硅 (Si) 的應變/應力評估技術

變形（失真）發(fā)生在施加壓力或應力的物質的晶體結構中。由物質的晶體結構和分子振動引起的拉曼散射光的頻率由于其應變而發(fā)生變化。這是拉曼散射的特征，拉曼散射是非彈性碰撞散射，與瑞利散射相反，瑞利散射是彈性碰撞散射，其中與激光具有相同頻率的光被散射。拉曼光譜用于分析材料的應變和應力，成像可以實現(xiàn)應力和應變映射。

■拉曼光譜測量應變和應力的能力
具有應變（應變）的晶體具有拉曼散射光，與未應變的晶體相比，該光發(fā)生了頻移。如下圖所示，與未應變硅的拉曼散射（此處為 ωs2）相比，在壓縮應力下硅的拉曼散射（此處為 ωs1）向更高頻率移動。硅在 520 cm -1處具有光學模式（F2g 模式） 。該峰對晶體應變敏感，已知由拉應力引起的應變向低波數(shù)側移動，由壓應力引起的應變向高波數(shù)側移動。

▲ 拉曼散射光由于壓縮應力而向更高的波數(shù)移動

■ 根據峰值偏移量計算應力
520 cm -1處的峰值波數(shù)偏移量與應力成比例增加。因此，通過準確地測量波數(shù)偏移，也可以準確地測量應變。為了測量準確的波數(shù)偏移量，使用了具有高波數(shù)分辨率的測量儀器和取峰重疊的方法。通過增加光譜儀光柵的色散可以實現(xiàn)高波數(shù)分辨率。此外，可以通過從光譜分析確定峰值位置并計算從未失真狀態(tài)下的光譜峰值位置的偏移量來確定照射位置的應變狀態(tài)。

▲ 520 cm -1由于壓應力和拉應力的峰值偏移

■ 觀察硅(Si) 應力分布
通過拉曼成像可以檢測到硅晶體中的缺陷和應變。右圖是測量硅 (Si) 晶片上的劃痕的圖像。硅中出現(xiàn)在520 cm -1的拉曼峰由于應力引起的晶格中的應變而移動。可以通過對峰值位置的移動進行成像來觀察應力分布。黃色區(qū)域表示向較低波數(shù)的轉變，深藍色區(qū)域表示向較高波數(shù)的轉變。可以觀察到，在劃痕周圍的區(qū)域中，晶格因壓縮應力和拉伸應力而變形。RAMANtouch/RAMANforce 可以檢測和成像 0.1cm -1的峰值偏移。RAMANtouch/RAMANforce 可用于應變硅（應變硅、應變硅）和硅薄膜的拉曼成像。高速圖像采集可在短時間內進行測量。

測量時間：10分鐘，應力=-250 MPa × Δν(cm -1 )