M e a s u r e m e n t o f S t r a i n i n S i l i c o n - o n - I n s u l a t o r L a y e r s b y u s i n g S y n c h r o t r o n X - r a y M i c r o b e a m S e m i c o n d u c t o r d e v i c e c h a r a c t e r i s t i c s a r e , m o r e o r l e s s , i n f l u e n c e d b y c r y s t a l l i n e d e f e c t s s u c h a s d i s l o c a t i o n s . T h e r e f o r e , f r o m p o i n t s o f v i e w o f s c i e n t i f i c a n d d e v i c e p e r f o r m a n c e i m p r o v e m e n t , t h e s t u d y o f l o c a l s t r a i n d i s t r i b u t i o n n o t o n l y i n s t a r t i n g b u l k m a t e r i a l s b u t a l s o i n s o m e d e v i c e - p r o c e s s e d o n e s a r e o f g r e a t i m p o r t a n c e . T o a n a l y z e l o c a l m i n u t e s t r a i n i n m a t e r i a l s , w e h a v e p r o v i d e d a n X - r a y m i c r o b e a m 7 μ m × 6 μ m i n s i z e w i t h a n a r r o w a n g u l a r d i v e r g e n c e o f l e s s t h a n 2 a r c s e c i n b o t h t h e v e r t i c a l a n d t h e h o r i z o n t a l p o l a r i z a t i o n d i r e c t i o n s o f s y n c h r o t r o n r a d i a t i o n b y u s i n g s u c c e s s i v e a s y m m e t r i c B r a g g r e f l e c t i o n s [ 1 ] a t a n e n e r g y o f 1 5 k e V , o n b e a m l i n e B L 2 4 X U . B y s c a n n i n g t h e m i c r o b e a m a l o n g a l i n e o n t h e s a m p l e s u r f a c e , a s e r i e s o f X - r a y r o c k i n g c u r v e s , w h i c h i s r e f e r r e d t o a s r o c k i n g c u r v e m a p s , R C M s , h a v e b e e n o b t a i n e d . B y p u t t i n g a n a n a l y z e r c r y s t a l b e h i n d t h e s a m p l e , F i g . 1 . R C M o f 0 0 4 r e f l e c t i o n t a k e n f r o m a 5 - μ m - t h i c k S O I l a y e r . T h e v e r t i c a l a x i s i n d i c a t e s t h e p o s i t i o n s o f t h e s a m p l e i r r a d i a t e d b y t h e s c a n n i n g X - r a y m i c r o b e a m . r e f l e c t i o n - i n t e n s i t y m a p s i n a r e c i p r o c a l l a t t i c e s p a c e ( q x , q y ) , w h i c h i s r e f e r r e d t o a s r e c i p r o c a l s p a c e m a p s , R S M s , h a v e b e e n d r a w n f o r v a r i o u s l o c a l p o i n t s o n t h e s u r f a c e s . S i l i c o n - o n - i n s u l a t o r ( S O I ) m a t e r i a l s c o n s i s t i n g o f t o p - S i / b u r i e d - S i O 2 ( “ B O X ” l a y e r ) / S i - s u b s t r a t e a r e e x p e c t e d t o b e s o m e o f t h e m o s t p r o m i s i n g s i l i c o n s u b s t r a t e s f o r e x t e n d i n g t h r e e - d i m e n s i o n a l m e t a l - o x i d e - s i l i c o n ( M O S ) d e v i c e s . W e h a v e a p p l i e d p r e s e n t X - r a y m i c r o b e a m d i f f r a c t i o n t e c h n i q u e s t o a n a l y z e t h e s t r a i n f l u c t u a t i o n i n b o n d e d S O I c r y s t a l s [ 2 ] . S i n c e l a t t i c e p l a n e o f t h e S O I l a y e r a n d t h a t o f t h e s u b s t r a t e a r e n o t c o m p l e t e l y p a r a l l