Study on the subsurface damage dept

Study on the subsurface damage depth in machined silicon wafers by the laser-ultrasonic method
A.A. Karabutova, , N.B. Podymovab, ,
Show more
doi:10.1016/j.csndt.2014.03.002
Get rights and content
Abstract
This work aims at applying the laser-ultrasonic method for nondestructive evaluation of the depth of the subsurface damage in machined silicon wafers. It is based on different mechanisms of laser excitation of ultrasound by absorption of Q-switched Nd:YAG laser pulses at the fundamental wavelength: the concentration–deformation mechanism in the single-crystalline silicon and the thermoelastic one in the damaged layer. Due to the uniform heating of the whole damaged layer during the laser pulse action the amplitude of the compression phase of the laser-induced ultrasonic signal is proportional to the damaged depth. The rarefaction phase of this signal arises by absorption of the rest of laser energy in the single-crystalline silicon beneath the damaged layer. The empirical relation between the depth of the subsurface damage and the ratio of the amplitudes of compression and rarefaction phases of the laser-induced ultrasonic signal can be fitted by a linear function within the depth variation and the corresponding spread of the signal amplitudes. This relation can be used for in situ quantitative nondestructive evaluation of the depth of the subsurface damage in machined silicon wafers; the minimal reliably detectable depth is estimated at the level of 0.15–0.2 μm.

1. Introduction
As the primary substrates for microelectronic devices, silicon wafers are manufactured through a series of processes, such as crystal growth, machine slicing, flattening, etching and polishing. The subsurface damage up to tens of microns deep induced during mechanical treatment such as slicing and grinding must be removed by subsequent etching and polishing. These final processes must be finished at a certain level to ensure the wafers or chips keep sufficient strength. Therefore there is a critical need to assess the depth of the subsurface damage during the silicon wafer treatment. Various methods are known for this purpose, such as, for example, X-ray diffraction, micro-Raman spectroscopy, scanning electron microscopy and specific types of surface wave acoustic microscopy (see, for example, [1], [2] and [3]). Although considerable research has been conducted to use these nondestructive methods, many problems remain. For example, it is extremely time-consuming to study the entire wafer with the methods of X-ray diffraction and micro-Raman spectroscopy, photoluminescence is not effective at room temperatures. Besides, all of these methods are quite expensive.

The aim of the present work is to demonstrate the possibility of the novel laser-ultrasonic method for in situ quantitative nondestructive evaluation of the depth of the subsurface damage in machined silicon wafers.

2. Material and method
Schematic representation of the investigated specimens of machined silicon wafers is shown in Fig. 1a. The example of the scanning electron microscopy (SEM) image of the butt of an investigated specimen of a machined silicon wafer is shown in Fig. 1b. Big grits at the butt are wafer pieces electrostatically attracted after wafer's breaking. The subsurface damage depth Ld was determined as the “valley” depth of a visually observed relief using the scale of the SEM images. The total thickness of the investigated wafers and the results of SEM measurements of the subsurface damage depth Ld are presented in Table 1. The mean values 〈Ld〉 for all specimens were calculated with the SEM results obtained in ten different points randomly chosen on the arbitrary area of 30 mm×30 mm for each specimen.

Full-size image (25 K)
Fig. 1.
Schematic representation (a) and the example of the SEM image of the butt (b) of an investigated specimen of a machined silicon wafer.
Figure options
Table 1.
The total thickness and the subsurface damage depth of the investigated silicon wafers.
Specimen Total thickness H (μm) Mean value 〈Ld〉 (μm) Standard deviation of Ld (μm)
Etched wafer 205 – –
Machined wafers
#1 230 1.65 0.12
#2 250 1.89 0.15
#3 240 2.23 0.33
Table options
The proposed laser-ultrasonic method is based on different mechanisms of laser generation of ultrasound in the single-crystalline silicon and in the damaged subsurface layer by absorption of the Q-switched Nd:YAG laser pulsed radiation at the fundamental wavelength λ=1064 nm with the characteristic pulse duration τL∼10−8 s.

