Определение напряжений в пластине SiC

Одним из факторов, ухудшающих качество силовых полупроводников на основе SiC, являются дефекты, которые возникают на пластинах SiC. К дефектам относятся не только дефекты кристаллов, изначально содержащиеся в процессе выращивания пластин, но и дефекты, возникающие в процессе утонения и зеркальной полировки. Вокруг дефектов возникают локальные напряжения и деформации, которые могут создавать новые дефекты и изменять характеристики полупроводника. Для производства надежных полупроводников необходимо детально оценить не только видимые дефекты, но и невидимое напряжение вокруг дефектов. Рамановская спектроскопия позволяет определить напряжение по величины сдвига положения пика, поэтому получение изображений методом комбинационного рассеяния является наиболее подходящим для оценки распределения напряжений на пластинах SiC.

Длина волны лазера	532 нм
Объектив	100x N.А. = 0,9
Решетка	2400 реш./мм
Количество спектров	32000 (400?80)
Время измерения	27 мин

Приведенный выше рисунок представляет собой рамановское изображение по смещению пика и показывает распределение напряжений для отполированной поверхности подложки SiC. Для оценки напряжения использовали сдвиг рамановского пика 789 см^-1 (FTO(2/6)E2) 6H-SiC. Предполагая изотропное поле двухосного напряжения [1], соотношение между сдвигом пика (FTO(2/6)E2) 6H-SiC и напряжением будет составлять -185МПа/см ^-1. Сравнение изображения оптического микроскопа с изображением комбинационного рассеяния показывает, что растягивающее напряжение создается на дефектах, которые выглядят темными под оптическим микроскопом, и что сжимающее напряжение создается между дефектами.

Томография с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния представляет собой метод оценки распределения и величины напряжения по глубине из-за поверхностных дефектов на пластинах SiC.

Поскольку лазерные рамановские микроскопы благодаря конфокальным свойствам имеют хорошее пространственное разрешение по глубине, распределение напряжений по глубине можно легко оценить неразрушающим методом. На нижеприведенных изображениях (1) - (3) показано распределение напряжений по глубине во время каждого процесса утонения пластины SiC: (1) до шлифования, (2) после шлифования и (3) шлифовка и полировка. Исходя из полученных результатов измерения можно установить, что напряжение растяжения наблюдется в самих дефектах, а напряжение сжатия проявляется между дефектами.

На следующем графике показан профиль напряжения (анализ по линии) в направлении по глубине до и после полировки. Профиль напряжения оценивали по пунктирной линии увеличенного изображения. Было обнаружено, что напряжение, вызванное шлифованием, уменьшалось до ~4 мкм после шлифования (2) и уменьшалось до ~2 мкм после шлифования и полировки (3). Таким образом, комбинируя рамановское изображение в плоскости и томографию по глубине можно детально оценить дефекты в пластинах SiC. Кроме того, чтобы оценить такое распределение напряжений, необходимо иметь три характеристики высокого разрешения волнового числа, высокое пространственное разрешение и высокоскоростную визуализацию, а это полностью соответствует возможностям наших лазерных рамановских микроскопов RAMANtouch.

Длина волны лазера	532 нм
Объектив	100x N.А. = 0,9
Решетка	2400 реш./мм
Количество спектров	32000 (400?80)
Время измерения	27 мин

Под воздействием напряжения в кристаллах пик комбинационного рассеяния будет смещаться. Известно, что изменение положения пика смещается в сторону более низкого волнового числа при растягивающем напряжении и в сторону более высокого волнового числа при сжимающем напряжении по сравнению с положением пика, который измеряется в состоянии без напряжения. Поскольку пиковый сдвиг пропорционален напряжению соответсвенно напряжение можно оценить по пиковому сдвигу.

В нашем случае пластина 6H-SiC была измерена на пике 789 см^-1 от поверхности углерода (000-1). Напряжение было оценено как -185 МПа/см^-1 на основе сдвига пика (FTO(2/6)E2). Коэффициент пропорциональности между сдвигом пика и напряжением зависит от политипа и наблюдаемой ориентации плоскости [2,3]. Например, на пике 776 см^-1 (FTO(2/4)E2) 4H-SiC, в случае оценки на плоскости с(0001), напряжение составляет -510 МПа/см^-1 и на плоскости a(11-20). Ранее было установлено, что величина напряжения составляла -480 МПа/см^-1 [1]. Как описано выше, при оценке напряжения SiC с помощью спектроскопии комбинационного рассеяния можно правильно оценить напряжение, используя пики и коэффициенты преобразования, подходящие для наблюдаемого политипа и ориентации плоскости.

Литература:
[1] Correlation of Stress in Silicon Carbide Crystal and Frequency Shift in Micro-Raman Spectroscopy, N. Sugiyama et al., MRS Proc, 1693 (2014).
[2] “Raman Investigation of SiC Polytypes”, S. Nakashima and H. Harima, phys. stat. sol. (a), 162, 39 (1997).
[3] “Raman Scattering from Electronic Excitations in n-Type Silicon Carbide”, P. J. Colwell and M. V. Klein, Phys. Rev. B, 6, 498 (1972).