ในการศึกษาอีพิแทซีของเซมิคอนดักเตอร์ การแยกต่างกันของฟิล์ม-บางๆ วิศวกรรมการเคลื่อนที่ และออกไซด์เชิงฟังก์ชัน ความเครียดไม่ได้เป็นเพียงผลพลอยได้ลำดับที่สองของกระบวนการวิวัฒนาการการเจริญเติบโตของโครงสร้างเท่านั้น แต่ทำหน้าที่เป็นพารามิเตอร์ทางกายภาพหลักที่กำหนดโครงสร้างแถบพลังงานของระบบ พฤติกรรมโพลาไรเซชัน คุณสมบัติการขนส่งของผู้ให้บริการ และความเสถียรของอินเทอร์เฟซโดยตรง ความสำคัญของการวัดความเครียดในระบบกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่าน (TEM) อยู่ที่ความสามารถในการพัฒนาลักษณะเฉพาะของโครงสร้างจากการสังเกตการจัดเรียงอะตอมเพียงอย่างเดียวไปจนถึงการให้คำอธิบายเชิงปริมาณของการบิดเบือนของโครงตาข่าย
ในบรรดาวิธีการเหล่านี้ ปัจจุบัน Geometric Phase Analysis (GPA)¹ เป็นหนึ่งในเทคนิคการวิเคราะห์ความเครียดโดยใช้รูปภาพที่คลาสสิกและนำไปใช้กันอย่างแพร่หลายที่สุด- มันสามารถดึงความบิดเบี้ยวของโครงตาข่ายเฉพาะจุดโดยอาศัยกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องผ่านความละเอียดสูง (HRTEM) หรือภาพฟิลด์มุมมืดมืด- วงแหวนมุมสูง- ที่ได้รับจากกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่องกราดแบบสแกน (STEM{4}}HAADF) ซึ่งจะเป็นการสร้าง-ฟิลด์การกระจัดและฟิลด์ความเครียดสองมิติขึ้นใหม่ ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวิเคราะห์ความเครียดในท้องถิ่นของโครงสร้างระดับนาโนของเซมิคอนดักเตอร์
หลักการวัดความเครียด GPA
แนวคิดพื้นฐานของ GPA คือการใช้ข้อมูลเป็นระยะที่มีอยู่ในแถบขัดแตะภายในภาพขัดแตะ เลือกองค์ประกอบความถี่ที่สอดคล้องกับการสะท้อนของ Bragg เฉพาะในปริภูมิฟูริเยร์ และดึงข้อมูลการกระจัดของขัดแตะจากเฟสเรขาคณิต [1] ความเข้มของภาพ TEM ที่มีความละเอียดสูง-ของคริสตัลที่ปราศจากความเครียด-ที่สมบูรณ์สามารถแสดงเป็นอนุกรมฟูริเยร์ได้
ท่ามกลาง
$A_g$ หมายถึงแอมพลิจูดขององค์ประกอบฟูริเยร์นี้ และ $P_g$ หมายถึงเฟสของมัน สำหรับคริสตัลที่มีการบิดเบือนเฉพาะที่ ความสัมพันธ์ระหว่างเฟสเรขาคณิต $P_g(r)$ และฟิลด์การกระจัด $u(r)$ สามารถแสดงเป็น:
ดังนั้น แผนที่เฟสที่สอดคล้องกับจุดเลี้ยวเบนจุดเดียวสามารถให้การฉายภาพของสนามการกระจัดตามทิศทางของเวกเตอร์กลับกันเท่านั้น โดยการเลือกเวกเตอร์ซึ่งกันและกันที่ไม่ใช่-คอลลิเนียร์อิสระสองตัว จะสามารถสร้างฟิลด์การกระจัดสอง-มิติขึ้นมาใหม่ได้ การหาอนุพันธ์เชิงพื้นที่ของสนามการกระจัดจะทำให้เทนเซอร์ไล่ระดับการกระจัดซึ่งมีส่วนที่สมมาตรสอดคล้องกับเทนเซอร์ความเครียด ในขณะที่ส่วนที่ต้านสมมาตรสอดคล้องกับการหมุนของโครงตาข่ายเฉพาะที่ วิธีการคำนวณความเครียดแบบ GPA- ไม่ได้เกี่ยวข้องกับการอ่านค่าคงที่ของแลตทิซโดยตรง แต่จะคืนค่าการกระจัดเฉพาะที่ก่อน จากนั้นจึงรับสนามความเครียดจากสนามการกระจัด