The concentration–deformation mechanism of laser excitation of ultrasound in the single-crystalline silicon by absorption of laser radiation takes place when the condition ħωL⩾Eg is satisfied. Here ħωL=1.17 eV is the quantum energy of the laser light, Eg=1.12 eV is the band-gap energy for silicon. In this case the all absorbed laser energy is spent to produce the photoexcited electrons. Therefore the variation of density is determined by the change of interaction forces between ions of crystalline lattice after the detachment of electrons from atoms and it is not connected with heating of a crystal. The amount of absorbed energy E in a single-crystalline silicon wafer can be evaluated as E=E0exp(−μaH), where μa=10 cm−1 is the interband light absorption coefficient in silicon at the wavelength 1064 nm, E0 is the energy of the incident laser pulse, H is the wafer thickness. This mechanism of laser excitation of ultrasound in the single-crystalline silicon was observed and briefly described in [4] for the first time.

The stress induced by generation of photoexcited electrons is proportional to the concentration n of the photoexcited electrons [5]:

equation(1)
View the MathML source
Turn MathJax on

where ρ0 and n0 are the equilibrium values of the density of a crystal and of the atom concentration, c0 is the phase velocity of longitudinal acoustic waves in a crystal. As a result of the phenomenological analysis of this process we get the expression:
equation(2)
View the MathML source
Turn MathJax on

where D is the constant of the deformation potential. For silicon |D|=8 eV and D>0, therefore the photoexcitation process causes compression of a crystal. In our case the concentration of photoexcited electrons in a single-crystalline silicon wafer will rise in the course of the laser pulse (within the time ∼τL). After the laser pulse action and until relaxation of photoexcited electrons their distribution will be uniform throughout the whole thickness of a wafer since the condition μaH≪1 is fulfilled (the time of relaxation of photoexcited electrons is τR∼10−6 s, see Chapt. 4 in Ref. [5]).
In a damaged subsurface layer the crystalline structure of silicon is broken, so the life time of photoexcited electrons substantially decreases due to their impact with structure defects (instantaneous relaxation) and the all laser energy absorbed in the damaged layer is thermalized during the laser pulse action. If the life time is much less than the laser pulse duration, the light absorption coefficient μD in the damaged layer is typically 2–3 orders higher in comparison with the value of μa[5]. In this case the laser-induced ultrasonic signal (LIU signal) consists of the thermoelastic part caused by heating and subsequent thermal expansion of the damaged layer and the adjacent immersion liquid – ethanol [6] and [7] (see below Sections 3, 4) and of the part caused by the concentration–deformation excitation in the single-crystalline silicon beneath the damaged layer.

3. Experimental setup
The experimental setup employed using the backward mode detection of LIU signals is schematically shown in Fig. 2 and is described in details in [8]. A specially designed laser-ultrasonic transducer is used providing laser irradiation of the surface of a silicon wafer through an optical fiber and the broadband piezoelectric detection of LIU signals from the same side of the wafer. Pulses of the diode-pumped Q-switched Nd:YAG laser (Laser-export Co. Ltd, Russia) operating at its fundamental wavelength of 1064 nm are delivered to the laser-ultrasonic transducer with the quartz optical fiber of 600 μm diameter. Laser pulse energy is 95–100 μJ, the characteristic pulse duration is 8–9 ns and the pulse repetition rate is 1 kHz. No surface damage of investigated silicon wafers takes place at the energy level of used laser pulses therefore the proposed method is completely nondestructive.

Full-size image (23 K)
Fig. 2.
Experimental setup for laser-ultrasonic study of machined silicon wafers.
Figure options
An acoustical contact between the wafer and the working surface of the transducer is provided by the immersion liquid (ethanol) transparent for the laser radiation used. The specially designed broadband LiNbO3 piezoelectric detector assembled with the charge preamplifier is employed for detection of LIU signals. The maximum sensitivity of this assembly is 0.3 V/bar, its operational bandwidth is 1–100 MHz at the 1/e level. The last characteristic shows which ultrasonic signals can be detected without distortions caused by the impulse response of the receiver. Such detection is possible when the frequency band of these ultrasonic signals is less than the operational bandwidth, therefore in our case the characteristic duration of ultrasonic signals can be varied from approximately 10 ns to 1 μs.

