Ramanova spektroskopie je vysoce citlivá na jemné změny struktury krystalové mřížky polovodičových materiálů. Pokud je polovodič při výrobě namáhán (tlakem, tahem či nějakým sofistikovanějším způsobem), jeho molekulární vazby se mírně posouvají, a mění se tak vibrační frekvence mřížky („lattice“: mřížkové vibrace). Měřením těchto jemných posunů v Ramanových spektrech lze odvodit intenzitu a typ napětí přítomného v polovodičovém materiálu. Takové informace jsou zásadní v technologii výroby polovodičů, protože i malé množství napětí (strain) může výrazně ovlivňovat (pozitivně i negativně) vlastnosti materiálu a následně kvalitu vyráběného zařízení.
Výroba integrovaných obvodů zahrnuje mnoho kroků včetně různých typů ošetření a také formace vnořených mikrostruktur, což zahrnuje i depozici materiálů s různou krystalovou mřížkou a tepelnou roztažností. Tyto kroky při výrobě mohou vést k vývoji napětí vedoucího až k deformaci materiálů. Napětí v polovodičích vede ke změnám v optických a elektronických vlastnosti, jako jsou změny nelineárních optických jevů, band-gap a mobilita nosičů elektronů. Ovlivňuje také šíření dislokací, vytváření trhlin a dutin. V některých případech je ovšem do polovodičových materiálů zabudováno napětí cíleně, pro vylepšení některé konkrétní vlastnosti. V obou případech je nutné mít k dispozici měřicí techniku pro monitoring a optimalizaci těchto jevů při výrobě polovodičů.
Vzorek na obrázku je heteroepitaxní vrstvený polovodič. Nanomembrána z 41 nm silné vrstvy Si-Ge je deponována na křemíkový substrát a poté zakryta další 23 nm silnou vrstvou (Epi vrstva) křemíku. Nesoulad mezi krystalovou mřížkou vrstev Si-Ge a křemíku (Si) má za následek napětí (strain). V rámci finalizace výroby je nakonec spodní křemíkový substrát (Si Substrate) odstraněn, ale v tomto příkladě není Ramanova imagingu ještě výsledná nanomembrána ze substrátu uvolněna. To způsobuje „vrásky“ pozorované na vzorku. Tmavý kruh uprostřed „vrásky“ je díra v polovodičové nanomembráně, která umožňuje přístup ke křemíkovému substrátu a je součástí procesu k finálnímu uvolnění nanomembrány od Si substrátu.
Měřená plocha vrstveného polovodiče je 62,5 μm x 67,9 μm, mapováno pomocí Ramanova imaging mikroskopu DXR3xi s excitačním laserem 455 nm (velikost pixelu pro imaging byla 0,1 mikrometru, použitý objektiv se zvětšením 100x).
Barvy výsledného imagingu vizuálně reprezentují posun v umístění křemíkového píku. Bílá barva odpovídá standardnímu umístění pásu 520,7 cm-1 křemíkového substrátu (díra uprostřed vrásky), čím tmavší barvy, tím více se pás křemíku 520,7 cm-1 posouvá k nižším vlnočtům (žlutá 518,8 cm-1 až černá 512,4 cm-1). Čím větší posun této křemíkové vibrace, tím větší napětí (strain).
Další literatura:
Maximilian Ries, Fabian Heisinger: Using Raman spectroscopy to determine the strain in semiconductor samples, Thermo Fisher Scientific Application note
Robert Heintz, Alexander Rzhevskii: Evaluating Silicon using Raman Microscopy,
Thermo Fisher Scientific Application note