TWI477762B - 用於執行半導體材料的分析之方法及系統 - Google Patents

用於執行半導體材料的分析之方法及系統 Download PDF

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Description

用於執行半導體材料的分析之方法及系統 發明領域
本發明係有關於使用光致發光(photoluminescence)測量之半導體材料的特徵化，且特別有關於摻雜密度及少數載子壽命對於光致發光信號的效應之分離技術。本發明主要已被發展用於體塊(亦即，非晶圓)矽樣本之特徵化，但將瞭解本發明不限於此特定使用領域。
 發明背景
商用之以晶圓為基礎的太陽能電池係製成一般從10×10cm2 至22×22cm2 的矽晶圓。如第1圖所示，一鑄造多晶矽區塊2(亦稱為錠)-一般為1×1×0.7m3 尺寸-係被鋸成正方形(10×10cm2 至22×22cm2 )形狀的柱體4(常稱為磚)，然後被鋸成個別晶圓6，各晶圓一般為120至250μm厚。錠通常被鋸成4×4或5×5的磚。可利用用於生長多晶及單晶矽錠的不同技術，由多晶矽或單晶矽製成太陽能電池。
對於晶圓製造者而言，有意在晶圓切分之前將錠或磚的電子及結構性質予以特徵化。常習知使鑄造的多晶(mc)矽錠在錠的外側區中-亦即底部、頂部及側邊處具有位於矽內之增高的雜質濃度。在底部及側邊處，這是雜質從坩堝壁擴散入錠中之結果，而在頂部處則由錠結晶期間朝向往上移動的頂部液相之雜質的隔離作用予以造成。增高的雜質濃度之結果係為降低的電子材料品質，藉由一較低的 有效少數載子壽命所描述。第2圖以側視圖顯示一鑄造多晶矽錠中之一典型的有效少數載子壽命分佈，顯示位於中心之一大多為高有效壽命材料的區域8以及位於頂部、底部及側邊的低壽命區10。
現今用來將磚予以特徵化之實驗性技術係包括紅外線(IR)傳輸及少數載子壽命掃描。前者技術中，利用一部對於次帶隙頻譜範圍(對於矽，波長>1100nm)具敏感性之IR攝影機從不同方向測量經過磚之次帶隙光的傳輸，而提供關於諸如碳化矽(SiC)及氮化矽(Si3 N4 )等內含物的密度及位置之三維資訊。
存在數種用於測量有效少數載子壽命之實驗性技術，包括暫態及準穩態光電導(QSSPC)以及微波光電導衰減(μ-PCD)。這些技術係測量有效少數載子壽命，亦即一種受到體塊材料品質(亦即，體塊少數載子壽命)及表面復合兩者所影響之有效樣本特徵參數。特別是對於諸如切割現狀的晶圓等具有未鈍化表面之樣本，有效壽命通常強烈地受到表面復合所影響或主導。可利用上述方法在一掃描模式中、以人工或自動方式經由逐點掃描產生一地圖，藉以獲得關於有效壽命的側向變異-譬如位於一磚的一表面上-之二維資訊。在諸如QSSPC等部分案例中，經測量的有效壽命資料可利用體塊壽命與有效壽命之間的預定關係在一有限範圍上被轉換成體塊壽命資料。
有效少數載子壽命雖然是較容易測量的數量，體塊少數載子壽命卻是光伏應用的較重要數量，原因在於：(a)經 由移除低壽命表面材料及表面鈍化，表面復合的衝擊係在後續處理中被顯著地降低；及(b)體塊壽命-不像一未鈍化樣本上的有效壽命-係決定一完成的太陽能電池之電壓及電流兩者。特別是對於具有高表面復合之未鈍化樣本，因此務必能夠將一測量現狀的有效壽命轉換至體塊壽命。
少數載子壽命的另一重要態樣係為其對於注射位準之因變性(dependence)。體塊壽命係由各不同的復合機制所決定，包括瑕疵復合、輻射性復合及歐傑復合(Auger recombination)。經由這些機制之復合速率(recombination rate)係在少數載子的濃度中為非線性，因此體塊少數載子壽命本身依據少數載子的密度而定。因此，理想上，對於少數載子壽命的實驗性資料應被記載成注射位準的一函數，不論壽命受到面積平均化或空間性解析。然而，由於難以將資料表示為兩獨立變數(位置及注射位準)的一函數，常只對於各點的單一注射位準記載諸如壽命影像或壽命地圖等經空間性解析的資料。
升級冶金等級(UMG)的矽是一種有潛力在以矽晶圓為基礎的光伏構件中達成顯著成本降低之材料。UMG錠及磚之一項常觀察到的特徵構造係為從一錠底部發生至頂部之背景摻雜密度的一反轉，其係由於給料中出現顯著數量(密度)的磷及硼兩者所造成。由於這些摻雜物的不同隔離係數(segregation coefficient)，其併入晶體中的作用係以不同速率發生。結果，一般發現UMG錠係在底部為p-型且在頂部為n-型，其間具有一實質未摻雜或只極輕度摻雜之所謂“補 償區”。由於來自該區的晶圓及來自該區上方的n-型晶圓無法使用在通常採用p-型晶圓的習見絲網列印式太陽能電池生產線中，需要一種用於快速獲取關於過渡區的位置及形狀之資訊的方法。
在名為“用於檢查間接帶隙半導體結構之方法及系統”且併入本文中以供參考的公開PCT專利申請案No WO2007/041758 A1中已經描述利用光致發光(PL)成像來測量矽晶圓的有效壽命之能力。半導體材料上的PL成像之可測量發光強度係由自發性發射率rsp 所決定，一般可假設其在電子(n)與電洞(p)濃度的乘積中為線性，亦即，rsp =B*n*p，其中B是文獻中稱為輻射性復合係數之比例因子。在矽樣本上、特別是未鈍化表面上之PL成像應用中，一般滿足了低位準注射的條件，其表示過度少數載子濃度△n顯著地小於背景摻雜密度Nd ，亦即，△n<<Nd 。在此例中，總少數載子密度係給定為被△n很良好地逼近，且多數載子密度給定為被Nd 很良好地逼近。結果，所發射的發光係與過度少數載子密度及背景摻雜密度成正比，因此，rsp =B*△n*Nd 。準穩態條件下，亦即其中產生與復合速率相等，有效少數載子壽命係與產生速率G成反比且與少數載子密度成正比，因此τeff =△n/G，其導致rsp =B*G *τeff *Nd 。在特定照射強度(亦即對於給定的G)下的自發性發射率及因此包括PL強度藉此係與有效少數載子壽命及摻雜密度的乘積成正比。
先前的PL成像應用中，已經描述摻雜密度對於PL強度之影響，但作出樣本區域上方具有側向恆定的背景摻雜密 度之隱含假設。譬如，在2008年美國維爾的第18屆晶矽太陽能電池及模組工作坊-卓普克(T.Trupke)、巴杜斯(R.A.Bardos)及奈忽思(J.Nyhus)的“矽晶圓及矽太陽能電池之光致發光特徵化”中，已經討論不同樣本之間的背景摻雜密度對於絕對發光強度的影響以及其對於PL影像的校準之衝擊。對於許多常用的矽晶圓(譬如習見的鑄造多晶性晶圓)，背景摻雜密度橫越樣本區域為側向恆定之假設係充分合理，而容許在其中使樣本的表面性質(紋理化及抗反射塗覆)呈現充分均質之所有案例中就過度少數載子密度△n的側向變異來詮釋PL影像。
然而，卻有數型樣本，其中具有一側向恆定的背景摻雜密度之假設並不合理。其包括：
(i)常見多晶矽磚或錠的側邊斷面。在典型的多晶矽磚及錠內常會具有顯著的摻雜密度變異ND (x)。許多案例中，摻雜密度沿著生長方向的變異可由薛爾方程式(Scheil equation)作描述，其係考量摻雜物在固體化的矽鑄造區塊的兩相態中之熱力勢(thermodynamic potential)所導出：
此方程式中，Keff 是主導摻雜物原子及晶體主質的係數特徵，而x是.磚或錠內的相對高度(x=0對應於底部，x=1對應於頂部)。譬如，對於一典型25cm高的硼摻雜(p-型)矽錠或磚，摻雜密度典型係從底部至頂部相對增加30%至40%。
(ii)UMG矽磚或是其他刻意或意外摻雜補償式錠或磚的側邊斷面。觀察到有效摻雜密度的強烈變異，具有一從有效p-型摻雜至n-型摻雜之過渡區。
(iii)來自UMG磚的晶圓。因為接近結晶前鋒之一典型彎曲式固-液介面，從p-型至n-型的過渡區並未嚴格平行於使晶圓自錠被切割的方向。來自接近過渡區之晶圓因此將在各晶圓內顯示出摻雜密度的強烈變異，其部分甚至在單一晶圓內顯示出從p-型至n-型之一過渡。
(iv)來自柴式(Czochralsky：Cz)生長單晶錠之垂直樣本。背景摻雜密度的垂直變異係將出現在從矽錠或者從此等錠垂直地切割的晶圓上所取得之PL影像上。