Electrical output signals from the detector are acquired by the analog-to-digital converter (ADC) with the sampling rate of 200 Msamples/s and processed with PC. The start of the ADC is synchronized with the instant of laser pulse irradiation. The digitized signals are mathematically treated using the specially designed algorithms and the computer codes based on deconvolution of the received signal with the impulse response of the piezodetector-preamplifier assembly. According to the linear system theory the received signal, U(t), can be presented as the convolutio

Kết quả (Việt) 1:

Nghiên cứu sâu bên dưới bề mặt thiệt hại tấm wafer silicon khảm bằng các phương pháp laser bằng siêu âmA.A. Karabutova, NB Podymovab, Hiển thị thêmDoi:10.1016/j.csndt.2014.03.002Có được quyền và nội dungTóm tắtCông việc này nhằm mục đích áp dụng phương pháp laser siêu âm để chắc chắn đánh giá độ sâu của những thiệt hại bên dưới bề mặt trong tấm khảm silic. Nó được dựa trên các cơ chế khác nhau của laser kích thích của siêu âm bởi sự hấp thụ của Nd:YAG Q-switched laser xung tại bước sóng cơ bản: các cơ chế tập trung-biến dạng ở silic tinh thể đơn và thermoelastic một trong lớp bị hư hỏng. Do các sưởi ấm thống nhất của các lớp hoàn toàn bị hư hỏng trong hành động xung laser biên độ của giai đoạn nén của laser gây ra tín hiệu siêu âm là tỷ lệ thuận với độ sâu bị hư hỏng. Giai đoạn ngang của tín hiệu này phát sinh bởi sự hấp thụ của phần còn lại của năng lượng laser silic tinh thể đơn bên dưới lớp bị hư hỏng. Mối quan hệ thực nghiệm giữa độ sâu của những thiệt hại bên dưới bề mặt và tỉ lệ amplitudes nén và ngang giai đoạn của laser gây ra tín hiệu siêu âm có thể được trang bị bởi một chức năng tuyến tính trong các biến thể chiều sâu và sự lây lan tương ứng của amplitudes tín hiệu. Mối quan hệ này có thể được sử dụng để tại chỗ định lượng chắc chắn đánh giá độ sâu của những thiệt hại bên dưới bề mặt trong tấm wafer silicon gia; ước thực hiện đáng tin cậy phát hiện sâu tối thiểu là mức độ 0,15-0,2 μm.1. giới thiệuNhư là chất nền chính cho các thiết bị microelectronic, tấm wafer silicon được sản xuất thông qua một loạt các quy trình, chẳng hạn như sự phát triển tinh thể, Máy cắt lát, dẹt, khắc và đánh bóng. Thiệt hại dưới bề mặt lên đến hàng chục micron sâu gây ra trong quá trình điều trị cơ khí như slicing và mài phải được gỡ bỏ bằng cách sau đó khắc và đánh bóng. Các quá trình cuối cùng phải được hoàn thành ở một mức nhất định để đảm bảo các tấm hoặc chip giữ đủ sức mạnh. Vì vậy, có là một nhu cầu quan trọng để đánh giá độ sâu của những thiệt hại bên dưới bề mặt trong thời gian điều trị wafer silicon. Phương pháp khác nhau được biết đến với mục đích này, chẳng hạn như, ví dụ, nhiễu xạ tia x, vi-Raman phổ học, kính hiển vi điện tử quét và các loại hình cụ thể của bề mặt sóng âm thanh kính hiển vi (xem, ví dụ, [1], [2] và [3]). Mặc dù đáng kể các nghiên cứu đã được tiến hành để sử dụng các phương pháp không phá hủy, nhiều vấn đề vẫn còn. Ví dụ, nó là vô cùng tốn thời gian để nghiên cứu wafer toàn bộ với các phương pháp của nhiễu xạ tia x và phổ học vi-Raman, photoluminescence không phải là có hiệu quả ở nhiệt độ phòng. Bên cạnh đó, tất cả những phương pháp này là khá tốn kém.Mục đích của công việc hiện nay là để chứng minh khả năng của tiểu thuyết phương pháp laser siêu âm để tại chỗ định lượng chắc chắn đánh giá độ sâu của những thiệt hại bên dưới bề mặt trong tấm khảm silic.2. tài liệu và phương phápSơ đại diện của các mẫu vật tra của tấm khảm silic được thể hiện trong hình 1a. Ví dụ về hình ảnh kính hiển vi điện tử (SEM) quét của mông của một mẫu vật tra của wafer silicon khảm được thể hiện trong hình 1b. Grits lớn tại Mông là electrostatically thu hút sau khi phá vỡ của wafer wafer miếng. Độ sâu bên dưới bề mặt thiệt hại Ld đã được xác định là "Thung lũng" chiều sâu của một đạo quan sát trực quan bằng cách sử dụng quy mô hình ảnh SEM. Độ dày tất cả tấm tra và kết quả SEM đo độ sâu bên dưới bề mặt thiệt hại Ld được trình bày trong bảng 1. 〈Ld〉 có nghĩa là giá trị cho tất cả mẫu vật được tính với kết quả SEM thu được trong mười điểm khác nhau ngẫu nhiên được lựa chọn trên diện tích tùy ý của 30 mm x 30 mm cho mỗi mẫu.Đầy đủ kích thước hình ảnh (25 K)Hình 1. Sơ đại diện (một) và ví dụ về hình ảnh SEM của Mông (b) của một mẫu vật tra của wafer silicon khảm.Tùy chọn con sốBảng 1.Tổng độ dày và độ sâu thiệt hại dưới bề mặt của tấm wafer silicon tra.Mẫu vật dày tất cả H (μm) giá trị trung bình 〈Ld〉 (μm) độ lệch chuẩn của Ld (μm)Khắc wafer 205-Tấm khảm #1 230 1,65 0,12#2 250 1,89 0,15#3 240 2,23 0,33Tùy chọn bảngCác phương pháp laser siêu âm được đề xuất dựa trên các cơ chế khác nhau của laser thế hệ của siêu âm silic tinh thể đơn và trong lớp dưới bề mặt bị hư hỏng bởi sự hấp thụ của Nd:YAG Q-switched laser xung bức xạ tại bước sóng cơ bản λ = 1064 nm với đặc trưng xung thời gian τL∼10−8 s.Cơ chế tập trung-biến dạng của laser kích thích của siêu âm silic tinh thể duy nhất bởi sự hấp thụ bức xạ laser diễn ra khi điều kiện ħωL⩾Eg là hài lòng. Ở đây ħωL = 1,17 eV là năng lượng lượng tử của ánh sáng laser, ví dụ như = 1,12 eV là năng lượng ban nhạc khoảng cách cho silic. Trong trường hợp này, tất cả năng lượng hấp thụ laser là chi tiêu để sản xuất điện tử photoexcited. Do đó các biến thể của mật độ được xác định bởi sự thay đổi của lực lượng tương tác giữa các ion của lưới tinh thể sau khi đội điện tử từ nguyên tử và nó không được kết nối với sưởi ấm của một tinh thể. Số lượng hấp thụ năng lượng E trong wafer silicon đơn tinh thể có thể được đánh giá là E=E0exp(−μaH), nơi μa = 10 cm−1 là hệ số hấp thụ ánh sáng interband silic tại bước sóng 1064 nm, E0 là năng lượng xung laser khi gặp sự cố, H là độ dày wafer. Cơ chế này của laser kích thích của siêu âm silic tinh thể duy nhất được quan sát và một thời gian ngắn mô tả trong [4] cho lần đầu tiên.Sự căng thẳng gây ra bởi các thế hệ của các điện tử photoexcited là tỷ lệ thuận với n tập trung của các điện tử photoexcited [5]:Equation(1)Xem mã nguồn MathMLBật MathJaxnơi ρ0 và n0 là các giá trị cân bằng của mật độ của một tinh thể và tập trung nguyên tử, c0 là vận tốc pha của sóng âm thanh theo chiều dọc trong một tinh thể. Là kết quả của phân tích phenomenological của quá trình này, chúng tôi nhận được các biểu hiện:Equation(2)Xem mã nguồn MathMLBật MathJaxđó D là hằng số của biến dạng tiềm năng. Cho silic |D | = 8 eV và D > 0, do đó quá trình photoexcitation gây ra nén của một tinh thể. Trong trường hợp của chúng tôi tập trung của các điện tử photoexcited trong một bánh wafer silicon đơn tinh thể sẽ tăng trong quá trình xung laser (trong ∼τL thời gian). Sau khi hành động xung laser và cho đến khi các thư giãn của các điện tử photoexcited phân phối của mình sẽ được thống nhất trong suốt toàn bộ độ dày của một wafer kể từ khi điều kiện μaH≪1 này được hoàn thành (thời gian thư giãn của các điện tử photoexcited là τR∼10−6 s, xem Chapt. 