Изучение напряженно-деформированного состояния на подложке Si

В материалах, к которым прикладывается давление или напряжение, появляется внутренняя деформация кристаллической структуры. Деформация модулирует частоту комбинационного рассеяния света, которая связана с кристаллической структурой и молекулярными колебаниями материалов. Эта особенность комбинационного рассеяния, которое представляет собой неупругое рассеяние по отношению к рэлеевскому рассеянию, представляет собой упругое рассеяние лазерного света с той же частотой, что и у рэлеевского рассеяния. Спектроскопия комбинационного рассеяния используется для исследования напряженно-деформированного состояния, а метод визуализации комбинационного рассеяния позволяет получить изображение напряженно-деформированного состояния.

Рамановская спектроскопия - мощный инструмент для исследования напряженно-деформированного состояния.

В кристалле с внутренней деформацией комбинационное рассеяние света имеет сдвиг частоты по сравнению с ненапряженным кристаллом. Как показано на рисунке ниже, свет комбинационного рассеяния кремния, к которому прикладывается напряжение сжатия, выраженное как Ws1 и смещено в сторону высокой частоты по сравнению со светом комбинационного рассеяния без напряжения кремния, выраженным как Ws2. Кремний имеет оптическую моду T2g при 520 см-1. Пик 520 см-1 чувствителен к кристаллической деформации и растягивающее /сжимающее напряжение смещает этот пик в низкочастотную /высокочастотную сторону.

Расчет окраски по величине смещения пика.

Величина сдвига пика 520 см-1 линейно увеличивается с увеличением деформации. Точно измеряя величину сдвига волнового числа, мы можем узнать точное значение напряжения. Для точных измерений величины сдвига волнового числа необходим спектрометр с высоким разрешением. Для этого нужно использовать большую дисперсию решетки в спектрометре. Анализируя данные спектра, мы можем определить положение пика, полученные спектрометром с сглаживанием пика. Затем мы можем оценить деформацию в области лазерного освещения, рассчитав величину сдвига пика между экспериментально определенным положением пика и положением пика для не напряженного кремния.

Напряженно-деформированное состояние Si

Дефекты и деформации в кристалле кремния могут быть обнаружены с помощью рамановского сканирования. Ниже, на левом рисунке показано изображение царапины на кремниевой подложке. Пик комбинационного рассеяния при 520 см-1 сдвигается при деформации, которая вызвана приложенным напряжением к кристаллической решетке. Контрастируя величину сдвига пика в изображении, мы можем наблюдать распределение деформации. Желтая часть показывает сдвиг в сторону низких частот, а темно-синяя часть показывает сдвиг в сторону высоких частот. На изображении четко видно, что кристаллическая решетка деформируется под действием напряжения сжатия и растяжения вокруг царапины. RAMANtouch может обнаруживать и отображать пиковый сдвиг порядка 0,1 см-1.

RAMANtouch позволяет получать рамановское изображение напряженного кремния и тонкой кремниевой пленки. Время получения изображения очень быстрое, поэтому измерение можно выполнить за короткое время.

Время измерения: 10 мин. Напряжение = -250 МПа ? ?? (см-1).