(v)單晶晶圓-特別是n-型Cz晶圓-常展現出摻雜密度之圓形變異(條紋)。由於有效壽命係為表面受限式並因此幾乎橫越晶圓區域呈現恆定，在未鈍化晶片上所取得之發光影像中可特別清楚看見這些作用。因此即使摻雜密度的小幅變異，亦清楚可見於發光影像中。
(vi)具有可能變成主流之研發中的各種不同其他新穎及較新奇類型的矽錠製造製程。範例包括BP太陽能(BP Solar)的鑄造“單晶”製程及穆托(Muto)的直接化學形成製程。各種用於製作晶矽區塊之新製程皆將具有摻雜物濃度及壽命變異上的特性。
若不再採行一恆定的背景摻雜密度，一PL影像中的強度變異係由1)摻雜密度及2)有效少數載子壽命的乘積所決定。為了得到關於這兩數量的一者之空間性變異的可靠資訊，因此需對於可直接測量或推論之其他數量的絕對或相對變異，將PL信號予以矯正或正規化。
 發明概要
本發明之一目的係在於克服或改善先前技術的至少一缺點，或提供一有用的替代方式。本發明在其較佳形式中之一目的係提供經改良之利用光致發光測量來特徵化半導體材料、特別是體塊矽樣本的方法。
根據本發明的第一態樣，提供一用於執行一半導體材料的一分析之方法，該方法包括下列步驟：(a)激發該材料以產生光致發光；(b)測量從該材料所發射的光致發光之強度；(c)相對於該材料的背景摻雜密度之變異來正規化該經測量的光致發光強度，以獲得一經正規化的光致發光強度；及(d)就該材料的一或多項性質，分析該經正規化的光致發光強度。
較佳地，材料的一實質區域受到激發，且測量步驟係成像從該區域所發射之光致發光。較佳實施例中，材料係為一矽錠或一矽磚，且該方法被施用至該錠或磚的至少一側邊斷面。一較佳形式中，實驗性測量背景摻雜密度。或者，背景摻雜密度係被實證式決定或利用一理論性關係作計算。較佳地，經正規化的光致發光強度係被詮釋為材料的有效少數載子壽命之一測量。或者，經正規化的光致發光強度係利用體塊壽命與經正規化的光致發光強度之間的一預定理論性關係被轉換成材料的體塊少數載子壽命之一測量。較佳實施例中，該理論性關係被施用至具有類似表面製備之該材料的多重樣本。其他較佳實施例中，該性質係為材料中的差排之面積或容積密度。
根據本發明的第二態樣，提供一用於執行一矽錠或磚的一分析之方法，該方法包括下列步驟：(a)激發該矽錠或磚的至少一側邊斷面之至少一部分以產生光致發光；(b)獲得從至少一側邊斷面之該至少一部分所發射的光致發光之至少一影像；(c)就該矽錠或磚中之差排的面積密度之變異來詮釋該至少一影像。
一較佳形式中，從錠或磚的不同側邊斷面所獲得之光致發光影像係被分析以獲得隨後從錠或磚被切割的晶圓內之差排的一估計面積密度。另一較佳形式中，使用至少一光致發光影像來突顯具有不足以生產晶圓的品質之錠或磚的區。
根據本發明的第三態樣，提供一用於執行一矽錠或磚的一分析之方法，該方法包括下列步驟：(a)激發該矽錠或磚的至少一側邊斷面以產生光致發光；(b)獲得從該至少一側邊斷面所發射的光致發光之至少一影像；(c)詮釋該至少一影像以識別該錠或磚內之低有效及/或體塊少數載子壽命區。
根據本發明的第四態樣，提供一用於執行一半導體材料的一分析之方法，該方法包括下列步驟：(a)激發該材料的一部分以產生光致發光；(b)測量從該部分所發射的光致發光之分佈；(c)相對於橫越該部分的有效少數載子壽命之變異來正規化經測量的光致發光分佈；及(d)就橫越該部分的該材料之背景摻雜密度的變異，分析經正規化的光致發光分佈。
較佳地，材料係為一矽錠或一矽磚，且該方法被施用至該錠或磚的至少一側邊斷面。該部分較佳係為一線掃描或一二維區域的形式。該方法較佳被施用至升級冶金等級矽的一錠、磚或晶圓。較佳地，光致發光的分佈中之一最小值的位置係被配合，以獲得升級冶金等級矽的給料中之施體及受體濃度的比值。一較佳形式中，省略了相對於有效壽命的變異作正規化之步驟，且就背景摻雜變異來詮釋光致發光分佈。較佳地，利用光致發光分佈中之一最小值的位置來識別升級冶金等級矽中從p-型至n-型的一過渡區之位置。
根據本發明的第五態樣，提供一用於執行一矽錠或磚的一分析之方法，該方法包括下列步驟：(a)獲得該矽錠或磚的至少一側邊斷面之至少兩光致發光測量，該等至少兩光致發光測量係以不同的偵測波長頻帶獲得；(b)計算該等光致發光測量的至少兩者之間的強度比值；及(c)利用一預定理論性關係將該等強度比值轉換成體塊壽命或體塊擴散長度。較佳地，不同的偵測波長頻帶係由一或多個介電濾器提供，且該方法進一步包含對於一或多個介電濾器的傳輸之角度性變異來正規化光致發光測量或強度比值之步驟。
根據本發明的第六態樣，提供一用於執行一矽錠或磚的一分析之方法，該方法包括下列步驟：(a)獲得該矽錠或磚的至少一側邊斷面之至少兩光致發光測量，該等至少兩光致發光測量的光致發光係以不同的激發波長產生；(b)計 算該等光致發光測量的至少兩者之間的強度比值；及(c)利用一預定理論性關係將該等強度比值轉換成體塊壽命或體塊擴散長度。
本發明的任何上述態樣中，較佳係利用光致發光測量或影像作為晶圓生產中的一切割引導或者作為晶圓生產中的一引導以將晶圓分類至品質倉中。或者，利用從該方法獲得的資訊來改良矽磚或錠的製造，或決定從該材料衍生之晶圓的價格，或獲得矽晶圓生產中的給料品質之回饋。
根據本發明的第七態樣，提供一用於執行一半導體材料的一分析之系統，該系統係包括：一光偵測單元，其用以獲得從該材料的一表面所產生之光致發光的至少一影像或線掃描；及一處理器，其用以相對於橫越該表面之背景摻雜密度的變異來正規化經測量的光致發光強度，且用以就該材料的一或多項性質來分析經正規化的光致發光強度。
根據本發明的第八態樣，提供一用於執行一矽錠或磚的一分析之系統，該系統包括：一光偵測單元，其用以獲得從該矽錠或磚的至少一側邊斷面所產生之光致發光的至少一影像或線掃描；及一處理器，其用以就該矽錠或磚中之差排的面積密度之變異來詮釋該至少一光致發光影像或線掃描。
根據本發明的第九態樣，提供一用於執行一矽錠或磚的一分析之系統，該系統包括：一光偵測單元，其用以獲得從該矽錠或磚的至少一側邊斷面所產生之光致發光的至 少一影像或線掃描；及一處理器，其用以詮釋該至少一光致發光影像或線掃描以識別該錠或磚內之富含瑕疵低有效及/或體塊少數載子壽命區。
根據本發明的第十態樣，提供一用於執行一半導體材料的一分析之系統，該系統包括：一光偵測單元，其用以獲得從該材料的一表面所產生之光致發光的至少一影像或線掃描；及一處理器，其用以相對於橫越該表面之有效少數載子壽命的變異來正規化該影像或線掃描的各部份中之經測量的光致發光強度，且用以就橫越該表面之背景摻雜密度的變異來分析該經正規化的光致發光影像或線掃描。
根據本發明的第十一態樣，提供一用於執行一矽錠或磚的一分析之系統，該系統包括：一光偵測單元，其用以獲得從該矽錠或磚的至少一側邊斷面所產生之光致發光的至少兩測量，該等至少兩測量係以不同的偵測波長頻帶獲得；及一處理器，其用以計算該等測量的至少兩者之間的強度比值，且用以利用一預定理論性關係將該等強度比值轉換成體塊壽命或體塊擴散長度。較佳地，該系統係進一步包括一或多個用以提供不同偵測波長頻帶之介電濾器，其中處理器進一步組構為對於一或多個介電濾器的傳輸之角度性變異來正規化測量或強度比值。
根據本發明的第十二態樣，提供一用於執行一矽錠或磚的一分析之系統，該系統包括：第一及第二激發單元，其發射第一及第二波長用以從該矽錠或磚的至少一側邊斷面產生光致發光；一光偵測單元，其用以獲得以該等第一 及第二激發波長所產生之光致發光的第一及第二測量；及一處理器，其用以計算該等第一及第二測量之間的強度比值，且用以利用一預定理論性關係將該等強度比值轉換成體塊壽命或體塊擴散長度。
較佳地，根據本發明第七至第十二態樣的任一者之系統係進一步包括：一光學源，其發射具有比矽或該半導體材料的帶隙更長之波長的光；及一偵測器，其用於測量該光經過該矽或半導體材料之傳輸。
本發明第七至第十二態樣的任一者中，光偵測單元較佳包括一矽攝影機。或者，光偵測單元包括一InGaAs攝影機。
根據本發明第十三態樣，提供一系統，當用來實行根據本發明第一至第六態樣的任一者之方法時。
圖式簡單說明