4 ở Ref. [5]).Trong một lớp dưới bề mặt bị hư hỏng cấu trúc tinh thể của silicon là bị hỏng, vì vậy thời gian cuộc sống của các điện tử photoexcited đáng kể giảm do tác động của họ với cấu trúc Khuyết tật (thư giãn ngay lập tức) và tất cả năng lượng laser hấp thụ trong lớp bị hư hỏng thermalized trong hành động xung laser. Nếu thời gian cuộc sống là ít hơn nhiều so với thời gian xung laser, μD hệ số hấp thụ ánh sáng trong lớp bị hư hỏng thường là 2-3 đơn đặt hàng cao hơn so với giá trị của μa [5]. Trong trường hợp này gây ra laser bằng siêu âm tín hiệu (lưu tín hiệu) bao gồm phần thermoelastic gây ra bởi hệ thống sưởi và sau đó mở rộng nhiệt của lớp bị hư hại và các chất lỏng ngâm liền kề-ethanol [6] và [7] (xem dưới đây phần 3, 4) và phần phía gây ra bởi kích thích tập trung-biến dạng ở silic tinh thể đơn bên dưới lớp bị hư hỏng.3. thử nghiệm thiết lậpCác thiết lập thử nghiệm làm việc bằng cách sử dụng phát hiện quay trở lại chế độ lưu tín hiệu schematically được minh họa trong hình 2 và được mô tả trong các chi tiết trong [8]. Một biến năng sóng siêu âm laser thiết kế đặc biệt được sử dụng cung cấp chiếu xạ laser bề mặt của một bánh wafer silicon thông qua một sợi quang học và phát hiện áp điện băng thông rộng của lưu tín hiệu từ cùng một bên của wafer. Xung các diode-bơm Nd:YAG Q-switched laser (Laser-xuất khẩu công ty TNHH, liên bang Nga) hoạt động ở bước sóng cơ bản của 1064 nm được gửi đến biến năng sóng siêu âm laser bằng thạch anh sợi quang học 600 μm đường kính. Năng lượng xung laser là 95-100 μJ, thời gian đặc trưng xung là 8-9 ns và lặp lại pulse tỷ lệ là 1 kHz. Không có thiệt hại bề mặt của silic tra tấm diễn ra ở mức năng lượng được sử dụng laser xung do đó phương pháp được đề xuất là hoàn toàn chắc chắn.Đầy đủ kích thước hình ảnh (23 K)Hình 2. Thiết lập thử nghiệm cho các nghiên cứu laser siêu âm của tấm khảm silic.Tùy chọn con sốMột âm thanh số liên lạc giữa wafer và bề mặt làm việc của bộ biến được cung cấp bởi chất lỏng ngâm (ethanol) trong suốt cho bức xạ laser được sử dụng. Băng thông rộng LiNbO3 thiết kế đặc biệt áp điện máy dò lắp ráp với preamplifier phí được sử dụng để phát hiện lưu tín hiệu. Sự nhạy cảm tối đa của Hội đồng này là cách 0.3 V/quầy bar, băng thông hoạt động của nó là 1-100 MHz ở cấp độ 1/e. Đặc trưng cuối cùng cho thấy những tín hiệu siêu âm có thể được phát hiện không có sai lệch gây ra bởi các phản ứng xung của người nhận. Phát hiện như vậy có thể khi ban nhạc tần số của các tín hiệu siêu âm là ít hơn so với băng thông hoạt động, do đó trong trường hợp của chúng tôi trong thời gian đặc trưng của tín hiệu siêu âm có thể khác nhau từ khoảng 10 ns để 1 μs.Điện đầu ra tín hiệu từ các máy dò được mua lại bởi kỹ thuật số analog converter (ADC) với tốc độ Lấy mẫu 200 Msamples/s và xử lý với máy tính. Sự bắt đầu của ADC được đồng bộ hoá với ngay lập tức chiếu xạ xung laser. Các tín hiệu số hóa toán học được điều trị bằng cách sử dụng các thuật toán đặc biệt được thiết kế và mã số máy tính dựa trên deconvolution của tín hiệu nhận được với các phản ứng xung của Hội đồng piezodetector-preamplifier. Theo lý thuyết tuyến tính hệ thống tín hiệu nhận được, U(t), có thể được trình bày như là convolutio