ในเวิร์กโฟลว์การประมวลผลข้อมูลเฉพาะ โดยทั่วไปการวิเคราะห์ GPA จะต้องเลือกขอบเขตการอ้างอิงภายในรูปภาพเดียวกันซึ่งใกล้เคียงกับสถานะที่ไม่มีการบิดเบือนมากที่สุด พื้นที่อ้างอิงนี้มักจะเป็นบริเวณผลึกที่สม่ำเสมอซึ่งอยู่ห่างจากข้อบกพร่องหรือส่วนต่อประสาน ซึ่งใช้เพื่อกำหนดโครงตาข่ายอ้างอิง ต่อจากนั้น การเปลี่ยนเฟสของบริเวณเป้าหมายที่สัมพันธ์กับโครงตาข่ายอ้างอิงนี้จะถูกเปรียบเทียบเพื่อให้ได้การกระจายสายพันธุ์เฉพาะที่ ข้อดีของแนวทางนี้ได้แก่-ขั้นตอนการคำนวณที่เป็นที่ยอมรับ ความสามารถในการปรับตัวที่แข็งแกร่งกับภาพที่มีโครงข่ายปกติ และความสามารถในการส่งออกข้อมูลไปพร้อมๆ กัน เช่น εxx, εyy, εxy และการหมุนเฉพาะที่- ทำให้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับการวิเคราะห์ความไม่ตรงกันของอีพิเทแอกเซียล ความเข้มข้นของความเครียดใกล้กับแกนความคลาดเคลื่อน และการบิดเบือนของโครงตาข่ายในโครงสร้างระดับนาโน นอกจากนี้ ผลลัพธ์ของการวิเคราะห์ GPA ยังขึ้นอยู่กับคุณภาพของภาพ ขนาดของมาสก์ฟูริเยร์ เงื่อนไขการสุ่มตัวอย่าง และการเลือกขอบเขตอ้างอิง โดยทั่วไป หน้ากากที่ใหญ่กว่าจะให้ความละเอียดเชิงพื้นที่สูงกว่าแต่จะเพิ่มความไวต่อเสียงรบกวน ในทางกลับกัน หน้ากากที่มีขนาดเล็กกว่าจะให้ผลลัพธ์ที่นุ่มนวลกว่า แต่จะเฉลี่ยข้อมูลในท้องถิ่น ในระหว่างขั้นตอนการประมวลผลข้อมูลจริง จุดเลี้ยวเบนของ Bragg ที่ไม่ใช่-เชิงคอลลิเนียร์ที่มีดัชนีต่ำและอัตราส่วนสัญญาณสูง-ต่อ-สัญญาณรบกวนจะถูกจัดลำดับความสำคัญภายในรูปแบบการเลี้ยวเบน จากนั้นใช้มาสก์วงกลมที่มีขนาดเหมาะสมเพื่อรักษาจุดเป้าหมายเหล่านี้ ตามด้วยการแปลงฟูริเยร์ผกผันเพื่อให้ได้แผนที่การกระจายเฟสที่สอดคล้องกับเวกเตอร์ขัดแตะทั้งสองส่วนกลับ
โดยทั่วไปแล้ว นักวิจัยใช้วิธีการ GPA เพื่อวิเคราะห์เชิงปริมาณความคลาดเคลื่อนที่ไม่ตรงกันใกล้กับอินเทอร์เฟซในภาพ HRTEM หลังจากการวิเคราะห์เพิ่มเติมของการเคลื่อนตัวของส่วนต่อประสานที่สังเกตได้ สามารถสรุปเชิงปริมาณได้ เช่น การเคลื่อนตัวของความเครียดปล่อยความเครียดอย่างไร ขอบเขตของอิทธิพลของความเครียด และสนามความเครียดเป็นไปตามแบบจำลองทฤษฎียืดหยุ่นหรือไม่ ด้วยความก้าวหน้าในเทคนิคการแก้ไขความคลาดเคลื่อน