Kajian tentang Pemalar Fotoelastik 4H-SiC +

PAM-XIAMEN mampu menawarkan substrat 4H-SiC konduktif dan separa penebat untuk penyelidikan eksperimen. Untuk spesifikasi lanjut, sila hubungi[email protected]

Apabila diameter substrat silikon karbida (SiC) terus meningkat, keseragaman terikan baki di dalamnya menjadi faktor utama yang mempengaruhi prestasi dan kebolehpercayaan peranti. Kaedah pengesanan terikan tradisional seperti pembelauan sinar-X dan spektroskopi Raman mempunyai ketepatan yang tinggi, tetapi kelajuan pengukurannya perlahan dan kawasannya terhad, menjadikannya tidak sesuai untuk substrat bersaiz besar. Sebaliknya, teknologi fotoelastik mempunyai kelebihan pengukuran medan yang cepat dan penuh, terutamanya sesuai untuk pengimejan terikan sisa substrat SiC.

Teras teknologi fotoelastik terletak pada pemerolehan tepat pemalar fotoelastik. Pemalar ini menerangkan sensitiviti bahan kepada perubahan indeks biasan di bawah tekanan, dan merupakan asas fizikal untuk mencapai penukaran kuantitatif daripada pengukuran birefringence kepada pengukuran tegasan. Walau bagaimanapun, kajian pemalar fotoelastik 4H-SiC masih tidak mencukupi, terutamanya variasinya dengan panjang gelombang belum diterokai secara sistematik.

1. Asas dan Definisi Malar Teknologi Fotoelastik

Kesan fotoelastik boleh digambarkan oleh undang-undang optik tegasan. Untuk kristal heksagon seperti 4H-SiC, ia mempamerkan isotropi optik dalam satah (0001), dan kesan fotoelastik boleh dipermudahkan sebagai:

Dalam formula, Δn ialah birefringence, σ1−σ2 ialah perbezaan tegasan utama, π11− π12 ialah pekali piezoelektrik, yang juga boleh ditukar kepada pemalar fotoelastik Cσ. Dalam aplikasi praktikal, ∣p11−p12∣ sering digunakan sebagai parameter pencirian untuk pekali fotoelastik.

2. Kaedah Eksperimen dan Penentuan Pemalar Fotoelastik

Penentuan tepat pemalar fotoelastik adalah kunci untuk mencapai analisis kuantitatif tegasan sisa. Penyelidik telah membangunkan kaedah eksperimen yang berbeza untuk bahan 4H-SiC, bermula daripada ujian lenturan tiga mata tradisional kepada teknologi pengimbasan tahap wafer termaju, menyediakan penyelesaian terpelbagai untuk mendapatkan parameter fotoelastik yang boleh dipercayai.

2.1 Kaedah Lenturan Tiga Titik dan Pengukuran Panjang Gelombang Berbilang

Fukuzawa et al. menjalankan eksperimen lentur tiga mata pada substrat 4H-SiC menggunakan polarizer pengimejan yang dibangunkan sendiri (xIPS) pada tiga panjang gelombang 630nm, 940nm dan 1200nm. Dengan mengukur taburan birefringence ∣Δn∣ dan menggabungkannya dengan taburan ∣σ1−σ2∣ yang diperoleh daripada simulasi unsur terhingga, analisis regresi dilakukan untuk mendapatkan ∣p11−p12∣.

Rajah 1 Hubungan linear antara Δn dan σ1−σ2

Keputusan eksperimen menunjukkan bahawa ∣p11−p12∣ ialah 0.040, 0.090, dan 0.13 pada 630nm, 940nm, dan 1200nm, masing-masing, menunjukkan bahawa pekali meningkat dengan panjang gelombang.

2.2 Sistem SIRD dan Kaedah Pemuatan Empar

Hermes et al. menjalankan eksperimen pemuatan jejari pada (0001) substrat SiC 4H menggunakan depolarizer inframerah pengimbasan (SIRD) pada panjang gelombang 1300 nm. Dengan melaraskan daya pemuatan dengan menukar kekerapan putaran, nilai setara tegasan ricih G diukur, dan pekali mampatan (π11−π12)=(−3.3±0.5)×10^-13Pa⁻¹dan pemalar fotoelastik Cσ=(−2.8±0.4)×10^-12Pa⁻¹diperolehi. Walaupun ketumpatan kecacatan yang tinggi dan ketidakseragaman bahan yang dikaji mengakibatkan ralat yang agak besar, nilai yang diperolehi adalah sesuai dengan beberapa data sedia ada dalam literatur dan sesuai sebagai parameter piawai untuk analisis tegasan kuantitatif wafer yang serupa.

