寬域變溫掃描MDP-PICTS技術革新半導體質控的三大核心突破
在光伏與微電子產(chǎn)業(yè)高速發(fā)展的今天，半導體材料的質量控制已成為決定產(chǎn)品良率與成本的核心要素。傳統(tǒng)電學表征技術因需接觸式電極制備，存在破壞樣品、空間分辨率低、難以適應產(chǎn)線節(jié)奏等痛點。Freiberg Instruments公司憑借其革命性的微波檢測技術——微波探測光導率（MDP）與微波探測光誘導電流瞬態(tài)譜（MDPICTS），正在全球半導體材料分析領域掀起技術革新浪潮。
一、技術原理：微波傳感驅動非接觸式手段
MDPICTS技術通過微波諧振腔實時監(jiān)測樣品介電常數(shù)的動態(tài)變化，結合脈沖激光激發(fā)與精密溫控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對半導體缺陷的"無損CT掃描"。其核心突破體現(xiàn)在三大維度：
1.超靈敏微波探測
采用專利微波諧振腔設計（如圖1），檢測靈敏度較傳統(tǒng)PICTS提升2-3個數(shù)量級，可捕捉1010 cm-3量級的載流子濃度變化。在硅材料測試中，系統(tǒng)可分辨0.13 eV活化能的微量熱施主缺陷。
圖 1. MDP測量裝置示意圖
2.多維動態(tài)分析能力
通過控制激光波長（UV-IR）實現(xiàn)深度剖面分析，結合80-500K寬溫域掃描，可同步獲?。?br>o少數(shù)載流子壽命（τ）
o光導率（Δσ）
o陷阱活化能（EA）
如圖2所示，單次測量即可完成載流子生成、復合、陷阱再發(fā)射全過程的動態(tài)追蹤。
圖2. MDPICTS中的物理過程及其對應的信號部分：（1）載流子的產(chǎn)生和捕獲，（2）快速復合過程，（3）捕獲載流子的二次發(fā)射。
3.智能仿真平臺
配套的數(shù)值模擬工具突破傳統(tǒng)SRH模型局限，基于第一性原理構建廣義速率方程組，可精確預測缺陷參數(shù)對材料性能的影響。實驗驗證顯示，Si樣品中鐵雜質濃度計算的仿真誤差<5%，為工藝優(yōu)化提供可靠數(shù)字孿生模型。
二、產(chǎn)線級應用：從晶錠到器件的全流程質控
在多晶硅片檢測中（圖3），實現(xiàn)0.5mm空間分辨率的Fe金屬污染分布成像。關鍵技術指標表現(xiàn)：
·注入范圍：1010-1017 cm-3（跨越7個數(shù)量級）
·溫度穩(wěn)定性：±0.1K@液氮環(huán)境
·產(chǎn)線兼容性：支持300mm晶圓全自動測量
圖3：分辨率為0.5毫米的SiNx鈍化mc-Si晶片的示例性鐵圖
典型案例解析
1.光伏硅片金屬污染監(jiān)控
對摻鉻CZ硅片的MDPICTS分析顯示（圖4），CrB復合體在250℃退火后解離為Cri，活化能從0.38eV降至0.29eV。配合MDP鐵濃度圖譜（圖3），可建立Fe/Cr/B-O復合體的三維分布模型，指導清洗工藝優(yōu)化。
圖4. 氧化物鈍化Cz-Si晶片的相對BO2濃度（a）和Fe濃度（b）
2.寬禁帶半導體缺陷診斷
在6H-SiC材料中（圖5），系統(tǒng)成功識別EH6/EH7深能級缺陷，活化能測定值（=0.55-0.73eV）與DLTS結果高度吻合。對VGF法生長GaAs的檢測更發(fā)現(xiàn)EL2缺陷信號極性反轉現(xiàn)象（圖6），揭示了費米能級對缺陷態(tài)占據(jù)的關鍵影響。
圖5. 不同Si-6H SiC 樣品在不同溫度范圍內(nèi)的MDPICTS光譜比較。樣品I–III在相同工藝條件下生長。
圖6. 通過HT-MDPICTS 檢測具有不同受體濃度的Si GaAs樣品中的EL2d效應。峰高和符號與受體濃度相關。D系列樣品未摻雜，受體濃度從A上升到C。
3.化合物半導體界面分析
采用405nm/980nm雙波長激發(fā)，對InP外延層實現(xiàn)0.3μm深度分辨。實驗發(fā)現(xiàn)Fe摻雜導致MDPICTS信號在350K出現(xiàn)負峰（圖7），首次直接證實Fe³+→價帶空穴發(fā)射機制，為InP器件可靠性評估提供新判據(jù)。
