CN103940537A - 材料的微区应力测试系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种材料的微区应力测试系统，其采用微区透射差分偏振谱法(μ-TDS，microscopic transmission difference spectroscopy)建立。整个测试系统包括线偏振激光源(1)、光相位调制器(2)、斩波器(3)、聚焦物镜(41)、收集物镜(42)、检偏器(6)和信号采集系统(7)，采用计算机控制逐点扫描并采集处理数据。本发明通过测量材料表面相互垂直的两个方向上的光强反射比率差ΔT／T求得测试材料的应力分布，可以克服现有测试系统带来的负面影响，对于材料不具有损伤性，小范围的表征材料应力的分布情况。且测试过程简单快捷，测试精度高。
Description
技术领域
本发明属于测量技术领域，具体涉及材料的微区应力测试系统，特别是应用于半导体材料的制造工艺中的微区应力测试系统。
背景技术
在半导体材料生长及工艺制作领域，追求材料结构的完美一直是人们努力的方向。材料中残余应力的大小直接反映了材料的质量高低和制备工艺的优劣。随着对材料结构要求的提高生长工艺的改进，人们对微区范围内材料应力的大小和分布提出了要求。拥有一套完整的、方便迅速的微区应力测试系统可以为现代材料生长过程提供可靠的参考数据，以期获得较好的材料质量。
常用的半导体材料微区应力测试系统有光致发光光谱仪和显微拉曼偏谱仪。光致发光光谱仪对材料的晶体质量要求较高，对应力的测量通常是在低温，并且通常对应力的测试只是局域在表层。显微拉曼光谱仪可以在室温下测试应力的大小和分布，但是测量的精度不高，而且测试时间很长，往往要花费数个小时，甚至更长的时间。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本发明的目的在于建立一套完整、全面、方便、快捷地完成对各种材料，特别是半导体材料的微区应力测试系统。
(二)技术方案
为解决上述技术问题，本发明提出一种材料的微区应力测试系统，其包括线偏振激光源、光相位调制器、斩波器、聚焦物镜、收集物镜、检偏器和信号采集系统，其中，所述线偏振激光源用于产生线偏振激光，所述光相位调制器用于使所述线偏振激光在该光相位调制器主轴和它的垂直方向上产生固定的相位差，并使之入射到所述斩波器；所述斩波器用于将入射的具有固定相位差的线偏振激光调制成特定频率的交流信号后入射到所述聚焦物镜；所述聚焦物镜用于将来自所述斩波器的入射光汇聚在所测试材料的样品上；所述收集物镜用于接收由所述样品透射的激光，并使之入射到所述检偏器；所述检偏器用于检测特定方向上光波的振幅，并使之入射到所述信号采集系统；所述信号采集系统用于采集入射光信号，并对采集的入射光信号进行处理，得到所述样品的应力分布。
根据本发明的具体实施方式，所述测试系统还包括载物台，其用于承载所述样品，并调节该样品的位置。
根据本发明的具体实施方式，所述测试系统还包括照明光源，用于提供所述样品表面的照明。
根据本发明的具体实施方式，所述测试系统还包括图像撷取装置(，用于撷取所述样品的图像。
根据本发明的具体实施方式，所述线偏振激光源包括激光器和起偏器。
根据本发明的具体实施方式，所述线偏振激光源还包括空间滤波器。
根据本发明的具体实施方式，所述空间滤波器采用的是物镜、针孔和透镜组成的共聚焦系统。
根据本发明的具体实施方式，所述起偏器和所述检偏器采用的是方解石制成的格兰泰勒型激光偏振棱镜，起偏器的主轴在竖直方向，检偏器的主轴方向与竖直方向夹角为45度。
根据本发明的具体实施方式，所述信号采集系统包括探测器、三个锁相放大器和数据处理装置，其中，所述探测器用于将接收到的光信号转化为电信号；所述三个锁相放大器分别为第一、第二、第三锁相放大器，所述第一锁相放大器用于测量所述斩波器将光波调制成的低频分量，送入所述数据处理装置；所述第二锁相放大器和第三锁相放大器用于测量所述光相位调制器的一倍频和二倍频分量，送入所述数据处理装置。
根据本发明的具体实施方式，所述数据处理装置包括数据采集卡和计算机，其中，所述数据采集卡用于把所述各锁相放大器得到的模拟电信号转化为所述计算机识别的数字信号；所述计算机用于接收并存储所述数据采集卡得到的数据，对所述采集到的信号进行运算处理。
(三)有益效果
