Исследование фотоупругой константы 4H-SiC+

PAM-XIAMEN может предложить проводящие и полуизолирующие подложки 4H-SiC для экспериментальных исследований. Для получения более подробной информации обращайтесь[email protected]

Поскольку диаметр подложек из карбида кремния (SiC) продолжает увеличиваться, однородность остаточной деформации внутри них становится ключевым фактором, влияющим на производительность и надежность устройств. Традиционные методы обнаружения деформации, такие как дифракция рентгеновских лучей и рамановская спектроскопия, обладают высокой точностью, но скорость их измерения низкая, а область ограничена, что делает их непригодными для подложек большого размера. Напротив, фотоэластичная технология имеет преимущества быстрого и полного измерения поля и особенно подходит для визуализации остаточной деформации подложек SiC.

Суть фотоупругой технологии заключается в точном определении константы фотоупругости. Эта константа описывает чувствительность материала к изменениям показателя преломления под нагрузкой и является физической основой для достижения количественного преобразования от измерения двойного лучепреломления к измерению напряжения. Однако изучение фотоупругой константы 4H-SiC пока недостаточно, тем более ее изменение в зависимости от длины волны систематически не изучалось.

1. Основы и постоянные определения фотоупругой технологии.

Фотоупругий эффект можно описать оптическим законом напряжений. Для гексагональных кристаллов, таких как 4H-SiC, они проявляют оптическую изотропию в плоскости (0001), и фотоупругий эффект можно упростить как:

В формуле Δn — двулучепреломление, σ1−σ2 — основная разность напряжений, π11−π12 — пьезоэлектрический коэффициент, который также можно преобразовать в константу фотоупругости Cσ. В практических приложениях ∣p11−p12∣ часто используется в качестве параметра характеристики коэффициента фотоупругости.

2. Экспериментальные методы и определение фотоупругих констант.

Точное определение фотоупругой константы является ключом к количественному анализу остаточного напряжения. Исследователи разработали различные экспериментальные методы для материалов 4H-SiC, начиная от традиционных испытаний на трехточечный изгиб и заканчивая передовой технологией сканирования уровня пластины, предоставляя разнообразные решения для получения надежных фотоупругих параметров.

2.1 Метод трехточечного изгиба и измерение нескольких длин волн

Фукудзава и др. провел эксперименты по трехточечному изгибу подложки 4H-SiC с использованием поляризатора визуализации собственной разработки (xIPS) на трех длинах волн: 630, 940 и 1200 нм. Путем измерения распределения двулучепреломления ∣Δn∣ и объединения его с распределением ∣σ1−σ2∣, полученным в результате моделирования методом конечных элементов, выполняется регрессионный анализ для получения ∣p11−p12∣.

Рис. 1 Линейная зависимость между Δn и σ1−σ2

Результаты экспериментов показали, что ∣p11-p12∣ составляли 0,040, 0,090 и 0,13 при 630, 940 и 1200 нм соответственно, что указывает на то, что коэффициент увеличивается с длиной волны.

2.2 Система SIRD и метод центробежной загрузки

Гермес и др. провел эксперименты по радиальной нагрузке на подложки (0001) 4H SiC с использованием сканирующего инфракрасного деполяризатора (SIRD) на длине волны 1300 нм. Регулируя силу нагрузки путем изменения частоты вращения, измеряют эквивалентное значение напряжения сдвига G и коэффициент сжатия (π11−π12)=(−3,3±0,5)×10.^-13Пенсильвания⁻¹и фотоупругая постоянная Cσ=(−2,8±0,4)×10^-12 Пенсильвания⁻¹являются производными. Хотя высокая плотность дефектов и неоднородность исследованного материала приводят к относительно большим погрешностям, полученные значения хорошо согласуются с некоторыми имеющимися в литературе данными и подходят в качестве стандартных параметров для количественного анализа напряжений аналогичных пластин.

Рис. 2 Линейная зависимость с (G-G0) и квадратом частоты вращения

Объединив метод трехточечного изгиба с методом центробежной нагрузки SIRD, исследователи не только получили ключевые фотоупругие параметры 4H-SiC в видимом и инфракрасном диапазоне длин волн, но также создали возможность полного количественного анализа напряжений от лабораторных образцов до пластин промышленного качества.

3. Явление дисперсии длин волн и технологические компромиссы.

Фукудзава и др. впервые систематически выявил значительную дисперсию длины волны коэффициента фотоупругости ∣p11−p12∣ в диапазоне длин волн от видимого до ближнего инфракрасного. Результаты исследования показывают, что значение этого коэффициента монотонно увеличивается с длиной волны, и эта тенденция обратно пропорциональна энергии фотонов, которая является обычным физическим явлением в кубических и гексагональных кристаллах, и согласуется с теоретическими и экспериментальными выводами Адачи по полупроводникам III-V.

Рис. 3. Динамика ∣p11−p12∣ с изменением длины волны.

Что еще более важно, дисперсионная кривая убедительно свидетельствует о том, что значение ∣p11−p12∣ может приближаться к нулю на длине волны короче 630 нм. Это открытие оказало глубокое влияние на практическое применение технологии фотоэластичной визуализации, поскольку оно напрямую вводит основной компромисс между фотоэластичной чувствительностью и отношением сигнал/шум измерения (SNR). Это открытие имеет важное значение для выбора длины волны в фотоэластичной визуализации:

Короткая длина волны: энергия фотонов высокая, соотношение сигнал/шум отличное, что помогает обнаруживать более слабые сигналы; Однако чувствительность фотоупругости низкая, а оптический отклик, генерируемый при том же напряжении, очень мал, что не способствует точному количественному определению деформации;

Длинная длина волны: высокая чувствительность к фотоэластичности, что значительно повышает чувствительность обнаружения напряжения/деформации; Но соотношение сигнал/шум низкое, и для получения измеримых сигналов может потребоваться более длительное время экспозиции или более мощные источники света, что может повлиять на скорость измерения или вызвать тепловое воздействие на образец.

Поэтому в практических приложениях необходимо найти баланс между чувствительностью и соотношением сигнал/шум. Будущие исследования могут быть расширены до более коротких или более длинных диапазонов длин волн в сочетании с образцами с низкой плотностью дефектов, чтобы повысить точность измерений и оптимизировать стратегии выбора длины волны для систем визуализации.

Если вам нужна пластина 4H-SiC для исследований или промышленного применения, свяжитесь с нами по электронной почте:[email protected] и [email protected].

 

Ссылки:

1. Фукудзава М. и Кудо Н. (2023). Экспериментальное исследование коэффициента фотоупругости и его дисперсии по длине волны для количественного изображения остаточной деформации в коммерческих подложках. Журнал электронных материалов, 52 (8), 5172-5177.
2. Хермс М., Ирмер Г., Спира С. и Вагнер М. (2021). Фотоупругая постоянная карбида кремния (0001) 4H определена методом сканирующей инфракрасной полярископии. физика статус солиди (а), 218(23), 2100198.