熟習本發明相關技藝者將連同附圖從申請專利範圍及示範性實施例的後續描述得知本發明的利益及優點，其中：第1圖顯示矽錠鋸成磚及晶圓的作用；第2圖是顯示有效少數載子壽命的典型變異之一矽錠的橫剖側視圖；第3圖顯示一習見鑄造多晶p-型矽磚的側邊斷面之一PL影像；第4圖顯示一多晶UMG矽磚的側邊斷面之一PL影像；第5(a)及5(b)圖顯示對於兩不同激發波長(以不同吸收係數代表)及對於體塊壽命的不同數值之對於一15cm厚矽磚所計算的過度載子密度輪廓； 第6圖顯示對於一15cm厚矽磚(圓形)及一200μm厚矽晶圓(正方形)之經正規化的PL計數率(count rate)及體塊少數載子壽命之間的理論性關係；第7圖顯示對於一15cm厚矽磚、對於在兩不同頻譜區所測量的PL之經偵測的PL強度vs.體塊壽命之繪圖，暨強度比值；第8(a)至8(e)圖顯示一p-型矽磚的側邊斷面之一原始PL影像(第8(a)圖)轉換至一體塊壽命影像(第8(e)圖)；第9圖顯示對於藉由兩不同激發波長從一15cm厚矽磚所產生的PL之強度比值vs.體塊壽命的繪圖；第10圖顯示從第4圖所示的磚底部至頂部之PL強度的一線掃描，暨經計算的有效摻雜密度；第11圖顯示來自一延伸樣本的PL發射如何以一入射角範圍遭遇一光學濾器；第12(a)至12(d)圖及第13(a)至13(d)圖顯示介電濾器傳輸對於入射角的因變性之一PL強度比值影像的矯正；及第14(a)及14(b)圖顯示對於在兩不同頻譜區中所測量的PL之一強度比值影像(第14(a)圖)轉換至一體塊壽命影像(第14(b)圖)。
 較佳實施例之詳細說明
現在將參照附圖，僅藉由範例來描述本發明的較佳實施例。
本發明主要係有關被切成晶圓前之“體塊”矽樣本(譬如 磚或錠)上的PL成像測量。揭露了相較於晶圓而言，對於從磚上的PL影像提取體塊壽命資訊之特定優點。本發明係詳述下述主要概念，其以下列順序作更詳細的描述：
1)利用關於背景摻雜及其空間性變異的資訊來正規化PL影像並藉此獲得有效或體塊壽命變異之較精確的量化資訊。揭露了對於體塊壽命影像的決定相較於晶圓測量而言在磚/錠上的PL成像之特定利益，特別是在一遠為更寬範圍的體塊壽命數值上及一經良好界定的注射位準獲得體塊資訊之能力。
2)PL強度的相對變異-即使對於背景摻雜的變異並未作正規化-係常足以識別諸如低壽命區及高差排密度區等特定重要的樣本特徵構造。
3)利用不同實驗性條件下所取得的PL影像之組合，諸如不同照射或偵測波長或兩者，可消除摻雜變異的影響，而容許強度比值與諸如體塊少數載子壽命或體塊擴散長度等體塊材料數量之直接交叉相關。在名為“利用發光來決定少數載子的擴散長度之技術”且併入本文中以供參考之公開的PCT專利申請案No WO 2008/014537 A1中雖已經揭露採用不同的偵測波長，當此方式被施用至矽磚或錠上所取得的PL影像時，部分特定且先前未揭露的優點亦可適用。
4)由於PL影像顯示出有效壽命與背景摻雜的乘積之事實，係能夠在對於少數載子壽命的變異將經測量PL信號正規化之後得到關於樣本內之背景摻雜的相對或絕對變異之資訊。特定案例中，一測量現狀的PL影像係顯露出關於無 此正規化的摻雜變異之重要資訊。
5)對於體塊矽樣本的PL分析使得體塊壽命對於注射位準之因變性被顯著地簡化。PL影像通常以空間性恆定的照射強度作測量，所以在一矽晶圓上所取得之相同影像內的不同壽命數值係被記載於不同的注射位準。在對於PL成像的典型激發條件下，該情形對於體塊矽樣本(諸如磚)上所取得的壽命測量則有驚人的不同。此等測量可容許在空間性恆定的照明內所取得之單一影像中及一經良好界定的恆定平均注射位準，測量一顯著範圍內的壽命數值。
本發明的PL技術係可特定應用在晶圓化之前的矽磚及錠之特徵化。特定應用係包括一磚內的差排密度之決定，一磚的側邊斷面上之體塊壽命影像的獲取，高雜質濃度所造成之一錠內的低壽命區的區位化及量化，及經補償或UMG矽磚或晶圓中的摻雜過渡區之測量。如下文更詳細地說明，磚及晶圓的製造者可譬如使用此資訊來改良錠的製造條件，或作為對於錠、磚或晶圓之一切割或分類引導。該PL技術亦可與紅外線技術(描述於上文)合併以提供關於磚的結構性及電子性質之更完整資訊。一新的實驗性系統可將PL成像及紅外線傳輸合併在一工具中，其可在製造期間使用於磚的一或多個表面之離線特徵化或抽樣或者使用於線上特徵化。
PL測量可如何用來改良錠的製造條件或作為對於磚或晶圓的一切割/分類引導之範例係包括UMG磚的差排分佈、低壽命區、體塊壽命及經補償區之成像，而容許將瑕 疵區拋棄或改善製造條件。參照第2圖，若一錠之低壽命區10的較大部份在切割期間被拋棄則可能產生較少個磚，而生成較小數量的磚但這些磚將具有較好品質。
第3圖顯示一習見鑄造p-型磚的側邊斷面上之一PL影像的一範例，顯露出具有高及低差排密度的區(分別是暗區12及亮區14)，而容許估計將從該磚被切割之晶圓內的差排密度。利用不只一個磚斷面上所取得的PL影像，可獲得後續晶圓中之差排密度的一較可靠估計。此分析可與適當影像處理演算法的施加合併進行。一磚的側邊斷面上之一或數個PL影像係將提供關於富含差排區域的位置之資訊，並可容許晶圓製造者簡單以晶圓化之前來自磚上所取得的PL影像之資訊及磚內的晶圓位置之知識為基礎即可將晶圓分類至品質倉(包括一剔退倉)中。該資訊亦可對於一晶圓製造者提供給料品質的快速回饋。
一UMG矽磚的一側邊斷面之一PL影像係顯示於第4圖。接近影像頂部可見之暗帶16(對應於接近磚頂部之一區)係代表具有實質為零摻雜密度之p-型至n-型過渡區。PL影像可因此用來快速地獲得關於過渡區的位置之資訊，而容許磚的該部份被移除(由於其無法用來製造太陽能電池)並從n-型晶圓分離出p-型晶圓。PL影像中之暗帶的位置亦可與模型模擬合併用來計算給料中之摻雜原子濃度的比值，如下文描述。
從一磚的底部及頂部被切割之晶圓、及由於來自坩堝壁的雜質導致在邊緣周圍含有低壽命區之晶圓係可能產生 低效率太陽能電池。如第3圖所示，低壽命區10在一PL影像中呈現陰暗，所以一磚的側邊斷面上之一或數個PL影像將提供關於富含雜質區域的位置之資訊並可容許晶圓製造者簡單地以晶圓化之前來自磚上所取得的PL影像之資訊及磚內的晶圓位置之知識為基礎將晶圓分類至品質倉(包括一剔退倉)中。
晶圓製造者可使用磚的側邊斷面上之體塊壽命影像以供比起未校準或有效壽命的變異所可能者具有更高效率且更可靠之製程監測及控制。任何此處揭露的方法所獲得之體塊壽命測量均可用來作為一用於製程最適化及除錯之研發(R&D)工具。亦可利用從磚上的測量獲得之體塊壽命資訊以其在磚內的位置為基礎將晶圓分類至不同的品質倉中。此分倉可以從錠的一或多個側邊斷面上所取得之一或多個PL影像獲得的資訊為基礎。亦可利用體塊壽命資訊提供給料品質之快速回饋。
用於擷取PL影像的一般概念係描述於上述公開的PCT專利申請案No WO 2007/041758 A1中。PL成像的基礎係在於：一樣本的一實質區域係由適合從該樣本激發光致發光之光所照射，而從經照射區域及/或從周遭區域發射的光致發光係以一諸如矽CCD攝影機等多像素偵測器所成像。因此其將與遠為更慢的PL成像技術作區分，後者譬如描述於美國專利案No 7,113,276中，其中藉由橫越一樣本表面逐點掃描的一經聚焦雷射束來產生光致發光。應注意經照射及經成像區域不需重合；如名為“非均質性激發之材料或裝置 特徵化”且合併於本文中以供參考的PCT專利申請案No PCT/AU2010/000577所揭露，譬如，照射一樣本表面的一或多個經選擇區並將從鄰近的未經照射區且亦從經照射區發射之光致發光予以成像可能係為有利的方式。
若想要觀察諸如差排或高雜質區域等特徵構造的二維分佈，PL成像可能有用。然而，對於諸如矽磚或錠等大型試樣，想要獲得相關區域的單一PL影像可能係不切實際或根本不可能，且因此可能需要縫合兩或更多個個別影像以形成一複合影像。譬如，若可取得的光源具有不足以充分強度照射所需要區域的功率、或是若需要比單一影像所可能者更高之空間性解析度，則可能需要此縫合。為了獲取一複合影像，需相對於彼此掃描樣本及照射/偵測系統。可能的掃描方法係包括：“步進及成像”，其中一小面積段被成像且樣本或成像器被移動至下段上；“掃描及成像”，其中成像器係測量一固定的小面積單元但持續動作相對於樣本來回掃掠；或“掃掠成像”，其中譬如一線成像器，樣本的完全寬度相對於樣本被縱長式移動。可利用適當的影像處理以自動方式實行縫合。使用於此說明書時，“PL影像”因此係包括單一PL影像以及從兩或更多個個別影像所產生的複合影像。
