Новый способ выявления нанодефектов и напряжений в структуре полупроводников разработан учеными из Национального Института Стандартов и Технологии (NIST). Опубликованные недавно в журнале Applied Physics Letters результаты способны не только оказать влияние на несколько инженерных и исследовательских областей, но также внести ясность в трактовку несовпадающих результатов измерения дефектов структуры двумя используемыми в настоящее время методами

Механические воздействия и напряжения в полупроводниковых устройствах вызываются смещением положений атомов кристаллической решетки при сжатии или растяжении, и являются сложным, но не всегда нежелательным явлением. Так, стрессовое воздействие на структуру материалов светоизлучающих диодов и лазеров может привести к смещению испускаемой длины волны и сократить срок эксплуатации приспособлений; напряжения в MEMS (микроэлектромеханических устройствах) могут отразиться на их форме, вызвать механические изломы и так же привести устройство в нерабочее состояние. В то же время, есть ряд примеров, когда напряжения необходимы для правильного функционирования микросистемы, например их разумное влияние повышает скорость работы транзисторов без каких-либо других изменений архитектуры.

«Область инженерии, изучающая влияние напряжений в материалах, позволяет повышать производительность выпускаемых полупроводниковых устройств на базе используемых промышленных технологий, – рассказывает физик-исследователь из NIST Роберт Кук (Robert Cook). – Таким образом, это позволяет избегать сложных инженерных задач и неоправданной замены используемых материалов».

Изображение напряжений в кварцевом кристалле, вызванное механическим воздействием клина длиной 20 мкм, созданное с помощью конфокальной Рамановской микроскопии. Картина отражает не структуру кварца, а магнитуду (величину энергии) напряжения в кристалле и компрессионные напряжения вокруг области воздействия клина. Красные зубцы отображают напряжения растяжения материала, сопровождавшие повреждения материала по краям

Как полезные, так и разрушающие материал напряжения необходимо уметь четко выявлять и описывать, поскольку информация о дефектах структуры и напряжениях чрезвычайно важна при конструировании полупроводниковых устройств. В то время как размеры компонентов создаваемых микроструктур становятся все меньше и меньше, становится все труднее выявлять изменения структуры, тем более что примененные к таким малым объектам измерения два различных и широко используемых метода стали показывать различные результаты.

Первый метод – метод дифракции обратно рассеянных электронов (EBSD) выявляет напряжения в наблюдаемом материале, зондируя электронами различные плоскости кристалла. С помощью второго метода – конфокальной Рамановской микроскопии (CRM) происходит измерение мельчайших сдвигов частоты фотонов, которые взаимодействуют с межатомными связями в кристалле: частота изменяется, если межатомные расстояния и связи не отвечают стабильному состоянию кристалла.

Группа ученых из NIST применила наиболее чувствительные и специально откалиброванные приборы для обоих методов с целью выяснения причин противоречивых результатов.

Ключевым фактором, влияющим на конечный результат измерений, как было показано, является глубина проникновения в материал зондирующего излучения. Пучок электронов сканирует лишь 20–30 нанометров поверхности образца, в то время как индуцируемые с помощью лазера фотоны, используемые в CRM, проникают на микрометр и даже глубже. Ученые также выяснили, что с помощью варьирования характеристик инструмента, таких как длина волны испускаемых фотонов и фокусировка микроскопа, происходит изменение глубины проникновения фотонов и изучение различных слоев материала. При приближении к поверхности оба метода показывают хорошо согласующиеся результаты.

Еще одним итогом проведенной работы является демонстрация успешного комбинирования возможностей этих двух методов для получения наиболее полной и объективной картины наноразмерных исследований напряжений и дефектов в материалах. С помощью метода дифракции обратно рассеянных электронов, позволяющего работать близко к поверхности, можно получить изображения с разрешением менее чем в 10 нм. Разрешение CRM в 10 раз грубее, однако с помощью этого метода становится возможным описать профиль напряжений в глубине материала.

Мария Костюкова