高温兼容性支持原位动态分析，为工艺参数优化提供实时反馈。

　　03 结论

　　共聚焦拉曼光谱凭借其高空间分辨率、化学敏感性和非破坏性，已成为半导体材料研发与器件优化的关键表征工具。在Mg₂Si/b-Si异质结构的研究中，该技术成功揭示了界面结晶质量、应力分布与光吸收性能的关联性，为开发高效太阳能电池材料提供了理论指导。结合机器学习算法与高光谱成像技术，未来共聚焦拉曼有望在半导体缺陷自动化检测和工艺智能调控中发挥更大作用。

显微共聚焦拉曼光谱仪

　　由贝拓科学自主研发设计生产的显微共聚焦拉曼光谱仪，内置多光谱仪具有可调焦距与高光谱分辨率，满足各种测量需求采用高灵敏度探测器，确保低光强下的高质量数据采集提供高空间分辨率和真正的共焦成像特性，显著提高图像清晰度支持多激发波长的自动切换，方便多样化样品分析配备多个探测器，提升数据采集速度与精度自动偏振功能，实现精确的偏振测量采用反射光路设计，支持宽光谱范围的有效测量光谱范围涵盖50~5000cm^-1。

参考文献

[1]来源：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.