4H-SiC+의 광탄성 상수에 관한 연구
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탄화규소(SiC) 기판의 직경이 계속 증가함에 따라 기판 내부 잔류 변형의 균일성은 장치 성능과 신뢰성에 영향을 미치는 핵심 요소가 됩니다. X선 회절, 라만 분광법 등 기존의 변형률 검출 방법은 정확도가 높지만 측정 속도가 느리고 면적이 제한되어 대형 기판에는 적합하지 않습니다. 대조적으로, 광탄성 기술은 빠르고 전체 필드 측정이 가능하다는 장점이 있으며, 특히 SiC 기판의 잔류 변형률 이미징에 적합합니다.
광탄성 기술의 핵심은 광탄성 상수의 정확한 획득에 있습니다. 이 상수는 응력 하에서 굴절률 변화에 대한 재료의 민감도를 나타내며 복굴절 측정에서 응력 측정으로 정량적 변환을 달성하기 위한 물리적 기반입니다. 그러나 4H-SiC의 광탄성 상수에 대한 연구는 아직 미흡하며, 특히 파장에 따른 변화에 대한 체계적 연구는 이루어지지 않았다.
1. 광탄성 기술의 기본과 지속적인 정의
광탄성 효과는 응력 광학 법칙으로 설명할 수 있습니다. 4H-SiC와 같은 육각형 결정의 경우 (0001) 평면에서 광학 등방성을 나타내며 광탄성 효과는 다음과 같이 단순화될 수 있습니다.
공식에서 Δn은 복굴절, σ1−σ2는 주요 응력 차이, π11− π12는 압전 계수이며 광탄성 상수 Cσ로 변환될 수도 있습니다. 실제 응용에서는 ∣p11−p12∣가 광탄성 계수의 특성화 매개변수로 사용되는 경우가 많습니다.
2. 광탄성 상수의 실험 방법 및 결정
광탄성 상수의 정확한 결정은 잔류 응력의 정량적 분석을 달성하는 데 핵심입니다. 연구원들은 전통적인 3점 굽힘 테스트부터 고급 웨이퍼 레벨 스캐닝 기술에 이르기까지 4H-SiC 재료에 대한 다양한 실험 방법을 개발하여 신뢰할 수 있는 광탄성 매개변수를 얻기 위한 다양한 솔루션을 제공했습니다.
2.1 3점 굽힘 방법 및 다중 파장 측정
Fukuzawaet al. 자체 개발한 xIPS(imaging polarizer)를 사용하여 630nm, 940nm, 1200nm의 세 가지 파장에서 4H-SiC 기판에 대한 3점 굽힘 실험을 수행했습니다. 복굴절 분포 ∣Δn∣를 측정하고 이를 유한요소 시뮬레이션에서 얻은 ∣σ1−σ2∣ 분포와 결합하여 회귀분석을 수행하여 ∣p11−p12∣를 얻습니다.
그림 1 Δn과 σ1−σ2 사이의 선형 관계
실험 결과 ∣p11−p12∣는 630nm, 940nm, 1200nm에서 각각 0.040, 0.090, 0.13으로 파장에 따라 계수가 증가하는 것으로 나타났다.
2.2 SIRD 시스템 및 원심하중 방식
Hermeset al. 1300nm의 파장에서 SIRD(주사 적외선 감극기)를 사용하여 (0001) 4H SiC 기판에 방사형 부하 실험을 수행했습니다. 회전주파수를 변화시켜 하중력을 조정함으로써 전단응력 G의 등가값을 측정하고 압축계수 (π11−π12)=(−3.3±0.5)×10-13아빠-1광탄성 상수 Cσ=(−2.8±0.4)×10-12아빠-1파생됩니다. 연구된 재료의 높은 결함 밀도와 불균일성은 상대적으로 큰 오류를 초래하지만, 얻은 값은 문헌의 몇 가지 기존 데이터와 잘 일치하며 유사한 웨이퍼의 정량적 응력 분석을 위한 표준 매개변수로 적합합니다.
그림 2 (G-G0)과 회전주파수의 제곱의 선형관계
3점 굽힘 방법과 SIRD 원심 하중 방법을 결합함으로써 연구원들은 가시광선부터 적외선까지의 파장 범위에서 4H-SiC의 주요 광탄성 매개변수를 얻었을 뿐만 아니라 실험실 샘플에서 산업용 등급 웨이퍼에 이르기까지 완전한 응력 정량 분석 기능을 구축했습니다.
3. 파장 분산 현상과 기술적 상충관계
Fukuzawaet al. 먼저 가시광선에서 근적외선 파장 범위에서 광탄성 계수 ∣p11−p12∣의 중요한 파장 분산 거동을 체계적으로 밝혀냈습니다. 연구 결과에 따르면 이 계수의 값은 파장에 따라 단조롭게 증가하며 이러한 추세는 입방정 및 육각형 결정에서 일반적인 물리적 현상인 광자 에너지에 반비례하며 III-V 반도체에 대한 Adachi의 이론적이고 실험적인 연구 결론과 일치합니다.
그림 3 파장 변화에 따른 ∣p11−p12∣ 경향
더 중요한 것은 분산 곡선이 ∣p11−p12∣ 값이 630nm보다 짧은 파장에서 0에 접근할 수 있음을 강력히 시사한다는 것입니다. 이 발견은 광탄성 감도와 측정 신호 대 잡음비(SNR) 사이의 핵심 균형을 직접적으로 도입하므로 광탄성 이미징 기술의 실제 적용에 큰 영향을 미쳤습니다. 이 발견은 광탄성 이미징에서 파장 선택에 중요한 지침이 됩니다.
단파장: 광자 에너지가 높고 SNR이 우수하여 약한 신호를 감지하는 데 도움이 됩니다. 그러나 광탄성의 민감도가 낮고 동일한 응력 하에서 생성된 광학 응답이 매우 작기 때문에 변형률을 정확하게 정량화하는 데 도움이 되지 않습니다.
장파장: 광탄성에 대한 높은 감도로 응력/변형 감지 감도가 크게 향상됩니다. 그러나 SNR은 낮고 측정 가능한 신호를 얻으려면 더 긴 노출 시간이나 더 높은 전력의 광원이 필요할 수 있으며, 이는 측정 속도에 영향을 미치거나 샘플에 열 효과를 일으킬 수 있습니다.
따라서 실제 응용에서는 감도와 신호 대 잡음비 사이에 균형을 맞춰야 합니다. 향후 연구는 낮은 결함 밀도 샘플과 결합하여 더 짧거나 더 긴 파장 범위로 더욱 확장되어 측정 정확도를 향상시키고 이미징 시스템의 파장 선택 전략을 최적화할 수 있습니다.
연구용 또는 산업 응용 분야용으로 4H-SiC 웨이퍼가 필요한 경우 다음 주소로 이메일을 보내주십시오.[email protected] 과 [email protected].
참조:
- Fukuzawa, M., & Kudo, N. (2023). 상업용 SiC 기판의 잔류 변형률을 정량적으로 이미징하기 위한 광탄성 계수 및 파장 분산에 대한 실험적 연구. 전자재료학회지, 52(8), 5172-5177.
- Herms, M., Irmer, G., Spira, S., & Wagner, M. (2021). (0001) 4H 탄화규소의 광탄성 상수는 적외선 편광기를 주사하여 결정됩니다. 물리 상태 고체(a), 218(23), 2100198.