其他情況中，可能不需要獲得二維PL影像。譬如，若待測量的數量只在一方向顯著地變動，諸如一矽磚或錠中的摻雜密度，一PL線掃描時常將已足夠。可譬如以一線攝影機在單一框幅中、或藉由在該所需要方向橫越樣本表面 掃描一點源來獲取一PL線掃描。亦具有其中單一PL測量將已足夠之情況，譬如用以獲得一特定區域上方之一數量的一平均測量。此說明書中，創新的原理主要係對於PL區域成像作描述，但應瞭解其亦適用於其他形式的PL測量，包括線掃描及單點。
1)來自PL成像之磚及錠中的體塊壽命之決定
磚及錠的體塊壽命影像係以下列順序從PL影像獲得：
(i)測量一PL影像；
(ii)將各像素中的經測量PL計數率(count rate)(或強度)轉換成一經正規化的計數率(或強度)PLnorm ，其相對於空間性背景摻雜密度變異被正規化並選用性地亦相對於諸如曝露時間、像素分倉(亦即在X方向被分倉的像素數乘以在Y方向被分倉的像素數)、入射光強度及收集光學件效率等測量參數的變異被正規化。
(iii)利用一預定的理論性或實證性關係將所產生之經正規化的影像轉換成一絕對體塊壽命影像。
步驟(i)已描述於上述公開的PCT專利申請案No WO2007/041758 A1中，並包括藉由縫合相同樣本表面的不同部份上所取得之兩或更多影像來生成一複合PL影像的可能性。
步驟(ii)可以對於背景摻雜密度之實驗性資料進行，或者若背景摻雜密度在生產中充分可預測，則以理論性或實證性關係為基礎。在單一摻雜的矽(亦即，含有一主導類型的摻雜原子之p-型或n-型矽)中，可利用對於電子及電洞活 動力的列表資料從電阻係數測量獲得背景摻雜密度，以將電阻係數轉換成摻雜密度。電阻係數可藉由包括接觸測量(四點探針)及非接觸測量(譬如感應線圈，渦電流，表面電壓)等數種方法作測量。這些技術(及其他技術)當在一掃描模式進行時或利用位居不同位置的不只一個感測器、或者藉由其一組合，可提供關於摻雜密度之空間性解析的資訊。為了縮短測量時間，摻雜密度的一二維分佈可以粗糙空間性解析作測量，其隨後用來在資料的適當內插或外插之後將PL影像予以正規化。由於長範圍電阻係數變異比起小尺度/短範圍變異更常見，關於背景摻雜密度之粗糙空間性資訊在許多實用案例中已經足夠。
或者，在錠或磚的側邊斷面之案例中，由於最強烈的相對變異主要只發生於一方向、譬如從一錠或磚的底部至頂部，從頂部至底部之摻雜密度的一或多個線掃描可能已經足夠。
另一替代方式中，經測量的摻雜密度變異可以一期望理論性關係(譬如薛爾方程式(Scheil equation))被配合，且然後對於來自該方程式的各像素計算出橫越整體樣本區域的摻雜變異。構成配合的基礎之實驗性資料係可為一二維地圖或是一或多個線掃描或甚至只是一或多個橫越表面的單一測量點。可藉此避免在實驗性資料中所難免之對於摻雜密度資料中的雜訊分析之影響。此外，諸如渦電流技術等部分測量技術係在接近樣本邊緣處的經測量電阻係數中產生人工物。此等案例中，實驗性資料將需要矯正這些人工 物或自未被人工物所影響的區域外插資料。因此在任何案例中皆需要一些配合及外插常式。
又另一替代方式中，根本未進行摻雜的測量，且僅從一理論性關係或從統計性/實證性生產資料來決定摻雜密度的變異。
不論採用什麼實驗性或理論方法來決定摻雜密度，利用該資訊、連同測量時間、像素分倉設定以及(若是改良的精確度需要的話)入射照射強度及收集光學件效率的變異(實驗性測量或模型模擬)將經測量的PL資料轉換成PLnorm 。所產生的經正規化PL資料係表示橫越影像區域的有效少數載子壽命之相對變異。
步驟(iii)，可以一實證性決定的關係PLnorm =fempirical (τbulk )為基礎來進行經正規化的PL強度PLnorm 轉換成體塊壽命τbulk 的作用，其可藉由部分其他手段相對於該等相同樣本上所獲得的體塊壽命資料校準來自一或多個樣本的實驗性經正規化PL資料所獲得。可施加用於測量有效壽命之技術(諸如QSSPC)-體塊與有效壽命之間具有已知關係-以獲得體塊壽命資料。可在表面鈍化之後於一校準樣本上進行這些其他測量技術以具有更可靠的結果。或者，可使用一經鈍化樣本上所取得之一經校準的PL影像作為參考體塊壽命資料以供決定實證性關係。如上文所討論，注射位準對於體塊壽命具有重要衝擊，所以PL資料的校準vs.任何其他技術係需以兩測量處於相同或相似注射位準下進行。
除了體塊壽命及摻雜密度外，影響來自一未鈍化矽磚 的經偵測PL強度之主要變數係為樣本的表面性質，確切來說是表面紋路、反射係數及鋸切誘發的表面損害之深度及嚴重性。實際上，由於可預期表面性質係充分類似，可在一生產線的相同階段對於磚/錠使用相同的實證性關係PLnorm =fempirical (τbulk )。然而，可能須在不同生產階段(譬如，經拋光的磚vs.切割現狀的未拋光磚)對於錠/磚決定分離的實證性關係。生產中，在一特定處理階段對於樣本的校準交叉相關PLnorm =fempirical (τbulk )可能須以一規律性基礎作檢查及更新。
亦可以一預定理論性關係PLnorm =ftheoretical (τbulk )為基礎來進行經正規化的PL強度轉換成體塊壽命之作用。此關係的計算係以對於給定照射條件分析式或數值式計算樣本內的深度因變性少數載子密度△n(y)為基礎，其中y是相距該表面之距離。第5(a)及5(b)圖顯示對於激發光的兩不同吸收係數(表示有不同的激發波長)之一15cm厚矽磚中的載子輪廓。各圖形中，對於體塊少數載子壽命的三個數值顯示深度因變性載子密度：τbulk =10μs(繪圖18)；τbulk =100μs(繪圖20)；及τbulk =1000μs(繪圖22)。可利用對於過度載子密度的分析性模型或諸如DESSIS或PCID等數值性模型模擬套裝軟體進行此等計算。隨後可藉由積分樣本厚度上及發射頻譜上之自發性發射率來計算經偵測的PL率，其中將樣本內的再吸收、偵測器的敏感度及濾器的傳輸列入考量，譬如如卓普克(T.Trupke)的“光子再吸收對於晶矽上的準穩態光致發光測量之影響”，應用物理期刊100，063531(2006) 所描述。藉由對於一範圍的不同體塊壽命數值進行這些計算，將容許某人計算出理論性關係PLnorm =ftheoretical (τbulk )。
如上述的計算原則上可提供經正規化的PL計數率(代表有效壽命)與體塊壽命之間的一量化關係。然而實行上，這些計算一般只提供一相對關係PLnorm =C*ftheoretical (τbulk )，原因是關於不同硬體參數及樣本性質所須作出的假設之不確定性所致。縮放因子C在相同處理階段對於不同樣本(磚)將為恆定或很相似，但可能須在不同處理階段對於磚被分離地決定。因此原則上，在相同處理階段(譬如拋光後)在生產中對於磚上之測量，一測量系統的校準只需對於一特定硬體系統進行一次，但實行上，可以規則間隔重覆校準以譬如監測及補償硬體組件的漂移。藉由與從某其他技術所決定的實際體塊壽命資料作比較，以一如上述的類似方式進行C的決定。或者，可藉由與另一經校準PL成像系統作比較來決定C。單一資料點對於該校準已為充分，但為了具有較可靠結果，可使用來自一或多個樣本之兩或更多資料點的平均數。譬如，可藉由比較矽磚的一或多個斷面上所取得之體塊壽命的橫剖面或直方圖來決定校準常數。
亦可利用從不同條件下所取得影像的組合決定體塊壽命之下述自我一致性測量技術來校準系統。
第6圖顯示對於一未鈍化15cm厚矽磚(圓形)及對於一未鈍化200μm厚矽晶圓(正方形)，經正規化的PL計數率(代表有效壽命)與如上述所計算的體塊壽命之間的範例理論 性關係。這些關係高度地非線性，且檢視兩曲線突顯出諸如磚或錠等體塊樣本上的PL測量相較於諸如未鈍化晶圓等較薄樣本而言之一預期外的利益。對於未鈍化晶圓，經正規化的PL計數率係對於大於τbulk ~10μs的體塊壽命數值呈現飽和，而對於磚則其持續在遠為更高的體塊壽命數值顯著地變動，直到十毫秒的體塊壽命數值並無飽和。晶圓中觀察到的飽和係由於對於大於~10μs的體塊壽命而言擴散長度變成大於厚度所造成，在該例中進一步增大體塊壽命或體塊擴散長度並不會增加樣本中的總載子密度。此現象的常見描述係為有效載子壽命變成受到表面所限制。反之，對於遠為較厚的磚樣本，比起厚度而言維持小型的擴散長度，因此磚內的載子密度保持隨擴散長度而增加且不會變成受到表面所限制。其一重要結果在於：原則上，自未鈍化磚獲得的PL信號可在比起未鈍化晶圓所可能者之一遠為更寬範圍的體塊壽命數值上被可靠地轉換成體塊壽命或體塊擴散長度資料。
