Yarı iletken endüstrisinde, Raman spektrometreleri endüstriye yarı iletken malzemelerin temel özelliklerini incelemede yardımcı olabilir. Silisyum (Si), germanyum (Ge) gibi tek elementler içeren yarı iletkenler ve çinko selenyum (ZnSe) ve galyum arsenit (GaAs) gibi birden fazla bileşenden oluşan yarı iletkenler yarı iletkenler. Malzeme üretim aşamasında, bu yarı iletken malzemelerin özellikleri sonraki gofret üretim ve IC paketleme süreçlerinin kalitesini belirleyecektir. Bu aşama en önemli adımdır.
Wafer üretim sürecinde Raman spektrometresinin proses analizi ve kalite kontrol aracı olarak kullanılması, ürün kalitesinin iyileştirilmesine, verim oranının artırılmasına ve dolayısıyla toplam verimin yükseltilmesine yardımcı olacaktır.
Günümüzde yarı iletken endüstrisinde Raman spektrometrelerinin tipik uygulamaları şunlardır:
- Maddi saflık;
- Kirleticilerin tanımlanması;
- Alaşım bileşimi;
- Süper kafes yapısı;
- İçsel stres ve zorlanmanın karakteristik faktörleri;
- Kusur analizi;
- Yarıiletken heteroyapılar;
- Heterojunksiyonların Doping Etkileri.
ZnSe Nedir?
ZnSe, çinko karışım yapısı ve doğrudan bant aralığına sahip tipik bir II-VI yarı iletken malzemedir. Oda sıcaklığında (300K) yasak bant genişliği 2.698eV'dir ve düşük sıcaklıkta (<10K) yasak bant genişliği 2.821ev'dir ve bu da 459.4nm dalga boyuna sahip mavi ışığa karşılık gelir.
ZnSe'nin Uygulamaları ve Araştırmaları
Yüksek vakumda ZnSe tozunun termal buharlaştırılması uygulandı. 30 nm ile 1 µm arasındaki kalınlıklarda ZnSe monokatmanları oda sıcaklığında c-Si ve cam alt tabakalar üzerine biriktirildi.
Ek olarak, aynı biriktirme tekniğiyle hazırlanan SiOx/ZnSe periyodik çok katmanlı filmler 2 ve 4 nm'lik ZnSe katman kalınlıklarıyla araştırıldı. Raman spektrumları, He-Cd lazerinin 295 nm çizgisi ve Ar+ veya Ar+/Kr+ lazerinin farklı çizgileri kullanılarak 442K'de ölçüldü. Gözlemlenen Raman imzaları, çoklu optik fonon (1LO ila 4LO) ışık saçılması ve ZnSe tek katmanlarının ve çok katmanlarının rastgele yönlendirilmiş kristalin ZnSe tanecikleriyle ilişkilidir.
15LO bandının nispeten büyük çizgi genişlikleri (≈1 cm-1) gözlemlendi; bu, tanelerdeki kafes bozulmaları ve 100 nm'den daha ince katmanlarda amorf fazların varlığı ile ilişkilidir.
Raman Analizinde ZnSe'nin Davranışı
Deneylerdeki tüm ölçümler oda sıcaklığında havada gerçekleştirildi. Aynı grafiğe çizilen tüm spektrumlar aynı şekilde ölçeklendirildi.
Üst paneller, üç lazer uyarımı altında ölçülen 1 µm (a) ve 30 nm (b) ZnSe monokatmanlarının ve SiOx (4 nm)/ZnSe (4 nm) çoklu katmanlarının (c) Raman spektrumlarını temsil eder.
Şekil 1a, Corning 1 cam alt tabaka üzerine biriktirilmiş 7059 µm kalınlığındaki bir ZnSe tabakasının üç Raman spektrumunu göstermektedir. Rezonans Raman saçılma koşullarına yakın uyarım koşullarında daha iyi çözünürlük elde edilir.
Raman sinyalinin en kaslı artışı, uyarım ışığının malzemenin optik bant aralığı Eg0'a yakın olduğu zaman gözlemlenir. 1LO bandı, 457.9 nm çizgisi tarafından uyarılan Raman spektrumunda en yoğun bant olduğundan, bu çizginin enerjisi optik bant aralığına yakın olmalıdır.
Bu, 1 µm kalınlığındaki bir ZnSe tabakasının optik bant aralığı için optik emilimin kristalin yarı iletkenlerde doğrudan izin verilen elektronik geçişler yasalarını izlediğini gösteren önceki sonuçlarla tutarlıdır.
Şekil b ve c sırasıyla 30 nm kalınlığındaki ZnSe tabakasının ve SiOx(4nm)/ZnSe(4nm) çok tabakasının Raman spektrumlarını göstermektedir.
Her iki numune de c-Si alt tabakasına biriktirildi ve gözlenen dar katı bant, alt tabakadan saçılma nedeniyle 521 cm-1'de zirve yaptı. 1LOZnSe bant yoğunluğu, azalan uyarım dalga boyuyla artar ve 4 tepeden oluşan bir seri yalnızca 457.9 nm çizgisi tarafından uyarılan spektrumda görülebilir.
Ancak pratikte, SiOx/ZnSeML (2 ile 10 nm arasında çeşitli kalınlıklarda) Raman spektroskopisi ile 442 nm çizgisi kullanılarak karakterize edildi ve Raman spektrumunda rezonans davranışı gösterdi. Bu, katman kalınlığı ile bant aralığı enerjisinin boyut kaynaklı değişimiyle ilişkilidir.
Yukarıda, 442 nm uyarım ışığı kullanılarak ölçülen dört farklı kalınlıktaki ZnSe monokatmanlarının Raman spektrumları gösterilmektedir (gösterilmiştir).
30 nm lazer çizgisi kullanılarak ölçülen 100 ila 442 nm arasındaki kalınlıklara sahip bir dizi ZnSe monokatmanının Raman spektrumlarını tasvir eder. 1 nm katmanının 30LO bandının yoğunluğu diğer numunelerin yoğunluğundan önemli ölçüde daha yüksektir. Raman sonuçları, 50 nm'den daha az kalınlığa sahip ZnSe katmanının küçük tane boyutu nedeniyle iyi kimyasal duyarlılık gösterebileceğini göstermektedir.
Özetlemek
Aşamalı termal vakum buharlaştırma kullanılarak, oda sıcaklığında biriktirilen ince ve ultra ince ZnSe katmanlarının yapısal karakterizasyonu için Raman spektroskopisinin uygulanması. Üç farklı Ar+ lazer çizgisiyle uyarım altında yapılan ölçümler, 1LO bant yoğunluğunun, katman kalınlığından bağımsız olarak 457.9 nm çizgisiyle uyarıldığında maksimuma ulaştığını göstermektedir.
442 nm çizgisiyle yapılan ölçümler, enerjisinin ML'deki en ince tek tabaka ve ZnSe tabakasındaki taneciklerin optik bant aralığına 457.9 nm çizgisine göre daha yakın olduğunu göstermektedir. Bu gözlem taşıyıcı sınırlamasını gösterir ve bu tabakalardaki tanecik boyutunun yaklaşık 10 nm olduğunu ima eder.
