يک تيم از محققان مؤسسه‌ي ملي استاندارد و فناوري آمريکا (NIST) توانستند مقادير بسيار اندک فشار و کشش را در مناطق کوچکي از يک ابزار نيمه‌هادي به پهناي 10 نانومتر اندازه بگيرند. نتايج اخير اين محققان، نه تنها طراحي نسل بعدي مدارهاي مجتمع را تحت تأثير قرار خواهد داد، بلکه به اختلاف نظرهاي ديرينه در مورد نتايج روش‌هاي متفاوت اندازه‌گيري فشار در نيمه‌هادي‌ها پايان خواهد داد.
فشار و کشش مکانيکي در نيمه‌هادي‌ها و ديگر وسايل، ناشي از وجود اتم‌هايي در شبکه مولکولي است که نسبت به حالت عادي خود دچار فشار يا کشش شده باشند. اين يک پديده‌ي پيچيده است که البته هميشه مضر نيست. فشار در ساختار ديودهاي نورافشان (LED) و ليزرها مي‌تواند باعث تغيير رنگ نور خروجي و کاهش عمر ابزار گردد. فشار در سيستم‌هاي ميکروالکترومکانيکي (MEMS) نيز مي‌تواند منجر به شکست و خمش گردد.
تصوير ميکروسکپي رامان هم کانوني از يک بلور سيليکون که توسط يگ گوة 20 نانومتري تحت فشار قرار گرفته است.
تصوير: Stranick, NIST
از سوي ديگر، اعمال عمدي فشار در ميکرومدارهاي مدرن مي‌تواند منجر به افزايش سرعت ترانزيستور گردد، بدون اينکه نياز به تغيير در طراحي ترانزيستور باشد. فيزيکدان NIST، روبرت کوک مي‌گويد: "مهندسي فشار موجب شده است که کارايي ادوات در صنعت نيمه‌هادي، بيش از حد انتظار و با هزينه‌ي بسيار اندک افزايش يابد."
اما شکي نيست که فشار چه از نوع خوب و چه از نوع بد، نياز به اندازه‌گيري دارد، تا بتوان آن را در کنترل درآورد. اما هرچه اندازه‌ي ميکرومدارها کوچک‌تر شود، اندازه‌گيري فشار هم سخت‌تر مي‌شود، به‌خصوص که دو روش متفاوت و پرکاربرد اندازه‌گيري فشار، نتايج متفاوتي را به دست مي‌دهند.
در روش اول، که موسوم به تفرق الکترون‌هاي بازگشتي (EBSD) است، فشار بر ساختار بلوري، به روش ارزيابي الگوي الکترون‌هاي برگشتي از صفحات بلوري اندازه‌گيري مي‌شود. اما در روش دوم يا ميکروسکپي رامان هم‌کانوني (CRM) اندازه‌گيري فشار بر مبناي تغيير در فرکانس فوتون‌هايي است که با پيوندهاي اتمي در بلور تعامل دارند؛ يعني تغيير فرکانس وابسته به ميزان فشاري است که بر پيوندها وارد شده است.
تيم تحقيقاتي NIST از نسخه‌ي بهينه شده و بسيار حساس هر دو روش استفاده کردند تا با اندازه‌گيري‌هاي مقايسه‌اي بتوانند اختلاف‌ها را رفع کنند.
نکته‌ي اصلي که از مطالعات آنها روشن شد، عمق نفوذ دو تکنيک بود. پرتوهاي الکتروني فقط تا عمق 20 تا 30 نانومتري ماده نفوذ مي‌کرد، در صورتي که فوتون‌هاي ليزري در روش رامان ممکن است تا عمق يک ميکرومتر يا حتي بيشتر نفوذ کند. محققان NIST دريافتند که با تغيير طول موج فوتون‌هاي رامان و تعيين نقطه تمرکز (فوکوس) ميکروسکوپ مي‌توانند عمق نفوذ و اندازه‌گيري در روش رامان را تعيين کنند؛ و هرگاه که اين عمق در حد لايه‌هاي بالايي بلور تنظيم مي‌شد، نتايج با آنچه از روش EBSD به دست مي‌آمد سازگار بود.
به اين ترتيب مشخص شد که روش EBSD فشارهاي نزديک به سطح را به دست مي‌دهد، درحالي‌که با روش رامان مي‌توان پروفايل‌هاي فشار را براي اعماق بيشتري از ماده به دست آورد.
مطالعات اين گروه همچنين امکان استفاده‌ي ترکيبي از دو تکنيک را نشان داد تا با اين روش بتوان اندازه‌گيري‌هاي دقيق تري از فشار در سيليکون ارائه داد، که مي‌تواند منجر به بهبود مواد و فرايندها در ساخت ادوات الکترونيکي شود.
نتايج اين تحقيق در مجله‌ي Applied Physics Letters منتشر شده است.
منبع: نانو تکنولوژي