身為體塊壽命的函數(諸如第6圖所示者)之經正規化的PL強度之計算係顯示：曲線的實際形狀依據用來測量PL之裝備的頻譜敏感度而定，其一般係由攝影機的頻譜敏感度及攝影機前方的濾器之傳輸所決定。增強較長波長的頻譜敏感度係造成經正規化的PL信號對於體塊壽命之一較強(較陡)因變性，而容許PL強度至體塊壽命的較精確轉換。此效應可見於第7圖所示的圖形，其比較對於兩不同偵測波長間隔950-1000nm(正方形)及>1050nm(圓形)而言身為體 塊壽命的函數之PL信號相距一15cm厚矽樣本的一經選擇區之預期變異。PL信號在較長波長出現較高敏感度，原因是較長波長係探測較深入樣本(譬如磚)內側之載子密度，其中過度載子密度的大部份變異係對於長體塊壽命發生(與第5(b)圖比較)。實行上，可藉由將具有1000至1200nm範圍的截通波長(cut-on wavelength)之長通濾器導入偵測系統內來增強相對長波長敏感度、或藉由利用一在較長波長更敏感之偵測器-譬如一部InGaAs攝影機而非矽攝影機來增強絕對長波長敏感度，藉以達成此長波長敏感度增強。
現在將參照第8(a)至8(e)圖說明一原始PL影像轉換成一體塊壽命影像的一範例。第8(a)圖顯示從一p-型矽磚的側邊斷面所獲取之一PL影像24，而第8(b)圖顯示橫越側邊斷面之p-型摻雜物(硼)的一代表性分佈26，灰階代表摻雜物濃度。摻雜物分佈從薛爾(Scheil)方程式計算，其中最大值摻雜物濃度28位於磚的頂部。請記得一PL影像中的強度變異係由摻雜濃度及有效少數載子壽命的乘積所決定，第8(a)圖的PL影像係藉由第8(b)圖的摻雜物分佈被正規化以產生第8(c)圖所示之經正規化的PL影像30。第8(c)圖的強度變異係表示有效少數載子壽命之變異。為了將有效壽命轉換成體塊壽命，經正規化的PL影像30係利用第8(d)圖所示的有效壽命與體塊壽命之間的代表性非線性關係予以矯正以產生第8(e)圖的體塊壽命影像32，顯示出橫越樣本磚的側邊斷面之體塊壽命的變異。請注意在此示範性範例中，第8(d)圖的特別非線性關係是一元三次方程式，用來代表第6圖的 實心圓形所顯示類型之一實際的實證性或理論性關係。
2)磚/錠上的PL影像之相對強度變異的詮釋
對於其中絕對計數率是次要考量因素且其中PL影像就特定圖案或相對變異作分析之部分特定應用，可能不需要上述範例應用中的步驟ii)，亦即PL計數率相對於背景摻雜密度及選用性地相對於測量參數的變異之正規化。兩範例係為具有高差排密度之區的識別(例如第3圖所示)以及位於一磚或錠的頂部、底部及側壁之低壽命區的識別(例如，如第2及3圖所示)。可施用影像處理演算法以從影像中的其他特徵構造區別出影像內的此等特徵構造。
可利用磚的側邊斷面之PL影像中觀察到的差排密度來估計從該磚所切割的晶圓中之差排密度，並以磚內的高度之函數來估計磚內之差排的容積密度。該資訊可使用於晶圓的品質分倉及分類。將藉由合併來自磚的不只一個、最多四個側邊斷面上所取得之PL影像的資訊，使這些估計變得更精確。
類似地，可利用一磚的一側邊斷面上之一PL影像來識別位於頂部、底部、部分案例中包括側壁之低壽命區的位置及擴展範圍。並且，若合併不只一個、最多四個側邊斷面的PL影像，則此等分析將較為精確。磚上所取得的PL影像亦可用來預測從該磚切割的晶圓中之壽命分佈；譬如第3圖所示的影像之右手側上的低壽命區10(陰暗區域)將導致從磚的該部分所切片之晶圓邊緣附近的一低壽命區。亦可利用錠的側邊斷面之PL影像來引導將錠切割成磚的作用。
3)合併在不同測量條件下所取得的影像
(a)不同的偵測波長
上述公開的PCT專利申請案No WO 2008/014537 A1中，我們描述一據以藉由安裝在攝影機透鏡前方的不同頻譜濾器來取得至少兩發光影像之技術。由於長波長發光在再吸收之前係於樣本內具有一較高的平均光學路徑長度，偵測系統前方的不同濾器之測量係容許擷取從樣本中的不同深度所發射之發光。其顯示以兩不同濾器所測量的發光強度之比值可被轉換成體塊擴散長度。相較於完成的太陽能電池上之電致發光(EL)影像，已顯示此方式具有使通常在電池上的EL成像期間所出現之二極體電壓的局部變異在發光強度比值中被抵銷之優點，所以兩未校準影像的強度比值係提供具有絕對單位之擴散長度。
此方法的基礎係在於橫越一樣本的厚度之相對載子密度輪廓係隨著擴散長度而變，但一旦擴散長度比樣本厚度更大數倍，則此方法對於擴散長度的變異變得不敏感。相同論點係適用於將一類似技術施加至通常>10cm厚的磚之脈絡下，但此時在一遠為更寬的數值範圍、更特別來說對於所有矽的相關實用數值滿足了擴散長度小於樣本厚度之條件。體塊壽命或體塊擴散長度的變異因此在磚中比起晶圓或電池案例而言在一遠為更寬範圍的體塊壽命或體塊擴散長度上對於發光強度比值具有影響。
施加上述計算以相同激發但可變偵測條件所取得的影像之強度比值的方法係具有兩項好處：第一，從一PL強度 比值消除了橫越一磚之背景摻雜的變異；及第二，兩未校準PL影像的比值-各具有相對單位(各以相同的入射光強度作測量且各對於攝影機曝露時間及分倉作正規化)-提供絕對體塊壽命或體塊擴散長度而不需外部校準。
此方法可如下施用：
步驟(i)：以兩不同波長偵測頻帶來測量具有相同或相似發光強度的兩PL影像。較佳地，一測量應具有短波長光子，以產生關於接近前表面的載子密度之增強的資訊，而第二者則測量較長波長光子，藉以測量直到樣本的一特定深度之平均載子密度。
步驟(ii)：選用性地將各影像相對於攝影機曝露時間及分倉、且若需要亦相對於照射強度及/或收集光學件的效率之實驗式測量或模型模擬的變異予以正規化。
步驟(iii)：對於各像素計算來自兩個經正規化的影像之強度比值。
步驟(iv)：對於各像素，利用一預定的關係將所計算的強度比值轉換成體塊壽命。
或者，對於照射強度及/或收集光學件的效率之變異之一經合併的正規化係可被施用至強度比值，而非施用至個別影像。可藉由比較實驗性PL強度比值與實驗性體塊壽命或體塊擴散長度資料被實證式決定，或藉由一常見模型模擬程式(譬如DESSIS、PCID)對於一範圍的不同體塊壽命/擴散長度數值分析式或數值式計算相對載子輪廓、然後利用載子輪廓對於各體塊壽命/擴散長度數值計算兩預期測 量PL強度、將再吸收及感測器的頻譜敏感度列入考量，藉以理論性獲得來自步驟(iv)之預定的關係。這些計算係對於兩PL影像進行。對於各體塊壽命/擴散長度計算預期的PL強度比值，且對於身為體塊壽命/擴散長度的函數之強度比值產生一分析性曲線或查閱表。
第7圖顯示一15cm厚矽樣本中對於身為體塊壽命的函數之經偵測PL強度比值之計算的資料。參照左手Y軸，以一950至1000nm頻譜範圍所獲取之理論性PL強度係描繪成實心正方形，以>1050nm所獲取之理論性PL強度則描繪成實心圓形。參照右手Y軸，第7圖亦顯示身為體塊壽命(空心三角形)的函數之兩PL信號的比值，且可看出強度比值的變異係容許與體塊壽命之直接交叉相關。兩濾器組合產生處於低體塊壽命數值的相同PL計數率之事實-導致強度比值為一-係為此特定選擇的波長間隔及模型模擬的特定實驗性條件導致之一巧合。
若一InGaAs攝影機、一IR敏化光電子加乘矽攝影機或具有1100至1300nm範圍的顯著頻譜敏感度之類似感測器配合使用適當的較長波長濾器，則可偵測較深入磚內側之載子密度的變異，藉此能夠偵測一具有更高擴散長度的方案中之擴散長度變異。
第7圖的強度比值曲線係顯示強度比值的變異在高體塊壽命數值處最強，故該方法可特別有效用於單晶錠或磚的側邊斷面或高壽命多晶磚的表面上之測量。