Kết quả (Việt) 2:

Nghiên cứu về sâu hại dưới bề mặt trong tấm silicon gia công bằng laser siêu âm phương pháp
AA Karabutova,, NB Podymovab,,
Hiển thị thêm
doi: 10,1016 / j.csndt.2014.03.002
Nhận quyền và nội dung
tóm tắt
công việc này nhằm mục đích áp dụng phương pháp laser siêu âm để đánh giá không phá hủy của chiều sâu của các thiệt hại dưới bề mặt trong tấm silicon gia công. Nó được dựa trên cơ chế khác nhau của kích thích laser của siêu âm bằng cách hấp thụ của Q-switched Nd: YAG xung laser ở bước sóng cơ bản: cơ chế nồng độ biến dạng trong silicon đơn tinh thể và một trong những thermoelastic trong lớp bị hư hỏng. Do sự sưởi ấm đồng phục của lớp toàn bị hư hỏng trong quá trình hành động xung laser biên độ của giai đoạn nén các tín hiệu siêu âm laser gây ra là tỷ lệ thuận với độ sâu bị hư hỏng. Giai đoạn ít không khí của tín hiệu này phát sinh do sự hấp thụ của các phần còn lại của năng lượng laser trong silicon đơn tinh thể bên dưới lớp bị hư hỏng. Các mối quan hệ thực nghiệm giữa độ sâu của các thiệt hại dưới bề mặt và tỷ lệ biên độ nén và độ chân không, các giai đoạn của tín hiệu siêu âm laser gây ra có thể được trang bị bởi một hàm tuyến tính trong biến chiều sâu và sự lây lan tương ứng của biên độ tín hiệu. Mối quan hệ này có thể được sử dụng để đánh giá không phá hủy tại chỗ số lượng của chiều sâu của các thiệt hại dưới bề mặt trong tấm silicon gia công; độ sâu tối thiểu đáng tin cậy phát hiện được ước tính ở mức 0,15-0,2 micromet. 1. Giới thiệu Khi nền chính cho các thiết bị vi điện tử, tấm silicon được sản xuất thông qua một loạt các quy trình, chẳng hạn như tăng trưởng tinh thể, máy cắt, làm phẳng, khắc và đánh bóng. Thiệt hại dưới bề mặt lên đến hàng chục micron sâu gây ra trong quá trình xử lý cơ học như cắt và mài phải được loại bỏ bằng cách khắc tiếp theo và đánh bóng. Các quá trình này cuối cùng phải được hoàn thành ở một mức độ nhất định để đảm bảo bánh mỏng hoặc các chip duy trì đủ sức mạnh. Do đó có một nhu cầu quan trọng để đánh giá độ sâu của tổn thương ngầm trong điều trị wafer silicon. Nhiều phương pháp được biết đến với mục đích này, chẳng hạn như, ví dụ, nhiễu xạ tia X, vi-Raman quang phổ, kính hiển vi điện tử quét và loại hình cụ thể của sóng bề mặt âm kính hiển vi (xem, ví dụ, [1], [2] và [ 3]). Mặc dù những nghiên cứu đã được tiến hành để sử dụng các phương pháp không phá hủy, nhiều vấn đề vẫn còn đó. Ví dụ, nó là vô cùng tốn thời gian để nghiên cứu toàn bộ wafer với các phương pháp nhiễu xạ tia X và vi quang phổ Raman, phát quang là không có hiệu quả ở nhiệt độ phòng. Bên cạnh đó, tất cả những phương pháp này khá tốn kém. Mục đích của việc này là để chứng minh khả năng của phương pháp laser siêu âm mới cho tại chỗ đánh giá không phá hủy lượng của chiều sâu của các thiệt hại dưới bề mặt trong tấm silicon gia công. 2. Vật liệu và phương pháp biểu đồ của các mẫu điều tra của tấm silicon gia công được thể hiện trong hình. 1a. Ví dụ của kính hiển vi điện tử quét (SEM) hình ảnh của mông của một mẫu điều tra của một wafer silicon gia công được thể hiện trong hình. 1b. Bột kiều mạch lớn ở mông là những miếng wafer tĩnh điện thu hút sau khi phá vỡ của wafer. Độ sâu Ld thiệt hại dưới bề mặt đã