SiC ウェーハの残留応力を検出するにはどうすればよいですか?

SiC 基板と同様に、PAM-XIAMEN が供給する炭化ケイ素 (SiC) ウェハ材料 (リンク:https://www.powerwaywafer.com/sic-wafer/sic-wafer-substrate.html）は、高熱伝導率、高強度、耐高温性、耐放射線性などの優れた特性により、航空宇宙、レーダー通信、自動車産業、半導体産業で広く使用されています。しかし、SiC単結晶材料の調製、加工、使用中に、マイクロパイプ、転位、小角境界、介在物などの欠陥の存在により、一定の残留応力が発生します。 SiC 単結晶材料の場合、熱応力、欠陥による応力、機械加工応力が重なり残留応力が形成されます。そのため、残留応力は部品の品質を測定するための重要な指標としてよく使用されます。通常、不適切な残留応力は SiC 単結晶材料の完全性を損ない、コンポーネントの不必要な変形や故障を引き起こします。したがって、炭化珪素単結晶材料の残留応力を検出する必要がある。 SiC単結晶の残留応力を検出する方法をいくつか紹介します。

現在、単結晶材料の残留応力の測定方法には、主に光弾性法、X線回折法、顕微ラマン分光法、中性子回折法などが含まれます。中でも、単結晶材料の応力検出には光弾性法とX線回折法が広く用いられています。より具体的には次のようになります。

1. 光弾性法

光弾性は、光学原理を使用して材料の応力分布を研究する実験方法です。ブリュースターは光弾性現象を最初に発見しました。その後、マックスウェルは複屈折を応力と結び付け、応力の光学法則を確立し、光弾性の発展を加速させました。

単結晶材料の残留応力を検出する光弾性法は、光学結晶材料の複屈折特性、つまり、光線が特定の材料を通過するときに2つの異なる屈折率が生成されることに基づいています。この方法の応力検出原理は次のとおりです。 図 1 に示すように、光ビームが光弾性材料を通過すると、応力の存在により 2 つの主応力 σ 1 および σ 2 方向に沿って伝播速度の異なる 2 つのビームに分解されます。の平面偏光により相対光路差が生じ、式(1)に示す応力の光学法則に従って材料の主応力を求めることができ、その後、光が検光子を透過して光干渉が生じ、部品の応力が求められます。情報の光弾性縞画像。そこからコンポーネント内の応力状態と分布を推定できます。

式では次のようになります。m光学縞系列に関連する正の整数です。λは光源の波長です。C₁-C₂は応力の光学定数です。 f=λ/(C₁-C₂) は光弾性材料のフリンジ値です。hモデルの厚さです。

図1 光弾性法の原理図

光弾性法は、リアルタイム、非接触、非破壊、グローバルという利点があり、複雑な二次元および三次元空間構造の応力を検出できます。したがって、この方法は広く研究されており、単結晶材料の応力検出に適用されています。

2. X線回折

X 線回折は、単結晶材料の表面の残留応力を検査するための非破壊検査方法です。 X線回折法は弾性力学理論とX線回折理論に基づいており、材料の応力検出を実現します。基本原理は、部品内に残留応力がある場合、粒子内の結晶面間の間隔が応力の大きさに応じて規則的に変化するということです。 X線回折により面間隔の変化を測定することで材料のひずみ値を求め、フックの法則に基づき適切な剛性関係を用いて部材の残留応力値を計算します。現在、その手法には主に井村法、オルトナー法、重回帰法などがあります。

3. 顕微ラマン分光法

マイクロラマン分光法は、新興の有望なマイクロスケール実験機械試験技術です。この技術を使用して単結晶材料の残留応力を検出することは、ラマン散乱の原理に基づいています。基本原理は、材料に残留応力がある場合、格子変形に応じてラマン周波数シフトが変化するということです。式(2)に示す応力と相対ラマン周波数シフトの関係を利用してラマンスペクトル線の変化を検出することで、単結晶材料の応力を求めることができます。

式 (2) において、 Ψ は材料の応力/ひずみ周波数シフト係数です。 Δω は周波数シフト増分です

マイクロラマン分光法は、非接触、非破壊、リアルタイム、高感度、高空間分解能という利点により、マイクロスケールの実験力学、特に半導体材料の機械的測定の分野で広く使用されています。

4. 中性子回折

中性子回折法は、部品に損傷を与えることなく、部品内部の三次元応力分布を直接得ることができる検出・解析手法です。単結晶材料の残留応力の決定はブラッグの法則に基づいています。この方法の基本原理は次のとおりです。単位格子内の格子間の距離を中性子回折計で測定し、距離の変化によって弾性ひずみを解析し、ひずみと応力の関係から部品の応力分布を求めます。中性子回折法には、深い侵入深さと高い空間分解能という利点があります。

図2 中性子回折法による残留応力測定の模式図

参考までに、さまざまな残留応力検出方法の比較を図 3 に示します。

図3 応力検出手法の比較

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