วิธี GPA ได้ขยายจาก HRTEM แบบดั้งเดิมไปเป็นการถ่ายภาพที่มีความละเอียดอะตอมมิก-HAADF{3}}แบบ STEM เมื่อเปรียบเทียบกับรูปแบบขอบขัดแตะของ TEM รูปภาพ STEM-HAADF ให้ความละเอียดคอนทราสต์ขององค์ประกอบ ให้ความสามารถในการตีความได้ดีกว่าสำหรับวัสดุที่มีองค์ประกอบหลายองค์ประกอบและอินเทอร์เฟซที่ซับซ้อน และ-เหมาะสมอย่างยิ่งสำหรับการวัดตำแหน่งคอลัมน์อะตอมมิกที่แม่นยำในอินเทอร์เฟซที่ต่างกัน ซูเปอร์แลตทิซ และเซมิคอนดักเตอร์หลายชั้น
กรณีศึกษาการวิเคราะห์การตอบสนอง
กรณีที่ 1: การวิเคราะห์ความเครียดเฉือนแบบขัดแตะเฉพาะที่ในการทดลองการดัดงอในแหล่งกำเนิด-ของลวดนาโนนาโน
ในการทดลองการดัดงอ TEM ในแหล่งกำเนิดของ Ni nanowires การวิเคราะห์ GPA ได้ดำเนินการกับรูปภาพ HRTEM ที่มีความละเอียดอะตอม- เพื่อทำแผนผังการกระจายตัวของความเครียดเฉือนแบบ Lattice shear เฉพาะที่ภายในเส้นนาโนในระดับอะตอม ดังแสดงในรูปที่ 12. ในรูปที่ 1(a) พื้นที่ในกรอบสีเหลืองถูกกำหนดให้เป็นโซนอ้างอิงความเครียดเป็นศูนย์- รูปที่ 1(b) แสดงการกระจายแรงเฉือน $\\varepsilon_{xy}$ ที่ได้จากการวิเคราะห์ GPA โปรไฟล์เส้นความเค้นเฉือนเชิงปริมาณที่แยกจากรูปนี้แสดงอยู่ในรูปที่ 1 (c) โดยที่ความเค้นเฉือนที่สอดคล้องกันเพิ่มขึ้นจาก 0 เป็นประมาณ 35% จากซ้ายไปขวา ดังนั้น มุม $\\alpha$ ของระนาบคริสตัล {111} จะเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องจาก 70.5 องศา (โดยทั่วไปสำหรับโครงสร้าง FCC) เป็นประมาณ 109 องศาในระหว่างกระบวนการนี้ ตลอดกระบวนการนี้ ไม่พบความคลาดเคลื่อนที่มีนัยสำคัญในโครงตาข่าย ซึ่งเป็นการยืนยันเพิ่มเติมว่าการเสียรูปส่วนใหญ่มีต้นกำเนิดมาจากความเคลื่อน-แรงเฉือนของโครงตาข่ายต่อเนื่องอิสระ หลังจากปล่อยความเครียดแล้ว การวิเคราะห์ GPA ของภาพ HRTEM (รูปที่ 1 (d-f)) เปิดเผยว่า ความเครียดในภูมิภาคส่วนใหญ่กลับคืนสู่ระดับที่ค่อนข้างต่ำ ยกเว้นบริเวณแกนความคลาดเคลื่อน สิ่งนี้แสดงให้เห็นว่าลวดนาโนสามารถผ่านการเสียรูปเฉือนแบบขัดแตะที่สามารถกู้คืนได้อย่างมีนัยสำคัญต่อเนื่องและแปลเป็นภาษาท้องถิ่นได้ภายใต้สภาวะความเค้นดัดที่ซับซ้อน
รูปที่ 1 การวิเคราะห์ GPA ของความเครียดเฉือนแบบขัดแตะ (a) ภาพ HRTEM ของบริเวณความเครียดและ (b) แผนที่ความเครียดแรงเฉือน $\\varepsilon_{xy}$; ( c ) โปรไฟล์เส้นความเครียดแรงเฉือนเชิงปริมาณที่แยกจากบริเวณกล่องประใน ( b ) โดยมีความกว้างของเส้น 0.4 นาโนเมตร; (d) รูปภาพ HRTEM ของบริเวณที่ปล่อยความเครียดและ (e) แผนที่ความเครียดเฉือน $\\varepsilon_{xy}$; (f) โปรไฟล์เส้นความเครียดแรงเฉือนเชิงปริมาณที่แยกจากบริเวณกล่องประใน (e) โดยมีความกว้างของเส้น 0.6 นาโนเมตร