được xác định là "thung lũng" chiều sâu của một cứu trợ quan sát trực quan bằng cách sử dụng quy mô của các hình ảnh SEM. Tổng độ dày của tấm điều tra và kết quả của phép đo SEM của Ld ngầm sâu thiệt hại được thể hiện trong Bảng 1. Các giá trị trung bình <Ld> cho tất cả các mẫu vật đã được tính toán với kết quả SEM thu được trong mười điểm khác nhau được lựa chọn ngẫu nhiên trên tùy ý diện tích 30 mm × 30 mm cho mỗi mẫu. hình ảnh đầy đủ kích thước (25 K) Hình. 1. Sơ đồ đại diện (a) và các ví dụ về hình ảnh SEM của mông (b) của một mẫu điều tra của một wafer silicon gia công. Hình tùy chọn Bảng 1. Tổng độ dày và thiệt hại dưới mặt đất sâu của tấm silicon điều tra. Mẫu Tổng độ dày H (mm) Mean giá trị <Ld> (mm) độ lệch chuẩn của Ld (mm) Khắc wafer 205 - - gia công tấm # 1 230 1,65 0,12 # 2 250 1.89 0.15 # 3 240 2.23 0.33 tùy chọn Bảng đề xuất laser siêu âm phương pháp dựa trên cơ chế khác nhau của thế hệ laser siêu âm trong silicon đơn tinh thể và trong lớp dưới bề mặt bị hư hỏng bởi sự hấp thụ của Q-switched Nd: YAG xung tia laser bức xạ ở bước sóng cơ bản λ = 1064 nm với thời gian xung đặc trưng τL ~10-8 s. Cơ chế nồng độ biến dạng của kích thích laser của siêu âm trong silicon đơn tinh thể bằng cách hấp thụ bức xạ laser xảy ra khi các điều kiện ħωL⩾Eg là hài lòng. Dưới đây ħωL = 1.17 eV là năng lượng lượng tử của ánh sáng laser, Ví dụ = 1.12 eV là năng lượng ban nhạc-gap cho silicon. Trong trường hợp này tất cả năng lượng laser hấp thu được dành để sản xuất các electron photoexcited. Do đó sự biến đổi của mật độ được xác định bởi sự thay đổi của lực tương tác giữa các ion của mạng tinh thể sau khi tách rời của các electron từ nguyên tử và nó không được kết nối với hệ thống sưởi của một tinh thể. Lượng hấp thụ năng lượng E trong một wafer silicon đơn tinh thể có thể được đánh giá là E = E0exp (-μaH), nơi μa = 10 cm-1 là hệ số hấp thụ ánh sáng interband trong silicon ở bước sóng 1064 nm, E0 là năng lượng của xung laser tới, H là độ dày wafer. Cơ chế này của kích thích laser của siêu âm trong silicon đơn tinh thể được quan sát và mô tả ngắn gọn trong [4] cho lần đầu tiên. Sự căng thẳng gây ra bởi thế hệ của các electron photoexcited là tỷ lệ thuận với nồng độ n của các electron photoexcited [5]: phương trình (1) Xem nguồn MathML Bật MathJax về nơi ρ0 và n0 là những giá trị cân bằng mật độ của một tinh thể và nồng độ nguyên tử, c0 là vận tốc pha của sóng âm theo chiều dọc trong một tinh thể. Như một kết quả của việc phân tích hiện tượng của quá trình này chúng tôi nhận được các biểu hiện: phương trình (2) Xem nguồn MathML Bật MathJax trên đó D là hằng số về tiềm năng biến dạng. Đối với silic | D | = 8 eV và D> 0, do đó quá trình photoexcitation gây nén của một tinh thể. Trong trường hợp của chúng tôi nồng độ electron photoexcited trong một wafer silicon đơn tinh thể sẽ tăng lên trong quá trình xung laser (trong thời ~τL). Sau khi hành động xung laser và cho đến khi thư giãn của các electron photoexcited phân phối của họ sẽ được thống nhất trong toàn bộ độ dày của một wafer từ μaH«1 điều kiện được thực hiện (thời gian thư giãn của các electron photoexcited là τR~10-6 s, xem Chapt. 