分析检测中心技术探秘：一种基于几何相位分析（GPA）测材料应变的方法

晶体中存在的晶体缺陷或界面晶格失配等会导致材料残余应变/应力的产生，表征材料应变对理解其性质至关重要。对于半导体材料器件领域，应变应力分析存在众多应用场景，如先进制程中的应变硅技术、离子注入引起的应变、绝缘沟槽边缘应变、外延膜层晶格失配应变、氮化镓高电子迁移率器件（GaN-HEMT）异质结界面应变⋯等等。

一般基于透射电子显微镜（TEM）的应变表征技术，如纳米束电子衍射（NBED）、旋进电子衍射（PED）等可以达到纳米级的高空间分辨率[1]。然而，上述技术对原子尺度的应变表征分析存在困难，并且数据采集和分析过程较长。对于原子尺度微观应变场景，基于透射电镜高分辨像/原子像（HR(S)TEM）的几何相位分析（Geometric Phase Analysis, GPA）[2] 是一种最快速的测量方法；并且其作为一种基于傅里叶变换的倒空间分析技术，相较于实空间分析对噪声具有更强的鲁棒性，这使其成为一种用于快速简便进行微观应变分析的工具。

一般的透射电镜高分辨像/原子像（HR(S)TEM）即可以用作GPA应变分析。然而，为提高分析的准确度，本方案使用带球差矫正的透射电子显微镜（Cs-TEM，JEOL NEOARM 200）；通过GPA分析可以获得相对于参考区域原子尺度的：
a）    不同方向的微观应变（e_xx, e_yy, e_xy）mapping图；
b）    某特定方向定量的应变profile。

（1）案例一：铁电材料PbZr0.2Ti0.8O3的应变mapping分布

图1展示了通过拍摄铁电材料PbZr0.2Ti0.8O3的球差矫正扫描透射电镜高角环形暗场像（STEM-HAADF），并对其进行GPA分析后得到的原子尺度应变mapping及x方向的正应变（e_xx）profile结果。其中红色区域（正应变）表示受到张应力，蓝色区域（负应变）表示受到压应力。铁电材料的铁电性、极化与微观晶格畸变/应变的产生密切相关，因此基于GPA的微观应变分析至关重要。

图1. 铁电材料PbZr0.2Ti0.8O3的原子尺度应变mapping结果。

(a) PbZr0.2Ti0.8O3的扫描透射电镜高角环形暗场像（STEM-HAADF）；

(b, c) 原子像对应的GPA应变分布mapping图（b: e_xx；c: e_yy）；

(d) 沿图(b)中黄色虚线的x方向正应变（e_xx）profile

（2）案例二：氮化镓高电子迁移率器件（GaN-HEMT）AlGaN/GaN异质结界面应变mapping分布

图2展示了通过拍摄AlGaN/GaN异质结界面的球差矫正STEM-HAADF像，并对其进行GPA分析后得到的原子尺度应变mapping及y方向的正应变（e_yy）profile结果。可以看到AlN层为负应变，表示受到压应力，这主要是由于AlN晶格常数较GaN小，从而受到两边AlGaN或GaN晶格的挤压（晶格常数a增大而c减小），相对的，GaN层晶格常数a减小而c增大。应力的存在是在界面附近形成极化效应及二维电子气（2DEG）的关键之一，AlGaN/GaN异质结界面的微观应力分析可以为界面二维电子气、界面电场及其他电学性质提供机理解释。

图2. AlGaN/GaN异质结界面原子尺度应变mapping结果。

(a) AlGaN/GaN异质结界面的STEM-HAADF图像；

(b, c) 原子像对应的GPA应变分布mapping图（b: e_xx；c: e_yy）；

(d) 沿图(c)中黄色虚线的y方向正应变（e_yy）profile

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中心硕博占比80%，资深工程师（工作经验5年以上）占比50%，主要来自于闳康、EAG、胜科纳米、中芯国际、台积电、英诺赛科等知名企业。

何光泽
分析检测中心首席专家
毕业于台湾中央大学，曾担任闳康科技失效分析处长，TPCA构装委员会委员，近30年失效分析经验，在新失效分析技术研发方面亦有丰富经验。

参考文献

[1]. Li Lan, et al. Electron 2.2 (2024): e32.
[2] M. J. Hÿtch, et al. Ultramicroscopy 74 (1998) 131–146.