[論文レビュー] Multi-Material Strain Mapping with Scanning Reflectance Anisotropy Microscopy

Joan Sendra, Fabian Haake+3 more|arXiv (Cornell University)|Feb 8, 2023

Near-Field Optical Microscopy参考文献 2被引用数 1

ひとこと要約

本稿では、近正入射における偏光測定応答のハイパースペクトルイメージングを用いて、マルチマテリアル系においてサブミクロン分解能でひずみマッピングを可能にする、広帯域で位相に敏感な光学的手法、走査反射率異方性顕微鏡（SRAM）を紹介する。エリプソメトリー効果を活用することで、SRAMは1°未満の位相差変化に敏感となり、メタサーフェス、半導体（Geブリッジ）、金属（Au膜）における弾性ひずみを定量的にマッピングする。本手法は破壊的でなく、多様なフレキシブルおよびウェアラブルエレクトロニクスにおける機械的特性評価に汎用的なプラットフォームを提供する。

ABSTRACT

Strain-engineering of materials encompasses significant elastic deformation and leads to breaking of the lattice symmetry and as a consequence to the emergence of optical anisotropy. However, the capability to image and map local strain fields by optical microscopy is currently limited to specific materials. Here, we introduce a broadband scanning reflectance anisotropy microscope as a phase-sensitive multi-material optical platform for strain mapping. The microscope produces hyperspectral images with diffraction-limited sub-micron resolution of the near-normal incidence ellipsometric response of the sample, which is related to elastic strain by means of the elasto-optic effect. We demonstrate cutting edge strain sensitivity using a variety of materials, such as metasurfaces, semiconductors and metals. The versatility of the method to study the breaking of the lattice symmetry by simple reflectance measurements opens up the possibility to carry out non-destructive mechanical characterization of multi-material components, such as wearable electronics and optical semiconductor devices.

研究の動機と目的

• マルチマテリアル系における多様な材料にわたる非破壊的かつ高分解能のひずみマッピング手法の開発。
• XRD やラーマ分光法などの従来のひずみ分析手法が抱える空間分解能および材料特異性の制限を克服すること。
• 1つの光学プラットフォームを用いて回折限界で定量的かつ位相に敏感なひずみ測定を実現すること。
• 本手法が実際のデバイス構造における半導体、金属、メタマテリアルに応用可能であることを実証すること。

提案手法

• SRAMシステムはスーパコンtinuum光源、フォโตエラスティックモジュレータ（PEM）、ロックイン検出を用い、信号対ノイズ比の高い正規化反射率差（∆r/r）を測定する。
• PEMによる位相変調により、検出信号のフーリエ成分から偏光パラメータΨ（振幅比）と∆（位相差）を抽出する。
• 移行行列モデルを用いて光学部品を通る偏光状態の変化を記述し、サンプルの偏光応答を正確に再構成可能にする。
• システムは広帯域スペクトル範囲（400–700 nm）でハイパースペクトルイメージを取得し、回折限界の空間分解能を達成する。
• アライメントに起因するアーティファクトを補正するため、四重対称性を持つSi(100)ウェーハを用いてキャリブレーションを実施する。
• SRAM信号はエリュプソオプティカル効果を通じて弾性ひずみと関連づけられ、金属膜ではボーチ型フィッティングを用いて定量的ひずみキャリブレーションを達成する。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 SRAMは多様な材料にわたるひずみマッピングにおいて、サブミクロン分解能を達成できるか？
• RQ2 SRAMの位相感度は従来のRASと比較してどうか。また、内在的異方性が小さい材料においても、ひずみ誘起の光学的異方性を解像できるか？
• RQ3 1つの光学プラットフォームを用いて、金属、半導体、メタマテリアルにおける弾性ひずみをどの程度定量的にマッピングできるか？
• RQ4 非一様な応力場下における薄膜の実際の弾性ひずみと、SRAM信号の相関性はどの程度高いか？
• RQ5 薄膜のエッジに起因するひずみ緩和が、SRAMを用いて正確にモデル化され、実験的に検証可能か？

主な発見

• SRAMは1°未満の位相感度を達成し、高精度でひずみ誘起の光学的異方性を検出可能である。
• ドーパールスロットアンテナを有するメタサーフェスでは、個々のナノアンテナ間で∆およびΨに明確な対比が観察された。
• スパナードGeブリッジでは、サブミクロン分解能でひずみ勾配をマッピングし、局所的な引張および圧縮領域を明らかにした。
• ポリイミド上に形成された金薄膜では、SRAM信号がボーチ型モデルに従い、理論的予測と一致する約4 µmの特徴的な緩和長さを示した。
• SRAMマッピングから得られたひずみ緩和長さ（4 µm）は、線形シアー・ラグモデルと定量的に一致し、本手法の正確性を裏付けた。
• SRAMは、破壊的でなく、ウェアラブルエレクトロニクスを含む複雑なシステムにおいてマルチマテリアルのひずみマッピングを可能にし、初期設定後の材料特異的キャリブレーションは不要である。