Studie av den fotoelastiska konstanten för 4H-SiC+

PAM-XIAMEN kan erbjuda ledande och halvisolerande 4H-SiC-substrat för experimentell forskning. För mer specifikationer, vänligen kontakta[email protected]

När diametern på kiselkarbidsubstrat (SiC) fortsätter att öka, blir enhetligheten hos kvarvarande töjning inuti dem en nyckelfaktor som påverkar enhetens prestanda och tillförlitlighet. Traditionella töjningsdetekteringsmetoder som röntgendiffraktion och Ramanspektroskopi har hög noggrannhet, men deras mäthastighet är långsam och området är begränsat, vilket gör dem olämpliga för stora substrat. Däremot har fotoelastisk teknologi fördelarna med snabb och full fältmätning, speciellt lämplig för återstående töjningsavbildning av SiC-substrat.

Kärnan i fotoelastisk teknologi ligger i det exakta förvärvet av fotoelastisk konstant. Denna konstant beskriver ett materials känslighet för förändringar i brytningsindex under spänning, och är den fysiska grunden för att uppnå kvantitativ omvandling från dubbelbrytningsmätning till spänningsmätning. Studiet av den fotoelastiska konstanten för 4H-SiC är dock fortfarande otillräckligt, särskilt dess variation med våglängd har inte systematiskt utforskats.

1. Grundläggande och konstanta definitioner av fotoelastisk teknik

Den fotoelastiska effekten kan beskrivas av den optiska spänningslagen. För hexagonala kristaller som 4H-SiC uppvisar de optisk isotropi i (0001)-planet, och den fotoelastiska effekten kan förenklas som:

I formeln är Δn dubbelbrytning, σ1−σ2 är huvudspänningsskillnaden, π11− π12 är den piezoelektriska koefficienten, som också kan omvandlas till fotoelastisk konstant Cσ. I praktiska tillämpningar används ∣p11−p12∣ ofta som en karakteriseringsparameter för den fotoelastiska koefficienten.

2. Experimentella metoder och bestämning av fotoelastiska konstanter

Den exakta bestämningen av den fotoelastiska konstanten är nyckeln till att uppnå kvantitativ analys av kvarvarande spänning. Forskare har utvecklat olika experimentella metoder för 4H-SiC-material, allt från traditionell trepunktsböjningstestning till avancerad skanningsteknik på wafernivå, vilket ger diversifierade lösningar för att erhålla tillförlitliga fotoelastiska parametrar.

2.1 Trepunktsböjningsmetod och multivåglängdsmätning

Fukuzawa et al. genomförde trepunktsböjningsexperiment på 4H-SiC-substrat med användning av en egenutvecklad bildpolarisator (xIPS) vid tre våglängder på 630nm, 940nm och 1200nm. Genom att mäta dubbelbrytningsfördelningen ∣Δn∣ och kombinera den med ∣σ1−σ2∣-fördelningen som erhålls från finita elementsimulering, utförs regressionsanalys för att erhålla ∣p11−p12∣.

Fig. 1 Linjärt samband mellan Δn och σ1−σ2

De experimentella resultaten visade att ∣p11−p12∣ var 0,040, 0,090 och 0,13 vid 630nm, 940nm respektive 1200nm, vilket indikerar att koefficienten ökar med våglängden.

2.2 SIRD-system och centrifugalladdningsmetod

Hermes et al. genomförde radiella laddningsexperiment på (0001) 4H SiC-substrat med användning av en scanning infraröd depolarisator (SIRD) vid en våglängd av 1300 nm. Genom att justera belastningskraften genom att ändra rotationsfrekvensen mäts ekvivalentvärdet av skjuvspänningen G och kompressionskoefficienten (π11−π12)=(−3,3±0,5)×10^-13Pa⁻¹och den fotoelastiska konstanten Cσ=(−2,8±0,4)×10^-12Pa⁻¹är härledda. Även om den höga defektdensiteten och olikformigheten hos det studerade materialet resulterar i relativt stora fel, är de erhållna värdena i god överensstämmelse med ett fåtal befintliga data i litteraturen och är lämpliga som standardparametrar för kvantitativ spänningsanalys av liknande wafers.

Fig. 2 Linjärt samband med (G-G0) och kvadraten på rotationsfrekvensen

Genom att kombinera trepunktsböjningsmetoden med SIRD centrifugal laddningsmetod, erhöll forskare inte bara de viktigaste fotoelastiska parametrarna för 4H-SiC i det synliga till infraröda våglängdsområdet, utan etablerade också en komplett stresskvantitativ analysförmåga från laboratorieprover till wafers av industriell kvalitet.

3. Våglängdsspridningsfenomen och tekniska avvägningar

Fukuzawa et al. avslöjade först systematiskt det signifikanta våglängdsspridningsbeteendet för den fotoelastiska koefficienten ∣p11−p12∣ i det synliga till nära-infraröda våglängdsområdet. Forskningsresultaten indikerar att värdet av denna koefficient ökar monotont med våglängden, och denna trend är omvänt proportionell mot fotonenergi, vilket är ett vanligt fysiskt fenomen i kubiska och hexagonala kristaller, och överensstämmer med Adachis teoretiska och experimentella forskningsslutsatser om III-V-halvledare.

Fig. 3 Trend för ∣p11−p12∣ med våglängdsvariation

Ännu viktigare, spridningskurvan tyder starkt på att värdet på ∣p11−p12∣ kan närma sig noll vid en våglängd kortare än 630nm. Denna upptäckt har haft en djupgående inverkan på den praktiska tillämpningen av fotoelastisk bildteknik, eftersom den direkt introducerar kärnavvägningen mellan fotoelastisk känslighet och mätsignal-brusförhållande (SNR). Denna upptäckt har en viktig vägledande betydelse för val av våglängd vid fotoelastisk avbildning:

Kort våglängd: Fotonenergin är hög, SNR är utmärkt, vilket hjälper till att upptäcka svagare signaler; Känsligheten för fotoelasticitet är emellertid låg och det optiska svaret som genereras under samma påkänning är mycket litet, vilket inte bidrar till att noggrant kvantifiera töjningen;

Lång våglängd: hög känslighet för fotoelasticitet, vilket avsevärt förbättrar känsligheten för spännings-/töjningsdetektering; Men SNR är dåligt och för att erhålla mätbara signaler kan längre exponeringstider eller ljuskällor med högre effekt krävas, vilket kan påverka mäthastigheten eller orsaka termiska effekter på provet.

Därför måste en balans göras mellan känslighet och signal-brusförhållande i praktiska tillämpningar. Framtida forskning kan utökas ytterligare till kortare eller längre våglängdsområden, kombinerat med prover med låg defektdensitet, för att förbättra mätnoggrannheten och optimera våglängdsvalsstrategier för avbildningssystem.

Oavsett om du behöver 4H-SiC wafer för forskning eller industriella tillämpningar, vänligen kontakta oss via e-post på[email protected] och [email protected].

 

Referenser:

1. Fukuzawa, M., & Kudo, N. (2023). Experimentell studie av den fotoelastiska koefficienten och dess våglängdsspridning för kvantitativ avbildning av kvarvarande stam i kommersiella sic-substrat. Journal of Electronic Materials, 52(8), 5172-5177.
2. Herms, M., Irmer, G., Spira, S., & Wagner, M. (2021). Den fotoelastiska konstanten för (0001) 4H kiselkarbid bestämd genom skanning av infraröd polariskopi. physica status solidi (a), 218(23), 2100198.