กรณีที่ 2: การวิเคราะห์ความเครียดของแลตทิซในโครงสร้างหลุมควอนตัม/จุดควอนตัมภายใน LED
รูปที่ 2 แสดงให้เห็นการกระจายตัวของความคลาดเคลื่อนใน LED-แบนด์หลาย-แบนด์เดียวและการจับคู่แลตทิซที่สอดคล้องกันภายในหลุมควอนตัมหลาย-หลุม (MQW) และจุดควอนตัมหลาย-จุด (MQBs)³ ขั้นแรก มีการใช้ BFTEM เพื่อระบุลักษณะการกระจายตัวของความคลาดเคลื่อน (รูปที่ 2(a)) ซึ่งเผยให้เห็นว่าความคลาดเคลื่อนมีความเข้มข้นส่วนใหญ่ที่ด้านล่างของชั้นบัฟเฟอร์เกรเดียนต์ InAsP- โดยเฉพาะอย่างยิ่งที่ส่วนต่อประสานระหว่างชั้นบัฟเฟอร์แรกและสารตั้งต้น InP ความเข้มข้นนี้มีสาเหตุมาจากความไม่ตรงกันของโครงตาข่ายอย่างมีนัยสำคัญระหว่างวัสดุทั้งสองนี้ ซึ่งทำให้เกิดการก่อตัวของการเคลื่อนที่ที่ไม่ตรงกัน ดังแสดงในรูปที่ 2(g–j) เมื่อการเจริญเติบโตของเยื่อบุผิวดำเนินไป ความคลาดเคลื่อนเหล่านี้จะเลื่อนไปตามระนาบ {111} และค่อยๆ ยุติหรือล็อค ดังนั้นความหนาแน่นของความคลาดเคลื่อนในชั้นบัฟเฟอร์ที่ตามมาจึงลดลงอย่างมีนัยสำคัญ การวิเคราะห์ GPA ของภาพ STEM-HAADF บ่งชี้ถึงความเข้มข้นของความเครียดเฉพาะที่ที่เด่นชัดใกล้กับแกนของความคลาดเคลื่อนที่ไม่ตรงกัน ในขณะที่บริเวณ MQW/MQB แสดงความเครียดตามขวางโดยรวมที่ใกล้- εxx ซึ่งแสดงให้เห็นถึงการจับคู่โครงตาข่ายที่สอดคล้องกันอย่างดีเยี่ยมระหว่างหลุมควอนตัมและสิ่งกีดขวาง นอกจากนี้ ความเครียดแนวตั้ง εyy เผยว่าความเครียดแรงดึงในหลุมควอนตัม InAsSb และความเครียดอัดในตัวกั้นควอนตัม InAsPSb จะชดเชยซึ่งกันและกัน ซึ่งบ่งชี้ว่าโครงสร้างนี้ปรับสมดุลความเครียดภายในภายในโครงสร้างเฮเทอโรได้อย่างมีประสิทธิภาพ เมื่อรวมผลการทดลองเหล่านี้-รวมถึงอินเทอร์เฟซที่คมชัดแบบอะตอมมิกและการไม่มีข้อผิดพลาดในการซ้อน- สรุปได้ว่าโครงสร้างนี้ทำให้เกิด-การเติบโตของอีพิเทแอกเซียลคุณภาพสูงและวิศวกรรมความเครียดที่เสถียร
รูปที่ 2 การกระจายความคลาดเคลื่อนใน-ชิปหลาย- LED แบนด์เดียว รวมถึงการจับคู่แลตทิซที่สอดคล้องกันภายในหลุมควอนตัมหลาย- (MQW) และจุดควอนตัมหลาย- (MQB) (a) ภาพตัดขวาง- BFTEM ของโครงสร้าง LED ประกอบด้วย-คลื่นอินฟราเรดสั้น (SWIR; ด้านบน), อินฟราเรดคลื่นกลาง- (MWIR; กลาง) และชั้นบัฟเฟอร์การไล่ระดับสี (ด้านล่าง); ภาพถูกซ้อนทับด้วยเส้นโค้งการกระจายองค์ประกอบรังสีเอ็กซ์-การกระจายรังสีเอกซ์แบบกระจายพลังงาน EDS