本发明提出的材料微区应力测试系统可以测得材料的内部微区应力的分布，测试结果较为准确，测试过程迅速快捷。
本发明提出的材料微区应力测试系统可以克服其他测试系统带来的负面影响，对于材料不具损伤性，小范围的表征材料应力的分布情况，并且对操作人员的经验依赖性不大，特别适用于半导体材料的微区应力测试。
附图说明
图1是本发明的材料微区应力测试系统的基本原理结构示意图；
图2是本发明的材料微区应力测试系统的信号采集系统的结构示意图；
图3是本发明的一个具体实施例的微区应力测试系统的光学部分的结构图。
具体实施方式
为解决上述技术问题，本发明提出了一种全新的材料微区应力测试系统，其能够对材料的微米量级的区域进行应力测试。
本发明的微区测试系统的原理是：对于诸如半导体材料的具有弹光性质的材料而言，如果在其内部有残余应力存在，则会表现出各向异性，即光学主轴发生改变。因此，当向一个材料样品入射一个偏振激光时，入射的偏振激光被样品透射，表现出各向异性的两个光学主轴对光的透射系数不同，通过测量两个光学各向异性主轴方向的透射系数的差，就可测得材料内部的残余应力。
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
图1是本发明的微区应力测试系统的基本原理结构示意图。如图1所示，该系统包括线偏振激光源1、光相位调制器2、斩波器3、聚焦物镜41、载物台5、收集物镜42、检偏器6和信号采集系统7。
其中，线偏振激光源1用于产生线偏振激光。
光相位调制器2用于使线偏振激光源1产生的线偏振激光在该光相位调制器2主轴和它的垂直方向上产生固定的相位差，并使之入射到该斩波器3。
斩波器3用于将入射的具有固定相位差的线偏振激光调制成特定频率的交流信号后入射到聚焦物镜，以提高测量精度。
聚焦物镜41用于将来自斩波器的入射光汇聚在所测试材料的样品S上。
载物台5用于承载所述样品S，并调节该样品S的位置。
收集物镜42用于接收由样品S透射的激光，并使之入射到检偏器6。
检偏器6用于检测特定方向上光波的振幅，并使之入射到信号采集系统。
信号采集系统7用于采集入射光信号，并对采集的入射光信号进行处理，得到样品S的应力分布情况。
图2是该信号采集系统7的结构示意图。如图2所示，其包括：
一探测器71，该探测器71用于接收从检偏器6入射的激光，将其转换为电信号；
三台锁相放大器72、73、74，每台锁相放大器72、73、74的输入端均与探测器71连接，第一锁相放大器72的参考端与斩波器3的输出端连接，第二锁相放大器73和第三锁相放大器74的参考端与光相位调制器2的两个输出端连接这样锁相放大器就可以提取出与参考端相同频率的信号。
一个数据处理装置75，用于接收由三台锁相放大器输出的电信号后进行运算，得到所测试材料样品S的微区应力。
在测试过程中，光相位调制器的主轴与起偏器的偏振方向平行或者垂直。光相位调制器可对平行于主轴方向上的透射激光进行相位调制，结果使得在平行于调制器主轴和垂直于调制器主轴方向上的激光透射分量产生相位差Δ，该相位差是一个随时间做正弦变化的周期函数，即Δ=φsinωt。其中ω是调制器的调制频率，而φ为调制幅度。
因此所述探测器71的电信号中有正比于ΔT(按照2ω变化)和T的电信号，利用锁相放大技术可同时得到正比于ΔT和T的信号大小，经过理论校准，可以得到测试材料样品表面两个相互垂直方向上的透射比率差ΔT／T。强度透过比率差满足ΔT／T=(1-cosδ)／(1+cosδ)，其中δ表示激光经过样品时，由于残余应力导致的光波在两个垂直方向上的相位延迟。所测得的相位差满足：δ=KΔn的对应关系计算出复折射率的变化，再利用Δn=-n0 3(q11-q12)(P’-P”)，q11与q12为测试材料在λ波长处的弹光系数，即可以求得两个相互垂直方向的剪切应力(P’-P”)。
优选地，本发明的材料微区应力测试系统的线偏振激光源1包括激光器和起偏器，起偏器用于产生偏振度较高的线偏振光，以便提高激光的偏振度。更优选地，线偏振激光源1还包括空间滤波器，其用于空间滤波，以便得到光束质量更好更细的偏振光。
在本发明的一种具体实施方式中，微区应力测试系统还包括一个图像撷取装置，其设置于收集物镜后，用于观察样品表面的情况，以便找到需要测试的范围。
在本发明的一种具体实施方式中，微区应力测试系统还包括一个照明光源，其设置于聚焦物镜前面，用于对样品表面照明，以便所述图像撷取装置成像。
