CN103837538B - 一种蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种蓝宝石晶棒（片）光学均匀性检测装置，该装置包括起偏器、检偏器和CCD相机，其特征在于该装置还包括：单色高功率LED点光源、非球面聚光反射镜、相位延迟器、光学整形器和微调载物台；该装置的组成部件按照下述顺序设置：非球面聚光反射镜、单色高功率LED点光源、起偏器、相位延迟器、光学整形器、微调载物台、检偏器和CCD相机，并依次固定于钢制连接板上，且构成检测光路。该装置结构简单，使用方便，检测精度高，特别适合于双折射系数较小的蓝宝石晶棒（片）的质量检测与控制。
Description
技术领域
本发明涉及与蓝宝石单晶材料及检测技术，具体为一种蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置。
背景技术
蓝宝石单晶广泛应用于各种半导体外延衬底、手机屏幕以及光电探测窗口。蓝宝石单晶内部存在大量缺陷(包括空位、位错、小角晶界及层错)以及残余应力，这些缺陷通常会引起晶格的畸变，从而降低蓝宝石晶棒或片的内在质量，影响其在外延衬底、手机屏幕以及探测窗口等方面的应用。
通过检测蓝宝石晶棒或片的光学均匀性,可以无损并且直观的评估晶棒或片内部的晶格畸变。蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置可用于蓝宝石衬底、蓝宝石手机屏幕、蓝宝石窗口材料的质量控制。杨爱军等人曾提出了用于检测蓝宝石内部晶界缺陷的简易装置(专利申请号为：201210044182.3)。该专利只限于检测大块晶锭中的晶界缺陷(晶界在本质上可看作一种非常严重的晶格畸变)的存在与否，无法对其余各类缺陷及残余应力所造成的晶格畸变进行定性评估。由于蓝宝石晶棒或片较小的双折射系数，对于蓝宝石晶棒或片的晶格畸变的定性评估一般比较困难。
发明内容
针对现有技术不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置，该装置可以对各类蓝宝石晶棒或片光学均匀性进行检测，从而用于蓝宝石晶棒或片内部的晶格畸变评估和材料的质量控制，且结构简单，使用方便，检测精度高，特别适合于双折射系数较小的蓝宝石晶棒或片的质量检测与控制。
本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置，该装置包括起偏器、检偏器和CCD相机，其特征在于该装置还包括：单色高功率LED点光源、非球面聚光反射镜、相位延迟器、光学整形器和微调载物台；该装置的组成部件按照下述顺序设置：非球面聚光反射镜、单色高功率LED点光源、起偏器、相位延迟器、光学整形器、微调载物台、检偏器和CCD相机，并依次固定于钢制连接板上，且构成检测光路。
与现有技术相比，本发明通过配置高功率单色光源、特殊光学整形以及相位延迟的正交偏振系统，实现了对蓝宝石晶棒或片的光学均匀性的有效检测和晶格畸变的定性评估。检测装置中的单色高功率LED点光源大幅提高了偏振干涉条纹的分辨率，而相位延迟器和光学整形器则可以使入射光波能以较大入射角和特殊的波前形状掠射入蓝宝石晶棒或片内，从而提高了系统对于光学均匀性以及相应晶格畸变的检测灵敏度，并且结构简单，使用方便，检测精度高，特别适合于双折射系数较小的蓝宝石晶棒或片的质量检测与控制。
附图说明
图1为本发明蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置一种实施例的整体结构和检测光路结构示意图。
图2为本发明蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置一种实施例(实施例1)检测优等蓝宝石晶棒光学均匀性的检测结果图。
图3为本发明蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置一种实施例(实施例1)检测中等质量蓝宝石晶棒光学均匀性检测结果图。
图4为本发明蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置一种实施例(实施例1)检测劣等蓝宝石晶棒光学均匀性检测结果图。
具体实施方式
下面结合实施例和其附图对本发明做进一步说明。
本发明设计的蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置(简称装置，参见图1)，包括起偏器3、检偏器7和CCD相机8，其特征在于该装置还包括：单色高功率LED点光源2、非球面聚光反射镜1、相位延迟器4、光学整形器5和微调载物台6；所述检测装置的组成部件按照下述顺序设置：非球面聚光反射镜1、单色高功率LED点光源2、起偏器3、相位延迟器4、光学整形器5、微调载物台6、检偏器7和CCD相机8，并依次固定于钢制连接板10上，且构成检测光路。
本发明装置设计的非球面聚光反射镜1，要求会聚角度足够大，从而提高畸变检测灵敏度，其会聚角≥80°。所述单色高功率LED点光源2要求处于可见光波段，并同时具有高单色性和高功率，从而提高可视干涉条纹的分辨率，其波长应选择在400-700nm，0nm≤单色性≤10nm，功率≥1W。所述起偏器3和检偏器7要求具有高消光比，从而提高干涉条纹的对比度，其消光比≤1:50。相位延迟器4要求具有高延迟精度，从而提高畸变检测灵敏度，其延迟精度≤λ/100。所述光学整形器5要求具有较小的光圈值，以便提高干涉条纹的亮度，其光圈值≤F2.8。所述微调载物台6要求具有较好的平移分辨率，从而提高干涉条纹的清晰度，其平移分辨率≤5μm。所述CCD相机8应具有较高的像素，从而提高干涉条纹照片的分辨率，其像素≥300万。