e l , t h e X - r a y r o c k i n g c u r v e s u s u a l l y r e v e a l t w o p e a k s o f t h e B r a g g r e f l e c t i o n , o n e c o m i n g f r o m t h e S O I l a y e r a n d t h e o t h e r f r o m t h e s u b s t r a t e . F i g u r e 1 s h o w s o n e o f t h e 0 0 4 r e f l e c t i o n R C M s m e a s u r e d f o r a 5 - μ m - t h i c k S O I s a m p l e . I t i s i n t e r e s t i n g t o 2 0 0 0 5 0 1 0 0 1 5 0 S a m p l e P o s i t i o n ( μ m ) S O I L a y e r S u b s t r a t e – 1 5 0 – 1 0 0 – 5 0 0 S a m p l e R o t a t i o n ( a r c s e c ) 35 μ m 87 p o i n t o u t t h a t t h e p e a k p r o f i l e s a n d t h e h a l f - w i d t h s c o r r e s p o n d i n g t o t h e S O I l a y e r v a r y d e p e n d i n g o n t h e i r r a d i a t e d p o s i t i o n s , w h i l e a v e r t i c a l l i n e o f h i g h i n t e n s i t y c o r r e s p o n d i n g t o t h e s u b s t r a t e o n t h e r i g h t h a n d s i d e o f F i g . 1 i s q u i t e s t r a i g h t . T h e n , R S M s w e r e t a k e n a t s o m e f i x e d p o s i t i o n s o f t h e S O I p e a k s i n F i g . 1 . F i g u r e 2 s h o w s a n e x a m p l e o f t h e R S M m e a s u r e d f o r t h e S O I l a y e r a t t h e d o t t e d l i n e ( Z = 3 5 μ m ) i n F i g . 1 . I t i s c l e a r f r o m t h i s f i g u r e t h a t t h e l a t t i c e d i s t o r t i o n i n t h e S O I l a y e r i s m a i n l y d u e t o t h e l a t t i c e t i l t v a r i a t i o n b e c a u s e s e v e r a l h i g h - i n t e n s i t y c e n t e r s a t d i f f e r e n t ω c a n b e s e e n a t ∆ d / d = 0 . T h i s f a c t s u g g e s t s t h e e x i s t e n c e o f s e v e r a l c r y s t a l g r a i n s o f a n e q u i v a l e n t l a t t i c e t i l t a n g l e . I t i s i n t e r e s t i n g t o s e e h o w t h e e q u i - t i l t e d l a t t i c e p l a n e s e x t e n d i n t h e S O I l a y e r . T h e s a m p l e w a s s c a n n e d a g a i n s t t h e m i c r o b e a m a n d t h e r e f l e c t i o n i n t e n s i t y w a s r e c o r d e d a t a f i x e d t i l t a n g l e o f t h e c r y s t a l r o t a t i o n ( ω ) . B o t h i m a g e s i n F i g . 3 s h o w t h e i n t e n s i t y d i s t r i b u t i o n m a p s ( s o - c a l l e d e q u i - t i l t m a p s ) L a t t i c e P a r a m e t e r C h a n g e ∆ d / d ( × 1 0 - 4 ) 2 – 2 – 1 0 1 – 1 5 – 1 0 – 5 0 5 1 0 1 5 L a t t i c e T i l t ( a r c s e c ) L a t t i c e P a r a m e t e r C h a n g e ∆ d / d ( × 1 0 - 4 ) 2 – 2 – 1 0 1 – 1 5 – 1 0 – 5 0 5 1 0 1 5 L a t t i c e T i l t ( a r c s e c ) f o r a n a r e a o f a b o u t 3 0 0 × 3 0 0 μ m 2 o f t h e S O I l a y e r , m e a s u r e d a t t w o d i f f e r e n t r o t a t i o n a n g l e s , ( a ) ω = – 7 . 9 a n d ( b ) ω = + 7 . 