Rajah 2 Hubungan linear dengan (G-G0) dan kuasa dua kekerapan putaran

Dengan menggabungkan kaedah lenturan tiga titik dengan kaedah pemuatan emparan SIRD, penyelidik bukan sahaja memperoleh parameter fotoelastik utama 4H-SiC dalam julat panjang gelombang yang boleh dilihat kepada inframerah, tetapi juga mewujudkan keupayaan analisis kuantitatif tegasan lengkap daripada sampel makmal kepada wafer gred industri.

3. Fenomena Penyerakan Panjang Gelombang dan Pertukaran Teknologi

Fukuzawa et al. mula-mula secara sistematik mendedahkan tingkah laku penyebaran panjang gelombang yang ketara bagi pekali fotoelastik ∣p11−p12∣ dalam julat panjang gelombang boleh dilihat kepada inframerah dekat. Keputusan penyelidikan menunjukkan bahawa nilai pekali ini meningkat secara monoton dengan panjang gelombang, dan trend ini adalah berkadar songsang dengan tenaga foton, yang merupakan fenomena fizikal biasa dalam kristal padu dan heksagon, dan konsisten dengan kesimpulan penyelidikan teori dan eksperimen Adachi mengenai semikonduktor III-V.

Rajah 3 Aliran ∣p11−p12∣ dengan variasi panjang gelombang

Lebih penting lagi, keluk serakan sangat mencadangkan bahawa nilai ∣p11−p12∣ mungkin menghampiri sifar pada panjang gelombang lebih pendek daripada 630nm. Penemuan ini telah memberi impak yang mendalam terhadap aplikasi praktikal teknologi pengimejan fotoelastik, kerana ia secara langsung memperkenalkan pertukaran teras antara kepekaan fotoelastik dan nisbah isyarat-ke-bunyi pengukuran (SNR). Penemuan ini mempunyai kepentingan panduan penting untuk pemilihan panjang gelombang dalam pengimejan fotoelastik:

Panjang gelombang pendek: Tenaga foton tinggi, SNR sangat baik, yang membantu mengesan isyarat yang lebih lemah; Walau bagaimanapun, sensitiviti keanjalan foto adalah rendah, dan tindak balas optik yang dijana di bawah tekanan yang sama adalah sangat kecil, yang tidak kondusif untuk mengukur ketegangan dengan tepat;

Panjang gelombang panjang: kepekaan tinggi kepada fotoelastik, sangat meningkatkan sensitiviti pengesanan tekanan/tegangan; Tetapi SNR adalah lemah, dan untuk mendapatkan isyarat yang boleh diukur, masa pendedahan yang lebih lama atau sumber cahaya kuasa yang lebih tinggi mungkin diperlukan, yang boleh menjejaskan kelajuan pengukuran atau menyebabkan kesan haba pada sampel.

Oleh itu, keseimbangan perlu dicapai antara sensitiviti dan nisbah isyarat kepada hingar dalam aplikasi praktikal. Penyelidikan masa depan boleh dikembangkan lagi kepada julat panjang gelombang yang lebih pendek atau lebih panjang, digabungkan dengan sampel ketumpatan kecacatan rendah, untuk meningkatkan ketepatan pengukuran dan mengoptimumkan strategi pemilihan panjang gelombang untuk sistem pengimejan.

Sama ada anda memerlukan wafer 4H-SiC untuk penyelidikan atau untuk aplikasi industri, sila hubungi kami e-mel di[email protected] dan [email protected].

 

Rujukan:

1. Fukuzawa, M., & Kudo, N. (2023). Kajian eksperimen tentang pekali fotoelastik dan penyebaran panjang gelombangnya untuk pengimejan kuantitatif terikan sisa dalam substrat komersial. Jurnal Bahan Elektronik, 52(8), 5172-5177.
2. Herms, M., Irmer, G., Spira, S., & Wagner, M. (2021). Pemalar fotoelastik bagi (0001) silikon karbida 4H ditentukan dengan mengimbas polariskopi inframerah. status fizik solidi (a), 218(23), 2100198.