此外，为了使各个元件合理地安排在空间内，本发明的测试系统还可以包括用于改变激光光束走向的光学元件，如反射镜8。
下面通过一个具体实施例来具体的阐述本发明的实施方式，以便本发明的特征和优点更加清楚和明确。
图3显示了本发明的一个具体实施例的材料微区应力测试系统的光学部分的结构图。如图3所示，该实施例的系统包括以下设备：激光器11、空间滤波器12、起偏器13、光相位调制器2、斩波器3、聚焦物镜41、载物台5、收集物镜42、检偏器6、信号采集系统、照明光源14和图像撷取装置15。
如图2所示，激光器11、空间滤波器12、起偏器13构成线偏振激光源1，从激光器11出射的偏振激光经过空间滤波器12和起偏器13成为高纯度线偏振激光，其偏振面在竖直方向。
其中所述的激光器11为激光二极管泵浦的YAG固体激光器，波长532nm，能够被大多数半导体材料透射。
其中所述的空间滤波器12采用的是物镜、针孔和透镜组成的共聚焦系统，其物镜为40×，针孔为5μm，能够对入射的激光光束进行空间滤波，并得到较细的具有高斯分布的光斑。
其中所述的起偏器13采用的是方解石制成的格兰泰勒型激光偏振棱镜，其通光孔径为10mm。起偏器13的主轴在竖直方向。
光相位调制器2的主轴方向与线偏振激光光源1发出的激光的偏振方向成45°，对于平行于光相位调制器主轴方向通过的光波分量将增加一个周期变化的位相。
斩波器3可位于光路中的任何位置，用于将光波调制成一个特定频率的交流信号。
聚焦物镜41在样品前，在此为显微物镜，其将光束聚集后垂直入射到置于载物台5上的测试材料S的表面的测试点。所述的聚焦物镜41采用的是长工作距离的显微物镜，工作距离为12mm，能够对入射光束进行会聚。
经样品S的透射光入射到收集物镜42，收集物镜42也为显微物镜，其将垂直入射到置于载物台5上的测试材料样品S的表面的测试点的光收集。所述的收集物镜42可采用长工作距离的显微物镜，工作距离为12mm，能够对入射光束进行会聚。
载物台5为二维电控平移载物台，可以在水平面内两个特定方向同时获得0～180μm的移动范围。
材料反射光束经过检偏器6后入射到信号采集系统，信号采集系统对采集到的信号进行处理，得到样品的应力分布。
在该实施例中，还包括一个反射镜8，其位于斩波器3和聚焦物镜41之间，用于引导光束。但本发明并不限于此，在本发明的系统的光路中，只要不改变其基本架构，可以引入其他用于改变光路的光学元件，如反射镜、分光镜、透射镜等。
在该实施例中，信号采集系统包括探测器71、三个锁相放大器72、73、74，数据采集卡751和计算机752，数据采集卡751和计算机752构成数据处理装置75。
探测器71将接收到的光信号转化为电信号，其波长响应范围为0.4μm～0.8μm；
三个锁相放大器在此分别称为第一、第二、第三锁相放大器。第一锁相放大器72用于测量斩波器3将光波调制成的低频分量，送入数据采集卡751进行数据处理；第二锁相放大器73和第三锁相放大器74用于测量光相位调制器2的一倍频和二倍频分量，送入数据处理卡751进行数据处理。
数据采集卡751把锁相放大器得到的模拟电信号转化为计算机752识别的数字信号。
计算机752其用于接收并存储数据采集卡751得到的数据，对采集到的信号进行运算处理。
在测试过程中，光相位调制器2的主轴与起偏器13平行。光相位调制器2可对平行于主轴方向上的激光进行相位调制，结果使得在平行调制器主轴和垂直调制器主轴的两个方向上的激光分量产生相位差Δ，该相位差是一个随时间做正弦变化的周期函数，即其中是调制幅度，ω为调制频率。
该实施例中，还包括照明光源14和图像撷取装置15，照明光源14和图像撷取装置15用于提供样品表面的照明和样品图像的撷取，以便用户通过图像撷取装置撷取的实时图像来观察并选定需要测试的测试材料样品的位置，其中照明光源14可由LED同轴光源实现，图像撷取装置15可为工业数字相机，采用CCD进行成像，能够对光斑和样品表面成像。由此可以观察到宏观的表面形貌，找到需要测试的区域。
其中所述检偏器6可为检偏棱镜，起偏器13可为起偏棱镜，它们均可采用方解石制成的格兰泰勒型激光偏振棱镜，其通光孔径为10mm，检偏棱镜13的主轴方向与竖直方向夹角为45度。