9 a r c s e c . T h o s e i m a g e s c l e a r l y s h o w t h a t m a g n i t u d e o f t h e l a t t i c e t i l t v a r i e s i n t o t a l m o r e t h a n 1 6 a r c s e c w i t h i n t h e m e a s u r e d a r e a . T y p i c a l s p a t i a l s i z e s o f t h e e q u i - t i l t g r a i n s r a n g e f r o m 2 0 t o 8 0 μ m i n t h i s s a m p l e . A s i m i l a r f e a t u r e o f t h e l a t t i c e t i l t w a s a l s o o b s e r v e d i n a S I M O X w a f e r , w h i c h i s a n o t h e r t y p e o f S O I c r y s t a l . A n a l y s i s r e v e a l e d t h a t t h e S O I l a y e r s f o r m e d o n t h e B O X l a y e r a r e m o r e o r l e s s s t r a i n e d a n d f l u c t u a t e d , a n d m a g n i t u d e o f t h e l a t t i c e t i l t d e p e n d s o n t h e S O I a n d t h e B O X t h i c k n e s s e s a n d t h e S O I l a y e r p r o c e s s i n g c o n d i t i o n s . A t p r e s e n t , t h e m a j o r r e a s o n f o r s u c h a l a r g e l a t t i c e t i l t i n t h e S O I l a y e r h a s n o t y e t b e e n c l a r i f i e d . I t c a n b e s a f e l y s a i d t h a t t h e S O I s u r f a c e p o l i s h i n g e f f e c t s c a n b e e x c l u d e d , b e c a u s e t h e r e w a s n o p e a k s h i f t w i t h a w i d e a n g u l a r w i d t h o b s e r v e d f o r s a m p l e s w i t h a t h i c k e r ( m o r e t h a n 6 0 μ m ) S O I l a y e r . F i g . 2 . R S M o f a S O I l a y e r m e a s u r e d a t t h e d o t t e d l i n e p o s i t i o n o f t h e R C M s h o w n i n F i g . 1 . I n t e n s i t y s p o t s i n t h e h o r i z o n t a l d i r e c t i o n a t ∆ d / d = 0 s h o w l a t t i c e t i l t o f t h e g r a i n s i n t h e S O I l a y e r . A d d i t i o n a l s p o t a r r a y s l y i n g a l o n g t h e v e r t i c a l d i r e c t i o n a r e d u e t o t h i c k n e s s f r i n g e s b e l o n g i n g t o e a c h s m a l l g r a i n i n t h e S O I l a y e r . 88 R e f e r e n c e s [ 1 ] Y . T s u s a k a e t a l . , J p n . J . A p p l . P h y s . 3 9 ( 2 0 0 0 ) L 6 3 5 . [ 2 ] Y . T s u s a k a , M . U r a k a w a , K . Y o k o y a m a , S . T a k e d a , M . K a t o u , H . K u r i h a r a , F . Y o s h i d a , K . W a t a n a b e , Y . K a g o s h i m a a n d J . M a t s u i , A b s t r a c t s o f 3 r d I n t ’ l C o n f . S y n c h r o t r o n R a d i a t i o n i n M a t e r i a l s S c i e n c e , a l s o a p p e a r i n g i n N u c l . I n s t r u m . & M e t h . i n P h y s . R e s . B 1 9 9 ( 2 0 0 3 ) 1 9 . J u n j i M a t s u i H i m e j i I n s t i t u t e o f T e c h n o l o g y E - m a i l : m a t s u i @ s c i . h i m e j i - t e c h . a c . j p F i g . 3 . E q u i - t i l t m a p s t a k e n a t t w o d i f f e r e n t a n g l e s a r o u n d t h e B r a g g p e a k . C o n t r a s t s s e e m t o b e c o m p l e m e n t a r y b e t w e e n ( a ) a n d ( b ) . 1 0 0 2 0 0 3 0 0 S a m p l e P o s i t i o n X ( μ m ) 1 0 0 2 0 0 3 0 0 S a m p l e P o s i t i o n X ( μ m ) 1 0 0 3 0 0 2 0 0 S a m p l e P o s i t i o n Y ( μ m ) 1 0 0 3 0 0 2 0 0 S a m p l e P o s i t i o n Y ( μ m ) ( a ) ω = – 7 . 9 2 a r c s e c ( b ) ω = + 7 . 9 2 a r c s e c 89
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