介電濾器因為具有敏銳的截通或截止波長，亦即從高 至低傳輸之過渡，故原則上很適合於不同PL波長頻帶的選擇。然而，介電濾器的傳輸具有強烈的角度性因變性，其中因此截通/截止波長隨著入射角增大而移動至較短波長。在本申請案中需考慮此效應，其中如第11圖所示，來自一諸如矽晶圓或磚等經延伸樣本42之PL發射40係衝擊於一以一入射角範圍放置在成像攝影機46前方之介電濾器44上。顯然這將影響個別PL影像內的PL強度分佈，且因此影響強度比值及分析結果。若使用一介電長通(LP)濾器來獲得較長波長PL影像並使用一介電短通(SP)濾器來獲得較短波長PL影像，因為截通/截止波長的角度性因變性對於經由LP及SP濾器獲取的影像具有相反效應，該效應將更加顯著。解釋來說，截通/截止波長隨著入射角增大移位至較短波長係表示經由一SP濾器所獲取的一PL影像將在偏離軸線部分中具有相對較降低的強度，而經由一LP濾器所獲取的一PL影像則將在偏離軸線部分中具有相對較增加的強度。
具有可個別地或合併地施用之數種減輕此問題的手段。檢視第11圖係顯示：增大攝影機46(及濾器44)與樣本42之間的距離將降低入射角的範圍，位於系統設計的拘束條件內，以及因為來自樣本表面之PL發射的近似朗伯式(Lambertian)圖案導致所接收信號強度之不可避免的降低。
另一方法係將適當的矯正施加至長及短波長影像，利用從各濾器所測量的平場矯正將其傳輸的角度性因變性列入考量。可譬如經由濾器獲取一可預期橫越其面積具有均勻PL響應之高品質單晶矽晶圓的一PL影像，藉以獲得對於 一給定濾器之一平場矯正。藉此衍生的平場矯正亦將對於系統中的其他不均勻性作矯正，特別是收集光學件的效率之角度性因變性。因為介電濾器可能並非橫越其面積呈現均質性，亦可能需測量對於一特定濾器定向之平場矯正，且需在後續影像獲取期間維持該定向。當計算利用不同濾器之兩影像的一強度比值時，可在計算比值之前矯正各影像，或利用一經合併的平場矯正來矯正強度比值影像。
為了顯示此矯正程序，第12(a)及12(b)圖顯示分別經由一1000nm SP濾器及一1050nm LP濾器以一矽CCD陣列所獲取之一矽太陽能電池的PL影像。第13(a)圖顯示沿著第12(a)圖影像的一對角橫剖面之PL強度的一輪廓，而第13(b)圖顯示對於第12(b)圖影像的對應輪廓。強度輪廓係顯示疊置於金屬指所造成的一梳狀圖案52上之高強度區48及低強度區50，及匯流排桿所造成的低強度尖凸54。將可看出，第12(a)圖的強度(SP)影像在角落顯著地降低，其部份係因為上述的濾器角度性因變性所導致。我們注意到，第12(b)圖的強度(LP)影像亦在角落被降低，雖然比SP影像具有較小程度；這是因為濾器角度性因變性的效應-其傾向於增高角落中的強度-被諸如收集光學件的角度性因變性等其他效應超過所致。第12(c)圖所示的影像係為第12(a)及12(b)圖所示的影像之一強度比值，而第13(c)圖顯示沿著一對角橫剖面之PL強度輪廓，再度顯示角落中的一下降。最後，第12(d)及13(d)圖顯示經平場矯正的強度比值影像及其對應的PL強度輪廓，且顯然已經移除角度性因變性人工物。
或者，可利用吸收濾器來選擇不同波長PL頻帶。不像介電濾器，其傳輸對於入射角很少具有因變性，但其吸收邊緣較不陡峭而導致較差的頻帶選擇/剔退。
我們注意到，較長波長PL發射的第12(b)圖影像比起第12(a)圖影像更為模糊。這是因為矽中之較長波長光的較低吸收導致，造成矽CCD攝影機的像素內之側向髒污。如公開的PCT專利申請案No WO 09/121133所討論，可施加對於光學偵測系統之一理論性或實驗性測量式點分散函數，藉以增強此環境中的影像對比。
強度比值方法的一實際實行方式係顯示於第14(a)及14(b)圖中。一p-型多晶矽磚的一側係以來自一二極體雷射陣列的近IR光之~1太陽(Sun)作照射，且PL發射係首先經過一1050nm LP濾器再者經過一1000nmSP濾器由一部Si CCD攝影機所成像。影像的強度比值係逐一像素作計算，而所產生的比值影像顯示於第14(a)圖，其中比值介於從低壽命區的1至高壽命區的3之間。對於各像素，強度比值隨後利用一理論性關係被轉換成體塊壽命，所產生的體塊壽命影像顯示於第14(b)圖。我們注意到，因為磚的尺寸，各濾器需要獲取兩影像然後予以縫合；第14(a)及14(b)圖的接合部以箭頭表示。
將瞭解利用一光學濾器來選擇PL的波長範圍係降低攝影機處之PL信號的強度，潛在地增長影像獲取時間並減慢該方法。一變異實施例中，短波長及長波長PL影像係利用像素分倉以降低的空間性解析度被獲取，但不損及信號雜 訊比，且兩影像如前述般處理以獲得體塊壽命之一降低的空間性解析度影像。隨後獲取一較高解析度PL影像-亦即不具有像素分倉-而無光學過濾，且資料係作交叉相關以獲得體塊壽命的一較高解析度影像。此實施例需要獲取一第三PL影像，但因為經過濾影像可更快被獲取所以可能較快速。亦可利用從強度比值影像獲得的體塊壽命資料與一未過濾PL影像之比較，來獲得樣本內的背景摻雜變異之資訊。
(b)不同的激發波長
利用一類似方式，可從具有相同偵測波長頻帶但不同激發波長而在樣本內不同深度生成過度載子之磚或錠上所取得的PL影像之比值，獲得絕對壽命/擴散長度分佈。第9圖顯示以800nm激發及600nm激發從一15cm厚矽磚所獲得的兩PL影像之間的發光強度比值，其身為體塊壽命的一函數。
第9圖所示的強度比值曲線係顯示，由於以不同激發波長所取得之PL強度的比值大體上對於大於10μs數值的體塊壽命變異並不敏感，此方式只提供對於短擴散長度/壽命之絕對壽命或擴散長度資訊。對於較長的擴散長度，激發波長對於相對載子密度輪廓並無顯著衝擊，所以PL強度比值變成恆定。然而，與偵測波長範圍的變異之測量相同的有些好處仍然適用，其中從一PL強度比值消除了橫越一樣本之背景摻雜的變異，且兩未校準PL影像的比值-各具有相對單位(各以相同入射光強度比值作測量且對於攝影機曝 露時間與分倉作正規化)-係提供絕對體塊壽命或體塊擴散長度而無需外部校準。
(c)不同的偵測及激發波長
亦可能藉由取得兩PL影像的強度比值來決定一樣本的體塊性質，其中激發及偵測波長皆在兩影像之間作變動。或者，兩方式可合併以使不同偵測波長所取得的兩影像之強度比值在具有高體塊壽命的區中作分析，而不同激發波長所取得的影像之比值則在具有低體塊壽命的區中作分析。
4)獲得關於背景摻雜的變異之資訊
下列應用對於磚及錠特別有用，但原則上亦可施用至具有摻雜密度的側向變異之晶圓。由於所測量的PL信號與有效壽命及背景摻雜密度皆成正比，可藉由將經測量PL強度對於一分離壽命測量中所測量之壽命變異作正規化來獲得關於背景摻雜密度之資訊。確切來說，上述段3)所描述的方法可讓人獲得體塊壽命而無需校準。
從任何體塊壽命變異資料，隨後可如第6圖所示從經正規化的PL計數率與體塊壽命之間的關係來計算預期的經正規化PL強度變異。一經測量PL影像及根據體塊壽命所預期的PL強度之間的比值隨後係將提供橫越樣本的相對摻雜密度變異。確切來說，可利用從上段3)所描述方法獲得的體塊壽命資料來施用此方式。在此例中，PL影像可為不同偵測波長範圍或不同照射波長所取得之兩個別PL影像的一者，或一第三PL影像。或者，在其中進行有效壽命的一分離測量之案例中，一相對於有效壽命變異被正規化之PL影 像則代表相對摻雜密度變異的一影像。不論任一方式，若位於一點的摻雜密度或樣本的平均摻雜密度為已知，則橫越樣本的相對摻雜密度變異可被校準成一絕對摻雜密度影像。當生產中被施用至具有類似表面性質的樣本時，可能不需對於每個樣本皆進行上述校準成絕對摻雜密度的作用。而是，相同的校準常數可被施加至具有類似或實質相同的光學表面性質(諸如拋光磚)之不同樣本。
在其中可假設有效壽命為恆定之案例中，測量現狀的PL強度變異係代表相對摻雜密度變異的一影像，若位於一點的摻雜密度或樣本的平均摻雜密度為已知，其再度可被校準成一絕對摻雜密度影像。其中使此假設成立之一樣本類型的一範例係為具有高體塊壽命的未鈍化晶圓，這些樣本中，有效壽命(與第6圖的正方形比較)係為恆定且PL強度直接顯露出摻雜變異。這可譬如用來測量單晶晶圓中的摻雜條紋。
其他特定案例中，摻雜密度變異係很劇烈使得有效壽命的小變異只造成一小誤差，其對於部分應用可能並不顯著。一個此種特例係有關於經補償或UMG磚，其中在從p-型至n-型的過渡區中，有效摻雜密度的變化非常顯著，以PL計數率的一深最小值所顯露。譬如在第4圖所示的一UMG磚之PL影像中，接近頂部的暗帶16係顯示過渡區的確切位置，而無需對於壽命變異來補償PL影像。快速且精確地定位過渡區之能力係對於晶圓製造者提供一切割引導以從p-型、過渡及n-型區識別及分類晶圓。亦進行下述分析而 不考量壽命的變異；因此假設有效壽命變異係遠小於有效摻雜密度的變異。