4 trong Ref. [5]). Trong một lớp dưới bề mặt bị hư hỏng cấu trúc tinh thể của silicon bị hỏng, vì vậy thời gian sống của các electron photoexcited giảm đáng kể do tác động của chúng với các khuyết tật cấu trúc (thư giãn tức thời) và tất cả các năng lượng laser được hấp thụ trong lớp bị thiệt hại đang thermalized trong hành động xung laser. Nếu thời gian cuộc sống là ít hơn nhiều so với thời gian xung laser, các μD hệ số hấp thụ ánh sáng trong lớp bị hư hỏng thường là 2-3 đơn đặt hàng cao hơn so với giá trị của μa [5]. Trong trường hợp này các tín hiệu siêu âm laser gây ra (Liu tín hiệu) bao gồm các phần thermoelastic do sưởi ấm và giãn nở nhiệt tiếp theo của lớp bị hư hỏng và các chất lỏng ngâm liền kề - ethanol [6] và [7] (xem bên dưới phần 3, 4 ) và của một phần gây ra bởi sự kích thích nồng độ biến dạng trong silicon đơn tinh thể bên dưới lớp bị hư hỏng. 3. Thiết lập thử nghiệm các thiết lập thử nghiệm sử dụng bằng cách sử dụng phát hiện chế độ lạc hậu của tín hiệu LIU là sơ đồ hình. 2 và được mô tả chi tiết trong [8]. Một thiết kế đặc biệt đầu dò laser siêu âm được sử dụng cung cấp laser chiếu xạ của bề mặt của một tấm wafer silicon thông qua một sợi quang và phát hiện áp điện băng thông rộng của tín hiệu LIU từ cùng một bên của wafer. Xung của Q-switched Nd diode bơm: YAG laser (Laser-xuất khẩu Công ty TNHH, Nga) hoạt động ở bước sóng cơ bản của 1064 nm được gửi đến các đầu dò laser siêu âm với các sợi quang thạch anh 600 mm đường kính. Laser năng lượng xung là 95-100 μJ, thời gian xung đặc trưng là 8-9 ns và tốc độ lặp lại xung là 1 kHz. Không có thiệt hại bề mặt của các tấm wafer silicon điều tra diễn ra ở mức độ năng lượng của xung laser được sử dụng do đó phương pháp được đề xuất là hoàn toàn không phá hủy. hình ảnh đầy đủ kích thước (23 K) Hình. 2. thiết lập thí nghiệm để nghiên cứu laser siêu âm của tấm silicon gia công. Hình lựa chọn Một liên lạc âm thanh giữa các wafer và bề mặt làm việc của bộ chuyển đổi được cung cấp bởi các chất lỏng ngâm (ethanol) trong suốt cho các bức xạ laser được sử dụng. Các thiết kế đặc biệt LiNbO3 băng thông rộng áp điện phát hiện được ghép cùng với preamplifier phí được sử dụng để phát hiện các tín hiệu LIU. Độ nhạy tối đa của hội đồng này là 0,3 V / bar, băng thông hoạt động của nó là 1-100 MHz ở mức 1 / e. Các chương trình đặc trưng cuối cùng mà tín hiệu siêu âm có thể phát hiện mà không có biến dạng gây ra bởi đáp ứng xung của người nhận. Phát hiện như vậy có thể khi các băng tần số của các tín hiệu siêu âm là ít hơn so với băng thông hoạt động, do đó trong trường hợp của chúng tôi trong suốt thời gian đặc trưng của tín hiệu siêu âm có thể được thay đổi từ khoảng 10 ns tới 1 ms. tín hiệu đầu ra điện từ các máy dò đang được mua lại bởi analog-to-kỹ thuật số chuyển đổi (ADC) với tỷ lệ lấy mẫu của 200 Msamples / s, xử lý bằng máy tính. Sự bắt đầu của ADC được đồng bộ với ngay lập tức chiếu xạ xung laser. Các tín hiệu số hóa được xử lý toán học bằng cách sử dụng các thuật toán thiết kế đặc biệt và các mã số máy tính dựa trên bước đầu thực của tín hiệu nhận được với đáp ứng xung của các hội đồng piezodetector-preamplifier. Theo lý thuyết hệ thống tuyến tính tín hiệu nhận được, U (t), có thể được trình bày như convolutio