在具体测试时，首先将需要测试的材料样品放入测试系统，然后调整光路，通过照明光路选择测试点，使得入射激光的偏振面与样品表面平行，测出直流分量以及光相位调制器的一倍频和二倍频分量，送入计算机752进行处理。利用计算机752控制重新自动选择测试点。重复以上步骤，可以获得半导体材料中的微区应力分布。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种材料的微区应力测试系统，包括线偏振激光源(1)、光相位调制器(2)、斩波器(3)、聚焦物镜(41)、收集物镜(42)、检偏器(6)和信号采集系统(7)，其中，
所述线偏振激光源(1)用于产生线偏振激光；
所述光相位调制器(2)用于使所述线偏振激光在该光相位调制器(2)主轴和它的垂直方向上产生固定的相位差，并使之入射到所述斩波器(3)；
所述斩波器(3)用于将入射的具有固定相位差的线偏振激光调制成特定频率的交流信号后入射到所述聚焦物镜(41)；
所述聚焦物镜(41)用于将来自所述斩波器(3)的入射光汇聚在所测试材料的样品(S)上；
所述收集物镜(42)用于接收由所述样品(S)透射的激光，并使之入射到所述检偏器(6)；
所述检偏器(6)用于检测特定方向上光波的振幅，并使之入射到所述信号采集系统(7)；
所述信号采集系统(7)用于采集入射光信号，并对采集的入射光信号进行处理，得到所述样品(S)的应力分布。
2.根据权利要求1所述的材料的微区应力测试系统，其特征在于，还包括载物台(5)，其用于承载所述样品(S)，并调节该样品(S)的位置。
3.根据权利要求1所述的材料的微区应力测试系统，其特征在于，还包括照明光源(14)，用于提供所述样品(S)表面的照明。
4.根据权利要求1所述的材料的微区应力测试系统，其特征在于，还包括图像撷取装置(15)，用于撷取所述样品(S)的图像。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的材料的微区应力测试系统，其特征在于，所述线偏振激光源(1)包括激光器(11)和起偏器(13)。
6.根据权利要求5所述的材料的微区应力测试系统，其特征在于，所述线偏振激光源(1)还包括空间滤波器(12)。
7.根据权利要求6所述的材料的微区应力测试系统，其特征在于，所述空间滤波器(12)采用的是物镜、针孔和透镜组成的共聚焦系统。
8.根据权利要求5所述的材料的微区应力测试系统，其特征在于，所述起偏器(13)和所述检偏器(6)采用的是方解石制成的格兰泰勒型激光偏振棱镜，起偏器(13)的主轴在竖直方向，检偏器(6)的主轴方向与竖直方向夹角为45度。
9.根据权利要求1至4中任一项所述的材料的微区应力测试系统，其特征在于，所述信号采集系统包括探测器(71)、三个锁相放大器(72、73、74)和数据处理装置(75)，其中，
所述探测器(71)用于将接收到的光信号转化为电信号；
所述三个锁相放大器分别为第一、第二、第三锁相放大器，所述第一锁相放大器(72)用于测量所述斩波器(3)将光波调制成的低频分量，送入所述数据处理装置(75)；所述第二锁相放大器(73)和第三锁相放大器(74)用于测量所述光相位调制器(2)的一倍频和二倍频分量，送入所述数据处理装置(75)。
10.根据权利要求9所述的材料的微区应力测试系统，其特征在于，所述数据处理装置(75)包括数据采集卡(751)和计算机(752)，其中，
所述数据采集卡(751)用于把所述各锁相放大器(72、73、74)得到的模拟电信号转化为所述计算机(752)识别的数字信号；
所述计算机(752)用于接收并存储所述数据采集卡(751)得到的数据，对所述采集到的信号进行运算处理。
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| PB01 | Publication | ||
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| C02 | Deemed withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WD01 | Invention patent application deemed withdrawn after publication |
Application publication date: 20140723 |