為了顯示PL資料至摻雜密度變異之直接轉換，第10圖顯示(參照左手Y軸)第4圖所示的PL影像中從PL強度的底部至頂部(左至右)之一線掃描34，以及(參照右手Y軸)經配合的理論性有效摻雜密度，亦即硼與磷濃度之間差異的絕對數值(虛線36)，其各根據薛爾方程式(Scheil equation)分開地計算。有效壽命若無變異，則PL強度預期與該有效摻雜密度成正比。
計算理論性有效摻雜密度時，從文獻取得對於晶矽中之硼及磷的隔離係數keff 。唯一剩餘的配合參數是給料中之硼及磷的初始濃度，NB (0)及NP (0)；這些參數係變動以達成相對單元36與測量現狀的PL強度線掃描34中的有效摻雜之間的最好配合。NB (0)及NP (0)的變異係導致絕對有效摻雜的變異及有效摻雜的最小值之X軸上的一移位，且這些參數變動直到最小值重合於PL強度38的最小值為止。
相對有效摻雜密度配合至PL強度橫剖面係如第10圖所示藉此容許比值NB (0)/NP (0)之量化。此方式係以給料只含有一主要施體物種及一主要受體物種、且施體及受體原子皆根據薛爾方程式(Scheil equation)作分佈之假設為基礎。在這些假設下，該方式可以矽中的諸如鎵等其他摻雜原子之類似方式運作。
5)注射位準對於少數載子壽命之影響
請回想背景段落中，在準穩態條件下，有效少數載子 壽命係與產生率G成反比且與少數載子密度成正比，因此τeff =△n/G。然而，少數載子壽命亦為注射位準的函數之事實，係使得已知的壽命測量技術變得複雜。譬如如同對於QSSPC技術之包登(S.Bowden)及新頓(R.A.Sinton)的“以對於載子密度的精確表示來決定矽區塊及晶圓中之壽命”，應用物理期刊102，124501(2007)所討論，壽命資料可對於恆定照射強度(亦即恆定的G)作記載，導致對於各有效壽命的一不同注射位準(如同例如晶圓上的PL影像中之案例)，或對於恆定的注射位準作記載，其等同對於一不同照射強度記載各壽命。兩方式的缺點皆在於：其記載對於一太陽能電池的操作少有或沒有相干性之一注射位準或一照射強度(或兩者)之特定壽命範圍內的資料。
反之，我們已驚人地發現，一體塊矽樣本(諸如一磚)上的單一PL影像係容許測量在一寬廣範圍的體塊壽命上處於一恆定照射位準且處於一恆定經良好界定的平均注射位準之體塊壽命。為了瞭解此不符直覺的結果，我們需要考慮平均載子密度及產生率之定義。晶圓上的壽命測量中，△n及G常被計算成在樣本厚度上被平均之均值。然而，如同上述包登(Bowden)及新頓(Sinton)文件所指出，此方式對於諸如磚等體塊樣本不具意義，因為相對於總樣本厚度來說，顯著的過度載子只少量出現在經照射表面附近(譬如比較第5(a)及5(b)圖所示的載子密度輪廓)。包登(Bowden)及新頓(Sinton)描述一分析性方法學，其藉由界定一加權平均載子密度△navg 及一有效樣本寬度Weff 來克服此問題。我們在 此處採用該等定義並依此使用平均過度載子密度之記號。
利用上述包登(Bowden)及新頓(Sinton)文件所描述的分析性模型，對於吸收係數的兩數值(α=700cm-1 ，對應於~800nm入射光，及α=3.5cm-1 ，對應於~1100nm入射光)以一未鈍化矽磚內側的位置之函數來計算過度載子密度並分別描繪於第5(a)及5(b)圖中。請注意因為表面未鈍化，過度載子密度在表面處(位置=0)為零。第5(a)及5(b)圖皆顯示過度載子密度vs.對於體塊壽命的三個數值之位置：10μs(繪圖18)，100μs(繪圖20)，及1000μs(繪圖22)。各圖中，矩形40(只對於τbulk =100μs及τbulk =1000μs繪圖顯示)與軸線的交會係表示△navg 及Weff 的數值。對於第5(a)圖中的短波長激發(α=700cm-1 )所顯示之矩形的比較係顯示：載子輪廓隨著增大的體塊壽命之主要變異係位於有效寬度中，而平均載子密度則幾乎恆定。對於長波長激發(α=3.5cm-1 )之相同比較係顯示：平均載子密度(相對於平均注射位準)係隨壽命而強烈地縮放。
這些觀察係與包登(Bowden)及新頓(Sinton)推導的下列方程式一致： 其中L是擴散長度，D是擴散係數，Ns 是進入樣本之光子通量，而α是吸收係數。對於αL>>1，亦即對於短波長激發(或長壽命)，式(1)簡化成： 表示平均注射位準變成與壽命獨立無關。另一方面，對於αL<<1，亦即對於長波長激發，且使用關係τ=L2 /D，式(1)簡化成： 表示平均注射位準與壽命τ成正比。
現在請考量注射位準對於PL資料之影響，我們注意到PL影像通常係以約為λ=800nm的紅外線激發所獲取。藉由此範圍中之吸收係數α~700cm-1，對於L≧100μm，p-型矽中均等於τbulk =3.5μs的一擴散長度，係滿足αL>>1條件。重要的是，在最相干範圍τbulk >3.5μs中，以側向恆定照射及λ=800nm激發所取得的單一PL影像係藉此在一幾乎恆定的平均注射位準產生可變的壽命。藉由D=27cm2 s-1 及Ns =3*1017 cm-2 s-1 (近似均等於1太陽(Sun)照射)，式(2)係產生△navg =8*1012 cm-3 ，與壽命獨立無關。
對於激發之約為λ=800nm的近紅外線波長之選擇因此係具有下列增添的優點：對於典型的體塊壽命，其導致在磚中具有很接近於典型完成的工業矽太陽能電池將在最大值功率點出現的注射位準之一平均注射位準。激發波長或照射強度(或兩者)的變異係容許依需要來微調該注射位準。測量此注射位準範圍中的壽命資料亦利於分析並避免與諸如載子活動力或輻射性復合係數等材料參數的注射位準因變性相關聯之不精確，其只在較高注射位準顯著地變動。在用於界定一磚內的一經空間性平均的注射位準之一 分析性模型的基礎限制內，PL成像因此係提供對於體塊壽命評價之理想條件。
平均注射位準對於磚上的短波長激發所取得的體塊壽命之小因變性所具有的另一有趣關連現象係在於：注射位準則幾乎對於照射強度呈現線性因變性。藉由取得相同磚區域但具有不同照射強度之數個發光影像，可容許對於各點或對於影像中的特定區域測量注射位準因變性壽命。可利用將經測量影像相對於照射強度作正規化、然後將經強度正規化的PL計數轉換成體塊壽命，後者轉換係依前述般進行，藉以達成此作用。
由於平均注射位準與產生率G成正比，產生率G本身與入射光強度成正比，一經測量的入射光強度可利用式(1)或式(2)被轉換成一平均注射位準。從不同照射強度所取得的數個PL影像，可因此對於一特定區域或單一像素來計算及描繪體塊壽命的注射位準因變性。
為供比較，我們現在考慮注射位準對於QSSPC資料的影響。一範例QSSPC工具，新頓顧問(Sinton Consulting)“鑲嵌品測試器(boule tester)”係將體塊壽命記載成注射位準的一函數。經估計體塊壽命的線掃描係以一恆定的平均載子密度、通常為△navg =5*1014 cm-3 作記載。由於此系統中使用一寬頻帶光源，不可能具有一簡單解析解。假設以1100nm光(α=3.5cm-1 )照射，對於體塊壽命τbulk <3ms係滿足條件αL<1，且在此範圍中，平均注射位準係根據式(1)及(3)隨體塊壽命而縮放，類似於晶圓上的壽命測量之常見案例。藉 由一太陽(Sun)均等照射強度(Ns =3*1017 cm-2 s-1 )及α=3.5cm-1 ，我們根據式(1)對於τbulk =10μs及τbulk =100μs分別計算出△navg =4.7*1012 cm-3 及△navg =3.7*1013 cm-3 。為了達成常見記載的平均載子密度△navg =5*1014 cm-3 ，因此對於τbulk =10μs需要約100太陽(Sun)的入射光強度(Ns =3*1019 cm-2 s-1 )。在△navg =5*1014 cm-3 所記載的較短壽命將需要進一步更大的光強度。請注意這些強度因子係強烈地依據光強度輪廓中的確切頻譜內容物而定，但這些數字顯示典型的QSSPC測量中一般係需要大的光強度以達成△navg =5*1014 cm-3 。由於太陽能電池通常係以一太陽均等照射及一使晶圓內側的載子密度降低至一將在開路條件下於0.05太陽(Sun)所達成的數值之操作點運作，這些光強度對於習見太陽能電池應用並不切實際。對於數十或數百太陽(Sun)所記載的壽命資料，因此對於太陽能電池只應用具有有限的相干性。
