Hyperspectral imaging as a tool for characterization of multicrystalline silicon wafers

Abstract

This thesis describes the development of a method for characterization of multicrystalline silicon wafers based on hyperspectral imaging. The aim has been to show the distribution of radiative defects in silicon wafers. Commonly used methods are often time consuming and destructive or based on indirect measurements. Hyperspectral imaging is a fast, non-destructive method which measures the distribution of radiative defects directly. The exact mechanisms of the radiative defects are still not fully understood, but by using hyperspectral imaging in addition to complementary measurements, new knowledge of their origins can be obtained. One issue in this thesis has been to show the possibilities of using hyperspectral imaging to visualize radiative defects. In combination with multivariate curve resolution we can quickly extract the weak signals from the raw hyperspectral images. A research facility for cooled hyperspectral photoluminescence imaging, has in parallel with the experiments, been developed and tested. The laboratory consists of two hyperspectral cameras, excitation source and two cryogenic coolers. 50 wafers from a silicon block have been studied using the hyperspectral imaging setup. Additionally, RGB images, conventional photoluminescence images and interstitial iron mapping have been acquired. The different datasets have been preprocessed and corresponding points were located in all image types before an affine transform was performed to align them to a common coordinate system. Selected spectral defects were used to make 3D visualization to show the distribution of defects through the silicon block.

Denne avhandlingen beskriver utviklingen av en metode for karakterisering av multikrystallinske silisiumskiver basert på hyperspektral avbildning. Målet har vært å vise utbredelsen av de forskjellige luminiserende defektene som er gjeldende i silisiumskiver. Dagens metoder for karakterisering av silisium er ofte tidkrevende, destruktive eller er indirekte målinger. Hyperspektral avbildning er en rask og ikke destruktiv målemetode som måler den radiative delen av defektene fra silisium direkte. Den fysiske årsaken til de radiative defektene er fortsatt ikke helt forstått, men ved å sammeligne hyperspektrale data med alternative målemetoder kan vi få en bedre forståelse om årsakene. Et aspekt ved denne avhandlingen er å vise hvilke muligheter det gir å bruke hyperspektralt kamera til å avbilde luminiserende defekter. I kombinasjon med multivariat statistikk kan en raskt ekstrahere de svake signalene fra defektene i bildene. Det er parallelt blitt utviklet og testet en forsøksrigg for hyperspektral fotoluminesens med mulighet for kjøling av prøvene ned til 80K. Oppsettet består av to hyperspektrale kamera, en linjelaser og to kjølte prøveholdere. 50 skiver fra en silisiumblokk er blitt studert med prøveoppsettet. I tillegg er det tatt fargebilder, konvensjonelle fotoluminesensbilder og utført måling av interstitielt jern av prøvene. De forskjellige datasettene er blitt preprosessert og felles punkter ble lokalisert i alle bildene før det ble kjørt en affin transformasjon for å gjøre bildene sammenlignbare. Utvalgte spektrale defekter ble valgt ut til en 3D visualisering for å vise utbredelsen gjennom silisiumblokken.