半导体制造常见检测之拉曼光谱

拉曼光谱是一种非破坏性化学分析技术,可提供有关化学结构、相和多晶型、结晶度和分子相互作用的详细信息。它基于光与材料内化学键的相互作用。

拉曼光谱仪

拉曼是一种光散射技术,分子通过该技术散射来自高强度激光光源的入射光。大多数散射光与激光源的波长(或颜色)相同,不提供有用的信息------这称为瑞利散射。然而,少量光(通常为 0.0000001%)以不同的波长(或颜色)散射,这取决于分析物的化学结构------这称为拉曼散射。

拉曼光谱原理图

拉曼光谱具有许多峰,显示了拉曼散射光的强度和波长位置。每个峰对应一个特定的分子键振动,包括单个键如CC、C=C、NO、CH等,以及成组的键如苯环呼吸模式、高分子链振动、晶格模式等。

拉曼光谱探测材料的化学结构并提供以下信息:

  • 化学结构和身份

  • 相位和多态性

  • 内在应力/应变

  • 污染和杂质

通常,拉曼光谱是特定分子或材料的独特化学指纹,可用于快速识别材料或将其与其他材料区分开来。拉曼光谱库通常用于根据拉曼光谱识别材料------快速搜索包含数千个光谱的库以找到与分析物光谱匹配的光谱。

结合映射(或成像)拉曼系统,可以根据样品的拉曼光谱生成图像。这些图像显示了单个化学成分、多晶型物和相的分布,以及结晶度的变化。

拉曼光谱既是定性的也是定量的。

一般光谱图(峰位置和相对峰强度)提供了独特的化学指纹,可用于识别材料并将其与其他材料区分开来。实际光谱通常非常复杂,因此可以搜索全面的拉曼光谱库以找到匹配项,从而提供化学鉴定。

光谱强度与浓度成正比。通常,将使用校准程序来确定峰强度和浓度之间的关系,然后可以进行常规测量以分析浓度。对于混合物,相对峰强度提供有关组分相对浓度的信息,而绝对峰强度可用于绝对浓度信息。

拉曼光谱可用于显微分析,空间分辨率为 0.5-1 µm。使用拉曼显微镜可以进行此类分析。

乙醇和甲醇的拉曼光谱图

拉曼显微镜将拉曼光谱仪与标准光学显微镜耦合,允许样品的高放大倍率可视化和使用显微激光点的拉曼分析。拉曼显微分析很简单:只需将样品放在显微镜下、聚焦并进行测量即可。

真正的共焦拉曼显微镜可用于分析微米大小的颗粒或体积。它甚至可以用于分析多层样品中的不同层(例如,聚合物涂层),以及透明样品表面下的污染物和特征(例如,玻璃中的杂质,以及矿物中的流体/气体夹杂物)。

映射阶段允许生成拉曼光谱图像,其中包含从样品上不同位置获取的数千个拉曼光谱。可以根据拉曼光谱创建假彩色图像------这些图像显示单个化学成分的分布,以及其他影响的变化,例如相、多态性、应力/应变和结晶度。

使用拉曼分析的样品类型

拉曼光谱可用于分析许多不同的样品。一般来说,它适用于分析:

  • 固体、粉末、液体、凝胶、浆液和气体

  • 无机、有机和生物材料

  • 纯化学品、混合物和溶液

  • 金属氧化物和腐蚀

一般来说,它不适合分析:

  • 金属及其合金

目前使用拉曼光谱的典型例子包括:

艺术与考古学------颜料、陶瓷和宝石的表征

碳材料------纳米管的结构和纯度、缺陷/无序表征

化学------结构、纯度和反应监测

地质学------矿物鉴定和分布、流体包裹体和相变

生命科学------单细胞和组织、药物相互作用、疾病诊断

药剂学------含量均匀度和成分分布

半导体 -- 纯度、合金成分、固有应力/应变显微镜。

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