此處所提供的描述中，提供眾多特定細節。然而，請瞭解本發明的實施例可在沒有這些特定細節下實行。其他案例中，則未詳細顯示已為人熟知的方法、結構及技術以免模糊對於本文描述之理解。
雖然已特別參照本發明的特定較佳實施例來描述本發明，可在申請專利範圍的精神與範疇內實行本發明的變異及修改。
2‧‧‧多晶矽區塊
4‧‧‧柱體
6‧‧‧晶圓
8‧‧‧高有效壽命材料的區域
10‧‧‧低壽命區
12‧‧‧暗區
14‧‧‧亮區
16‧‧‧暗帶
24‧‧‧從p-型矽磚的側邊斷面所獲取之PL影像
26‧‧‧橫越側邊斷面之p-型摻雜物(硼)的代表性分佈
28‧‧‧最大值摻雜物濃度
30‧‧‧經正規化的PL影像
32‧‧‧體塊壽命影像
34‧‧‧線掃描
36‧‧‧相對單元，硼與磷濃度之間差異的絕對數值
38‧‧‧PL強度
40‧‧‧PL發射
42‧‧‧樣本
44‧‧‧介電濾器
46‧‧‧成像攝影機
48‧‧‧高強度區
50‧‧‧低強度區
52‧‧‧梳狀圖案
54‧‧‧低強度尖凸
α‧‧‧吸收係數
第1圖顯示矽錠鋸成磚及晶圓的作用； 第2圖是顯示有效少數載子壽命的典型變異之一矽錠的橫剖側視圖；第3圖顯示一習見鑄造多晶p-型矽磚的側邊斷面之一PL影像；第4圖顯示一多晶UMG矽磚的側邊斷面之一PL影像；第5(a)及5(b)圖顯示對於兩不同激發波長(以不同吸收係數代表)及對於體塊壽命的不同數值之對於一15cm厚矽磚所計算的過度載子密度輪廓；第6圖顯示對於一15cm厚矽磚(圓形)及一200μm厚矽晶圓(正方形)之經正規化的PL計數率(count rate)及體塊少數載子壽命之間的理論性關係；第7圖顯示對於一15cm厚矽磚、對於在兩不同頻譜區所測量的PL之經偵測的PL強度vs.體塊壽命之繪圖，暨強度比值；第8(a)至8(e)圖顯示一p-型矽磚的側邊斷面之一原始PL影像(第8(a)圖)轉換至一體塊壽命影像(第8(e)圖)；第9圖顯示對於藉由兩不同激發波長從一15cm厚矽磚所產生的PL之強度比值vs.體塊壽命的繪圖；第10圖顯示從第4圖所示的磚底部至頂部之PL強度的一線掃描，暨經計算的有效摻雜密度；第11圖顯示來自一延伸樣本的PL發射如何以一入射角範圍遭遇一光學濾器；第12(a)至12(d)圖及第13(a)至13(d)圖顯示介電濾器傳輸對於入射角的因變性之一PL強度比值影像的矯正；及第14(a)及14(b)圖顯示對於在兩不同頻譜區中所測量 的PL之一強度比值影像(第14(a)圖)轉換至一體塊壽命影像(第14(b)圖)。
8‧‧‧高有效壽命材料的區域
10‧‧‧低壽命區

Claims (27)

  1. 一種用於執行一半導體材料的一分析之方法，該方法包括下列步驟：(a)激發該材料以產生光致發光(photoluminescence)；(b)測量從該材料所發射的光致發光之強度；(c)相對於該材料的背景摻雜密度之變異來正規化該經測量的光致發光強度，以獲得一經正規化的光致發光強度；及(d)就該材料的一或多個性質，分析該經正規化的光致發光強度。
  2. 如請求項1之方法，其中該材料的一實質區域受到激發，且該測量步驟係成像從該區域所發射之光致發光。
  3. 如請求項1之方法，其中該材料係為一矽錠或一矽磚，且其中該方法被施用至該錠或磚的至少一側邊斷面。
  4. 如請求項1至3中任一項之方法，其中實驗性測量該背景摻雜密度。
  5. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該背景摻雜密度係被實證式決定或利用一理論性關係作計算。
  6. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該經正規化的光致發光強度係被詮釋為該材料的有效少數載子壽命之一測量。
  7. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該經正規化的光致發光強度係利用體塊壽命與經正規化的光致發光強度 之間的一預定理論性關係被轉換成該材料的體塊少數載子壽命之一測量。
  8. 如請求項7之方法，其中一該理論性關係被施用至具有類似表面製備之該材料的多重樣本。
  9. 如請求項1至3中任一項之方法，其中該性質係為該材料中的差排之面積或容積密度。
  10. 一種用於執行一半導體材料的一分析之方法，該方法包括下列步驟：(a)激發該材料的一部分以產生光致發光(photoluminescence)；(b)測量從該部分所發射之光致發光的分佈；(c)相對於橫越該部分的有效少數載子壽命之變異來正規化該經測量的光致發光分佈；及(d)就橫越該部分的該材料之背景摻雜密度的變異，分析該經正規化的光致發光分佈。
  11. 如請求項10之方法，其中該材料係為一矽錠或一矽磚，且其中該方法被施用至該錠或磚的至少一側邊斷面。
  12. 如請求項10或11之方法，其中該部分係為一線掃描或一二維區域的形式。
  13. 如請求項10或11之方法，其中該方法被施用至升級冶金等級矽的一錠、磚或晶圓。
  14. 如請求項13之方法，其中該光致發光的分佈中之一最小值的位置係被配合以獲得該升級冶金等級矽的給料中之施體及受體濃度的比值。
  15. 如請求項10之方法，其中省略了該相對於有效壽命的變異作正規化之步驟，且就背景摻雜密度來詮釋該光致發光分佈。
  16. 如請求項15之方法，其中利用該光致發光分佈中之一最小值的位置來識別升級冶金等級矽中從p-型至n-型的一過渡區之位置。
  17. 如請求項1至3、10至11或15至16中任一項之方法，其中利用該等光致發光測量或影像作為晶圓生產中的一切割引導。
  18. 如請求項1至3、10至11或15至16中任一項之方法，其中利用從該方法獲得的資訊來改良矽磚或錠的製造。
  19. 如請求項1至3、10至11或15至16中任一項之方法，其中利用從該方法獲得之資訊來決定從該材料衍生之晶圓的價格。
  20. 如請求項1至3、10至11或15至16中任一項之方法，其中利用該等光致發光測量或影像作為晶圓生產中的一引導以分類晶圓至品質倉中。
  21. 如請求項1至3、10至11或15至16中任一項之方法，其中利用從該方法獲得之資訊來獲得矽晶圓生產中的給料品質之回饋。
  22. 一種用於執行一半導體材料的一分析之系統，該系統係包括：一光偵測單元，其用以獲得從該材料的一表面所產生之光致發光(photoluminescence)的至少一影像或線掃 描；及一處理器，其用以相對於橫越該表面之背景摻雜密度的變異來正規化該經測量的光致發光強度，且用以就該材料的一或多個性質來分析該經正規化的光致發光強度。
  23. 一種用於執行一半導體材料的一分析之系統，該系統包括：一光偵測單元，其用以獲得從該材料的一表面所產生之光致發光(photoluminescence)的至少一影像或線掃描；及一處理器，其用以相對於橫越該表面之該有效少數載子壽命的變異來正規化該影像或線掃描的各部份中之該經測量的光致發光強度，且用以就橫越該表面之該背景摻雜密度的變異來分析該經正規化的光致發光影像或線掃描。
  24. 如請求項22至23中任一項之系統，進一步包括：一光學源，其發射具有比矽或該半導體材料的帶隙更長之波長的光；及一偵測器，其用於測量該光經過該矽或半導體材料之傳輸。
  25. 如請求項22至23中任一項系統，其中該光偵測單元包括一InGaAs攝影機。
  26. 如請求項22至23中任一項系統，其中該光偵測單元包括一矽攝影機。
  27. 一種系統，當用來實行根據請求項1至3、10至11或15至16中任一項之方法時。
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