اندازه‌گیری دقیق فشارهای نانومتری در مواد

یک تیم از محققان مؤسسه‌ی ملی استاندارد و فناوری آمریکا (NIST) توانستند مقادیر بسیار اندک فشار و کشش را در مناطق کوچکی از یک ابزار نیمه‌هادی به پهنای 10 نانومتر اندازه بگیرند. نتایج اخیر این محققان، نه تنها طراحی نسل بعدی مدارهای مجتمع را تحت تأثیر قرار خواهد داد، بلکه به اختلاف نظرهای دیرینه در مورد نتایج روش‌های متفاوت اندازه‌گیری فشار در نیمه‌هادی‌ها پایان خواهد داد.
فشار و کشش مکانیکی در نیمه‌هادی‌ها و دیگر وسایل، ناشی از وجود اتم‌هایی در شبکه مولکولی است که نسبت به حالت عادی خود دچار فشار یا کشش شده باشند. این یک پدیده‌ی پیچیده است که البته همیشه مضر نیست. فشار در ساختار دیودهای نورافشان (LED) و لیزرها می‌تواند باعث تغییر رنگ نور خروجی و کاهش عمر ابزار گردد. فشار در سیستم‌های میکروالکترومکانیکی (MEMS) نیز می‌تواند منجر به شکست و خمش گردد.

تصویر میکروسکپی رامان هم کانونی از یک بلور سیلیکون که توسط یگ گوة 20 نانومتری تحت فشار قرار گرفته است.
تصویر: Stranick, NIST

از سوی دیگر، اعمال عمدی فشار در میکرومدارهای مدرن می‌تواند منجر به افزایش سرعت ترانزیستور گردد، بدون اینکه نیاز به تغییر در طراحی ترانزیستور باشد. فیزیکدان NIST، روبرت کوک می‌گوید: "مهندسی فشار موجب شده است که کارایی ادوات در صنعت نیمه‌هادی، بیش از حد انتظار و با هزینه‌ی بسیار اندک افزایش یابد."
اما شکی نیست که فشار چه از نوع خوب و چه از نوع بد، نیاز به اندازه‌گیری دارد، تا بتوان آن را در کنترل درآورد. اما هرچه اندازه‌ی میکرومدارها کوچک‌تر شود، اندازه‌گیری فشار هم سخت‌تر می‌شود، به‌خصوص که دو روش متفاوت و پرکاربرد اندازه‌گیری فشار، نتایج متفاوتی را به دست می‌دهند.
در روش اول، که موسوم به تفرق الکترون‌های بازگشتی (EBSD) است، فشار بر ساختار بلوری، به روش ارزیابی الگوی الکترون‌های برگشتی از صفحات بلوری اندازه‌گیری می‌شود. اما در روش دوم یا میکروسکپی رامان هم‌کانونی (CRM) اندازه‌گیری فشار بر مبنای تغییر در فرکانس فوتون‌هایی است که با پیوندهای اتمی در بلور تعامل دارند؛ یعنی تغییر فرکانس وابسته به میزان فشاری است که بر پیوندها وارد شده است.
تیم تحقیقاتی NIST از نسخه‌ی بهینه شده و بسیار حساس هر دو روش استفاده کردند تا با اندازه‌گیری‌های مقایسه‌ای بتوانند اختلاف‌ها را رفع کنند.
نکته‌ی اصلی که از مطالعات آنها روشن شد، عمق نفوذ دو تکنیک بود. پرتوهای الکترونی فقط تا عمق 20 تا 30 نانومتری ماده نفوذ می‌کرد، در صورتی که فوتون‌های لیزری در روش رامان ممکن است تا عمق یک میکرومتر یا حتی بیشتر نفوذ کند. محققان NIST دریافتند که با تغییر طول موج فوتون‌های رامان و تعیین نقطه تمرکز (فوکوس) میکروسکوپ می‌توانند عمق نفوذ و اندازه‌گیری در روش رامان را تعیین کنند؛ و هرگاه که این عمق در حد لایه‌های بالایی بلور تنظیم می‌شد، نتایج با آنچه از روش EBSD به دست می‌آمد سازگار بود.
به این ترتیب مشخص شد که روش EBSD فشارهای نزدیک به سطح را به دست می‌دهد، درحالی‌که با روش رامان می‌توان پروفایل‌های فشار را برای اعماق بیشتری از ماده به دست آورد.
مطالعات این گروه همچنین امکان استفاده‌ی ترکیبی از دو تکنیک را نشان داد تا با این روش بتوان اندازه‌گیری‌های دقیق تری از فشار در سیلیکون ارائه داد، که می‌تواند منجر به بهبود مواد و فرایندها در ساخت ادوات الکترونیکی شود.
نتایج این تحقیق در مجله‌ی Applied Physics Letters منتشر شده است.
منبع: نانو تکنولوژی