[发明专利]一种半导体晶圆过剩载流子寿命空间分布的快速定量成像表征方法

权利要求书

1.一种半导体晶圆过剩载流子寿命空间分布的快速定量成像表征方法，其特征在于：运用函数发生器1产生的信号调制激光器2使其发出光强随时间呈正弦变化的激光，经过光束准直扩束系统3后形成光强均匀分布的大光斑入射半导体晶圆样品4并在其中产生浓度随时间呈同频正弦变化的过剩载流子，过剩载流子通过辐射复合所发出的同频正弦荧光信号动态图像由CCD5采样拍摄，放置于CCD5镜头前的长通滤波片6滤除激光器2所发出的激励光、允许荧光进入CCD5，所拍摄到的动态图像数据传输进入带有抓帧器的计算机7，以激光调制信号为参考信号，计算机7对CCD5的所有像素点的离散时域数据作数字锁相运算，将相位图像从噪声中提取出来；通过分析相位图像可以得到该晶圆过剩载流子寿命的定量空间分布。

2.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆过剩载流子寿命空间分布的快速定量成像表征方法，其特征在于：函数发生器1所产生的调制信号的频率应为低频，即满足准稳态近似ωτ1，其中ω为光强调制角频率，τ为待测硅晶圆的等效载流子寿命，同时，调制信号的直流分量应远大于交流分量，使得激光光强为一个小的交流信号叠加在一个大的直流背景上。

3.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆过剩载流子寿命空间分布的快速定量成像表征方法，其特征在于：激光器2所发出激光的光子能量应大于待测半导体晶圆材料的禁带宽度，从而可以激发过剩载流子；同时，激光器的光功率应足够高，在光斑扩束后对整个晶圆的激励光强满足载流子注入剂量的要求，该剂量要求由具体表征需求决定。

4.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆过剩载流子寿命空间分布的快速定量成像表征方法，其特征在于：从激光器2出射的激光束经准直扩束系统3后，形成光强均匀分布的大尺寸光斑，从而可以实现对半导体晶圆样品的均匀激励，即晶圆各处的入射光强一致。

5.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆过剩载流子寿命空间分布的快速定量成像表征方法，其特征在于：CCD5的感光波段选为待测半导体的荧光波段，一般为近红外CCD，且CCD5放置在晶圆背面，即激励光所在的另一侧，因此晶圆前表面对激励光的反射光无法抵达CCD5，而置于CCD5前的长通滤波片6可以进一步滤除杂散激励光，以保证CCD所拍摄到的图像为纯荧光图像。

6.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆过剩载流子寿命空间分布的快速定量成像表征方法，其特征在于：CCD5具有外部触发的功能，其帧率可调，且应满足奈奎斯特采样定理，即帧率大于激光调制频率的两倍，CCD5的拍摄触发序列信号由计算机7产生，且整个系统的同步控制由计算机7实现。

7.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆过剩载流子寿命空间分布的快速定量成像表征方法，其特征在于：CCD5获得的图像序列的整体时长应当为激光调制周期的整数倍，一般情况下，当激光调制频率设为1Hz的整数倍、图像序列的整体时长选为1s的整数倍时，该条件自然满足。

8.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆过剩载流子寿命空间分布的快速定量成像表征方法，其特征在于：计算机7以激光调制信号为参考信号、对图像序列每个像素点的离散时域信号作数字锁相运算，由此得到的每个像素点的相位值组成了该晶圆在该调整频率下的锁相相位图像，这里的相位应当理解为是荧光信号相对于同频参考信号的相位滞后。

9.根据权利要求1所述的一种半导体晶圆过剩载流子寿命空间分布的快速定量成像表征方法，其特征在于：利用公式即可由相位图像计算出等效载流子寿命图像，其中τ为待测硅晶圆的等效载流子寿命，为相位，ω为光强调制角频率，这里的等效载流子寿命应当理解为是综合了体复合、表面复合、Shockley-Read-Hall复合、辐射复合、Auger复合等所有该半导体晶圆中过剩载流子复合事件的整体复合寿命。