ซึ่งแสดงให้เห็นการกระจายตัวและองค์ประกอบของอินเดียม (In) สารหนู (As) ฟอสฟอรัส (P) และพลวง (Sb) (b–j) STEM-รูปภาพ HADF พร้อมกับการกระจายที่สอดคล้องกันของความเครียดแนวนอน (εxx) และความเครียดแนวตั้ง (εyy) ที่ได้รับจากการวิเคราะห์ GPA ซึ่งสอดคล้องกับภูมิภาค SWIR ที่ด้านบน (b–d) ภูมิภาค MWIR ตรงกลาง (e–g) และชั้นบัฟเฟอร์การไล่ระดับสีที่ด้านล่าง (h–j) ทั้งหมดนี้อยู่บนพื้นผิว InP
กรณีที่ 3: การวิเคราะห์ความเครียดของโครงสร้างฟิล์มหลายชั้น BiFeO₃
ด้วยการใช้การถ่ายภาพ STEM-HAADF รวมกับการวิเคราะห์ GPA เชิงปริมาณ เราได้ตรวจสอบฟิล์มหลายชั้น BiFeO₃/Ca₀.₉₆Ce₀.₀₄MnO₃ (BFO/CCMO) ที่ปลูกบนซับสเตรต LaAlO₃ (001) (LAO) ดังที่แสดงในรูปที่ 3 การศึกษานี้ตรวจสอบว่าความหนาของฟิล์มควบคุมโครงสร้างจุลภาค การกระจายความเครียด และองค์ประกอบของเฟสอย่างไร ผลลัพธ์แสดงให้เห็นว่าฟิล์มหลายชั้น BFO/CCMO ทั้งหมดแสดงความผันผวนของอินเทอร์เฟซ โดยชั้น BFO ที่มีความหนามากกว่าแสดงความผันผวนที่เด่นชัดมากขึ้น ซึ่งเป็นการยืนยันโดยตรงว่าวิวัฒนาการของ-คุณลักษณะทางโครงสร้างจุลภาคของฟิล์มบางนั้นขึ้นอยู่กับความหนา⁴อย่างมาก
รูปที่ 3: รูปภาพ STEM-HAADF ของตัวอย่าง LAO/(BFO/CCMO)₄ ที่มี-ความหนาของ BFO ชั้นเดียวที่ (a) 20 UC และ (b) 16 UC (เซลล์หน่วย) พร้อมด้วย GPA ที่สอดคล้องกันใน-ผลลัพธ์การวิเคราะห์ความเครียดระนาบที่แสดงใน (c) และ (d) ตามลำดับ
ความสามารถในการให้บริการการวิเคราะห์ GRGTESTTEM
ห้องปฏิบัติการทดสอบและวิเคราะห์วงจรรวม GRGTEST Wuxi มีกล้องจุลทรรศน์อิเล็กตรอนแบบส่งผ่านแสง Thermo Fisher Scientific Talos F200X - สองเครื่อง การตั้งค่าการทดลองนี้ไม่เพียงแต่ช่วยให้สามารถระบุลักษณะทางสัณฐานวิทยา การถ่ายภาพที่มีความละเอียดสูง- และการวิเคราะห์องค์ประกอบ แต่ยังอำนวยความสะดวกในการถ่ายภาพความเครียดเฉพาะที่และการวิเคราะห์เชิงปริมาณของจุดเชื่อมต่อเฮเทอโรอิคชันของเซมิคอนดักเตอร์และโครงสร้างฟิล์มหลายชั้น
บริการทดสอบ TEM ของ GRGTEST ได้รับการปรับแต่งเป็นพิเศษสำหรับลูกค้าในอุตสาหกรรมเซมิคอนดักเตอร์ ซึ่งรวมถึงผู้ผลิตซับสเตรต Si/SiC ซัพพลายเออร์อุปกรณ์เซมิคอนดักเตอร์ โรงงานเวเฟอร์ และโรงงานบรรจุภัณฑ์ขั้นสูง นอกจากลูกค้าที่เน้นด้านเซมิคอนดักเตอร์-แล้ว GRGTEST ยังให้บริการแก่มหาวิทยาลัยและสถาบันวิจัยที่เกี่ยวข้องกับการวิจัยและพัฒนาวัสดุอีกด้วย GRGTEST ให้บริการทดสอบ TEM และการวิเคราะห์ความเครียดที่-มีประสิทธิภาพสูง -คุณภาพสูงสำหรับลูกค้าดังกล่าวทั้งหมด