圖7 不同晶體位置和不同F(xiàn)e濃度的原生Fe摻雜Si-InP樣品的MDPICTS光譜比較。樣品的特征缺陷水平不同。
三、技術拓展：從實驗室走向智能生產(chǎn)線
Freiberg Instruments公司正在將MDP-PICTS檢測技術與現(xiàn)代智能工廠技術深度融合，為半導體制造帶來更高效、更智能的質量管理方案：
實時在線監(jiān)控
在硅材料生產(chǎn)過程中，MDP-PICTS系統(tǒng)可直接安裝在生長設備上，像"質檢攝像頭"一樣實時追蹤硅錠中的鐵雜質分布。生產(chǎn)線人員無需停機取樣，就能在控制屏上看到鐵濃度的動態(tài)變化圖表，第一時間發(fā)現(xiàn)異常。
智能缺陷識別系統(tǒng)
快速識別出鐵硼復合體、氧沉淀等多種常見缺陷類型，并生成通俗易懂的檢測報告。
多技術協(xié)同檢測
MDP-PICTS與光致發(fā)光（PL）、電子束誘導電流（EBIC）等傳統(tǒng)檢測技術的數(shù)據(jù)互通互聯(lián)。這些技術組合能為每片材料生成包含電學性能、光學特性、微觀結構等信息的"質量檔案"，幫助工程師全面掌握材料狀況。
作為非接觸式電學表征的技術標桿，MDPICTS正在重塑半導體質量控制的范式。其兼具納米級空間分辨與毫秒級動態(tài)響應的特性，完美契合第三代半導體、柔性電子等新興領域對原位檢測的嚴苛需求。Freiberg Instruments通過持續(xù)的技術迭代，為全球半導體產(chǎn)業(yè)提供從研發(fā)到量產(chǎn)的全鏈條解決方案，推動材料缺陷分析進入"看得清、測得準、控得住"的新紀元。
該文章由InstituteofTheoreticalPhysics和Freiberg Instruments等機構在Physica Status Solidi期刊上發(fā)表的文獻，詳細文章可查閱：Contactless electrical defect characterization in semiconductors by microwave detected photo induced current transient spectroscopy (MD‐PICTS) and microwave detected photoconductivity (MDP)
一、技術原理：微波傳感驅動非接觸式手段
MDPICTS技術通過微波諧振腔實時監(jiān)測樣品介電常數(shù)的動態(tài)變化，結合脈沖激光激發(fā)與精密溫控系統(tǒng)，實現(xiàn)了對半導體缺陷的"無損CT掃描"。其核心突破體現(xiàn)在三大維度：
1.超靈敏微波探測
采用專利微波諧振腔設計（如圖1），檢測靈敏度較傳統(tǒng)PICTS提升2-3個數(shù)量級，可捕捉1010 cm-3量級的載流子濃度變化。在硅材料測試中，系統(tǒng)可分辨0.13 eV活化能的微量熱施主缺陷。
圖 1. MDP測量裝置示意圖2.多維動態(tài)分析能力
通過控制激光波長（UV-IR）實現(xiàn)深度剖面分析，結合80-500K寬溫域掃描，可同步獲?。?br>o少數(shù)載流子壽命（τ）
o光導率（Δσ）
o陷阱活化能（EA）
如圖2所示，單次測量即可完成載流子生成、復合、陷阱再發(fā)射全過程的動態(tài)追蹤。
圖2. MDPICTS中的物理過程及其對應的信號部分：（1）載流子的產(chǎn)生和捕獲，（2）快速復合過程，（3）捕獲載流子的二次發(fā)射。3.智能仿真平臺
配套的數(shù)值模擬工具突破傳統(tǒng)SRH模型局限，基于第一性原理構建廣義速率方程組，可精確預測缺陷參數(shù)對材料性能的影響。實驗驗證顯示，Si樣品中鐵雜質濃度計算的仿真誤差<5%，為工藝優(yōu)化提供可靠數(shù)字孿生模型。
二、產(chǎn)線級應用：從晶錠到器件的全流程質控
在多晶硅片檢測中（圖3），實現(xiàn)0.5mm空間分辨率的Fe金屬污染分布成像。關鍵技術指標表現(xiàn)：
