硅的应变・应力评估

在物质上施加压力和应力会造成晶体结构的变形。 因物质的晶体结构和分子振动而引起的拉曼散射光,会基于变形而产生频率的变化。 与相同频率的弹性散射(瑞利散射光)相比,拉曼具有非弹性散射的特点。 所以用拉曼光谱技术分析物质的变形及应力,拉曼成像技术获得获得变形及应力的图谱。



■拉曼光谱对应变・应力的超强分析力
比较变形前与变形后的晶体,散射光的频率有所改变。 如下图所示,带有抗压应力的硅拉曼散射(这裡是指ωs1)跟没变形的硅拉曼散射(ωs2)相比,有往高频率方面转移的倾向。 硅在520cm-1出现光学模式(F2g模式)。 此拉曼峰对结晶变形非常敏感,导致应变抗拉应力(抗压应力)向低波数(高波数)转移。


圧縮応力によりラマン散乱光は高波数へシフトする
▲拉曼散射光会因应抗压应力而向高波数方向转移



■从峰值转移量计算应力
520cm-1的峰值波数转移量顺应应力比例随之增加。 因此测算出正确的波数转移量便能量度正确的变形量。 要计算出正确的波数转移量,需要高波数分辨率的检测器及采用达到和峰值重叠的方法。 高波数分辨率可使光谱仪的光栅分散程度扩大。 另外,透过光谱分析决定峰值位置,以没变形状态的光谱峰值位置为基准,计算转移量,便可确定照射位置的应变状态。


圧縮応力・引張応力による520cm-1のピークシフト
▲Peak shift of 520cm-1 by compressive or tensile stress



■硅的应力分布成像
拉曼成像能够检测硅晶体的缺陷跟应变。 图像是硅晶圆划伤后的图像。 因应力引致晶格变形,拉曼峰值在520cm-1位置发生转移。 我们可以通过峰值位置的偏移成像观察应力分布。 黄色跟深蓝色的部分分别表示低波数和高波数方向的转移。 在划伤周围可以观察到晶格正承受抗拉应力及抗压应力而变形。 RAMANtouch能够检测到0.1cm-1的拉曼峰并进行成像。 RAMANtouch亦可用于应变硅及硅薄膜的拉曼成像。 由于具备高速成像的能力,在短时间内便可进行测量。


测量时间: 10分钟、应力 = -250 MPa × Δν(cm-1)