综合上述零部件参数的选择范围,并考虑零部件的成本，实施例零部件参数的优选范围是：非球面聚光反射镜1的会聚角为80-85°。单色高功率LED点光源2的波长为450-650nm，单色性为3-10nm，功率为1-3W。所述起偏器3和检偏器7的消光比为1:50-1:200。所述相位延迟器4的延迟精度为λ/100-λ/400。所述光学整形器5的光圈值为F1.4-F2.8。所述微调载物台6的平移分辨率为0.3-3μm。所述CCD相机8的像素为500-1000万。
本发明所述置于光路上的所有光学元件在与钢制连接板10连接固定时必须保证光学几何中心准直。
本发明检测装置的工作原理和过程是：高功率LED点光源2发出的光波经非球面聚光镜1反射，并经过起偏器3、相位延迟器4和光学整形器5调制后，形成高照度、高单色性的大角度会聚椭圆偏振光。该光波从蓝宝石晶棒或片9的前端面进入蓝宝石晶体后发生双折射现象，不同入射方位的光波偏振分量经过传播后形成的光程差与入射角度和局部晶格畸变有关。上述光波从蓝宝石晶棒或片后端面出射至检偏器7上，形成反映晶格畸变的偏振干涉条纹，并在CCD相机8中成像输出。‘
本发明未述及之处适用于现有技术。
下面给出本发明检测装置的具体实施例，具体实施例仅用于详细说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围。
实施例1
设计一种蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置，该检测装置具体组成部件描述如下：高功率LED点光源2的波长为450nm，单色性为5nm，功率为2W；非球面聚光镜1的会聚角度为82°；起偏器3及检偏器7的消光比为1:100；相位延迟器4的延迟精度为λ/100；光学整形器5的光圈为F2.0；微调载物台6的平移分辨率为1μm，CCD相机8的像素为500万。
实施例2
设计一种蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置，该检测装置具体组成部件描述如下：高功率LED点光源2的波长为530nm，单色性为10nm，功率为1W；非球面聚光镜1的会聚角度为80°；起偏器3及检偏器7的消光比为1:50；相位延迟器4的延迟精度为λ/200；光学整形器5的光圈为F2.2；微调载物台6的平移分辨率为2μm，CCD相机8的像素为800万。
实施例3
设计一种蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置，该检测装置具体组成部件描述如下：高功率LED点光源2的波长为630nm，单色性为8nm，功率为3W；非球面聚光镜1的会聚角度为85°；起偏器3及检偏器7的消光比为1:200；相位延迟器4的延迟精度为λ/400；光学整形器5的光圈为F1.8；微调载物台6的平移分辨率为0.5μm，CCD相机8的像素为1000万。
利用本发明检测装置(参见实施例1)对优等蓝宝石晶棒或片的进行光学均匀性检测。CCD相机中的成像结果清楚可见(参见图2)，输出的干涉图样为包含暗十字的完美同心圆组图案，整幅图案无任何畸变，对称性极高。检测结果表明，该蓝宝石晶棒或片的光学均匀性好，晶格完美，晶棒或片质量高。
利用本发明检测装置(参见实施例1)对中等质量蓝宝石晶棒或片的进行光学均匀性检测。CCD相机中的成像结果清楚可见(参见图3)，输出的干涉图样为包含暗十字的同心圆组图案，同心圆中心部分呈现轻微畸变，整幅条纹对称性尚可。检测结果表明，该晶棒或片的光学均匀性一般，晶格有畸变，晶棒或片质量一般。
利用本发明检测装置(参见实施例1)对劣等蓝宝石晶棒或片的进行光学均匀性检测。CCD相机中的成像结果清楚可见(参见图4)，输出的干涉图样出现大范围的严重畸变，中心处已无法辨认包含暗十字的同心圆组图案，整幅条纹对称性很低。检测结果表明，该晶棒或片的光学均匀性差，晶格有严重畸变，晶棒或片质量极低，已不能用于任何衬底、屏幕或是窗口材料。
Claims (3)
1. 一种蓝宝石晶棒或片光学均匀性检测装置，该装置包括起偏器、检偏器和CCD相机，其特征在于该装置还包括：单色高功率LED点光源、非球面聚光反射镜、相位延迟器、光学整形器和微调载物台；该装置的组成部件按照下述顺序设置：非球面聚光反射镜、单色高功率LED点光源、起偏器、相位延迟器、光学整形器、微调载物台、检偏器和CCD相机，并依次固定于钢制连接板上，且构成检测光路。
2.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述非球面聚光反射镜的会聚角≥80o；所述单色高功率LED点光源的波长选择在400-700nm，0nm≤单色性≤10nm，功率≥1W；所述起偏器和检偏器的消光比≤1:50；所述相位延迟器的延迟精度≤λ/100；所述光学整形器的光圈值≤F2.8；所述微调载物台的平移分辨率≤5μm；所述CCD相机的像素≥300万。
3.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于所述非球面聚光反射镜的会聚角为80-85o，所述单色高功率LED点光源的波长为450-650nm，单色性为3-10nm，功率为1-3W，所述起偏器和检偏器的消光比为1:50-1:200，所述相位延迟器的延迟精度为λ/100-λ/400，所述光学整形器的光圈值为F1.4-F2.8，所述微调载物台的平移分辨率为0.3-3μm，所述CCD相机的像素为500-1000万。
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