·注入范圍：1010-1017 cm-3（跨越7個數(shù)量級）
·溫度穩(wěn)定性：±0.1K@液氮環(huán)境
·產(chǎn)線兼容性：支持300mm晶圓全自動測量
圖3：分辨率為0.5毫米的SiNx鈍化mc-Si晶片的示例性鐵圖典型案例解析
1.光伏硅片金屬污染監(jiān)控
對摻鉻CZ硅片的MDPICTS分析顯示（圖4），CrB復合體在250℃退火后解離為Cri，活化能從0.38eV降至0.29eV。配合MDP鐵濃度圖譜（圖3），可建立Fe/Cr/B-O復合體的三維分布模型，指導清洗工藝優(yōu)化。
圖4. 氧化物鈍化Cz-Si晶片的相對BO2濃度（a）和Fe濃度（b）2.寬禁帶半導體缺陷診斷
在6H-SiC材料中（圖5），系統(tǒng)成功識別EH6/EH7深能級缺陷，活化能測定值（=0.55-0.73eV）與DLTS結果高度吻合。對VGF法生長GaAs的檢測更發(fā)現(xiàn)EL2缺陷信號極性反轉現(xiàn)象（圖6），揭示了費米能級對缺陷態(tài)占據(jù)的關鍵影響。
圖5. 不同Si-6H SiC 樣品在不同溫度范圍內(nèi)的MDPICTS光譜比較。樣品I–III在相同工藝條件下生長。圖6. 通過HT-MDPICTS 檢測具有不同受體濃度的Si GaAs樣品中的EL2d效應。峰高和符號與受體濃度相關。D系列樣品未摻雜，受體濃度從A上升到C。3.化合物半導體界面分析
采用405nm/980nm雙波長激發(fā)，對InP外延層實現(xiàn)0.3μm深度分辨。實驗發(fā)現(xiàn)Fe摻雜導致MDPICTS信號在350K出現(xiàn)負峰（圖7），首次直接證實Fe³+→價帶空穴發(fā)射機制，為InP器件可靠性評估提供新判據(jù)。
圖7 不同晶體位置和不同F(xiàn)e濃度的原生Fe摻雜Si-InP樣品的MDPICTS光譜比較。樣品的特征缺陷水平不同。
三、技術拓展：從實驗室走向智能生產(chǎn)線
Freiberg Instruments公司正在將MDP-PICTS檢測技術與現(xiàn)代智能工廠技術深度融合，為半導體制造帶來更高效、更智能的質量管理方案：
實時在線監(jiān)控
在硅材料生產(chǎn)過程中，MDP-PICTS系統(tǒng)可直接安裝在生長設備上，像"質檢攝像頭"一樣實時追蹤硅錠中的鐵雜質分布。生產(chǎn)線人員無需停機取樣，就能在控制屏上看到鐵濃度的動態(tài)變化圖表，第一時間發(fā)現(xiàn)異常。
智能缺陷識別系統(tǒng)
快速識別出鐵硼復合體、氧沉淀等多種常見缺陷類型，并生成通俗易懂的檢測報告。
多技術協(xié)同檢測
MDP-PICTS與光致發(fā)光（PL）、電子束誘導電流（EBIC）等傳統(tǒng)檢測技術的數(shù)據(jù)互通互聯(lián)。這些技術組合能為每片材料生成包含電學性能、光學特性、微觀結構等信息的"質量檔案"，幫助工程師全面掌握材料狀況。
作為非接觸式電學表征的技術標桿，MDPICTS正在重塑半導體質量控制的范式。其兼具納米級空間分辨與毫秒級動態(tài)響應的特性，完美契合第三代半導體、柔性電子等新興領域對原位檢測的嚴苛需求。Freiberg Instruments通過持續(xù)的技術迭代，為全球半導體產(chǎn)業(yè)提供從研發(fā)到量產(chǎn)的全鏈條解決方案，推動材料缺陷分析進入"看得清、測得準、控得住"的新紀元。
該文章由InstituteofTheoreticalPhysics和Freiberg Instruments等機構在Physica Status Solidi期刊上發(fā)表的文獻，詳細文章可查閱：Contactless electrical defect characterization in semiconductors by microwave detected photo induced current transient spectroscopy (MD‐PICTS) and microwave detected photoconductivity (MDP)