CN108387333A - 一种硅薄膜材料应力检测系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及光电检测技术领域，尤其是一种硅薄膜材料应力检测系统。它包括沿Z轴方向顺序设置的激光器、偏振分束器、四分之一波片、二分之一波片和应力施加装置，同时还包括用于接收偏振分束器上的反射光并将光信号转换为电信号的反射光探测器、与反射光探测器相连的模拟锁相放大器和向样品施加调制电场并同时与模拟锁相放大器相连的低频信号发生器；应力施加装置包括定位盘、金属固定杆和应力施加杆。本发明利用应力可以使硅材料产生线性电光效应这一特点，通过三点法或四点法等方式来实现对硅材料应力的全面检测目的；其结构简单、无需检测人员具有丰富的背景知识，即可对硅薄膜材料进行全面、准确的应力检测。
Description
技术领域
本发明涉及光电检测技术领域，尤其是一种硅薄膜材料应力检测系统。
背景技术
众所周知，硅材料作为一种价格低廉、工艺成熟的半导体材料，不仅被作为集成电路的首选材料，而且被广泛应用于电子产品所涉及到的各个方面并在硅基光电子学领域具有越来越多的应用价值。然而，由于受生产加工工艺水平(如淬火工艺水平)的限制以及其与其它材料接触或者其本身边缘处所存在周期性自然终止特性等因素的影响都会在硅材料中产生残余应力，而残余应力的产生则会在很大程度上影响到硅材料及其应用器件的性能和质量。因此，对硅材料上存在的应力分布及大小的测量和分析是硅基器件研究和生产的重要环节，而应力检测技术以及应力检测装置的好坏也将直接影响到硅基器件的质量与寿命，有着无比重要的意义。
目前，针对硅材料常用的应力检测技术主要有拉曼光谱法、会聚束电子衍射法、光弹法、四点应变量测法和表面二次谐波法；其中：
拉曼光谱法是利用光的拉曼散射效应通过测量应变点处的原子振动频移来实现精确地测量该点处的应力的；会聚束电子衍射法和光弹法则是对通过样品作用后的光强及电子束的分布进行分析来实现应力测量的。以上三种方法虽然测量精度高，但方法的实现需要测量人员具有相当丰富的背景知识；因此，操作难度很大。
四点应变量测法是利用四个施加应变的支点，除了样品边缘处的两个施加应力的支点，在样品近中心处还对称存在两个支撑支点以保证在中间两点之内很大的区域会发生单轴应变；测量时，当测量出样品边缘处的位移时，再利用四个支点的位置差即可计算出样品的形变量。但这种方法只能测量出外力对样品所产生的应力，并不能测量出样品本身存在的应力。
表面二次谐波法是基于硅表面二次谐波现象(即：硅表面二次谐波是硅样品中存在的应力破坏其反演对称性而产生的，通过外加应力，可以抵消样品本身应力使测量到的二次谐波消失)对硅样品表面的应力进行测量的方法，但该方法只能测量硅表面100nm左右的深度，无法对整个硅样品进行全面的测量。
基于此，有必要结合上述方法的优劣互补特点，提供一种应力检测系统，以便通过更为适合的方法来实现对硅材料的应力的全面检测。
发明内容
针对上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种硅薄膜材料应力检测系统。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种硅薄膜材料应力检测系统，它包括沿Z轴方向顺序设置的一激光器、一用于将激光器的出射光束转换为在X-Y轴平面作竖直振动的线偏振光并将经由样品反射回的光束转换为在X-Y轴平面内作水平振动的线偏振光的偏振分束器、用于对经由偏振分束器透射的线偏振光和由样品反射回的光束进行偏振态调整的四分之一波片和二分之一波片以及用于对放置的样品沿Z轴方向施加应力并通过角度调整使照射到样品上的线偏振光经由二分之一波片和四分之一波片原路反射至偏振分束器上的应力施加装置；它还包括用于接收偏振分束器上的反射光并将光信号转换为电信号的反射光探测器、用于对反射光探测器输出的信号进行测量的模拟锁相放大器以及用于沿样品的X轴方向向样品施加调制电场并同时向模拟锁相放大器输出参考信号的低频信号发生器；
所述应力施加装置包括一中轴线沿Z轴方向分布的定位盘、至少两根对称地装设于定位盘的偏心位置处以用于对样品进行固定的金属固定杆以及至少一根贯穿于定位盘分布以向样品施加应力的应力施加杆；所述反射光探测器和低频信号发生器分别与模拟锁相放大器电连接，且所述低频信号发生器与金属固定杆或定位盘电连接。
优选地，所述激光器与偏振分束器之间设置有一用于将由激光器射出并投射到偏振分束器上的光束进行光斑大小调整的缩束镜。
优选地，所述缩束镜包括顺序地设置于激光器与偏振分束器之间的一凸透镜和一凹透镜，所述凸透镜和凹透镜的焦距相等，且所述凸透镜与凹透镜之间的相对位置在Z轴方向连续可调。
优选地，所述激光器为输出光功率连续可调的固体激光器。
优选地，所述四分之一波片的快轴与Y轴方向的夹角呈22.5°，所述二分之一波片的快轴与Y轴方向的夹角呈33.75°。
优选地，所述应力施加杆包括一沿Z轴方向或平行于Z轴方向贯穿于定位盘分布的应力杆、阻力臂端与应力杆的末端相连的杠杆以及与杠杆的动力臂端相连的千分尺施力器，至少两根所述金属固定杆以应力杆的中心线为界呈对称分布。
优选地，所述杠杆为不等臂杠杆，且所述杠杆的动力臂长度与阻力臂长度的比值为20:1。
优选地，所述应力施加杆包括沿Z轴方向或平行于Z轴方向贯穿于定位盘分布的应力衔接杆、连接于应力衔接杆的首端的应力衔接器、至少两根对称地装设于应力衔接器并与应力衔接杆平行分布的应力杆、阻力臂端与应力衔接杆的末端相连的杠杆以及与杠杆的动力臂端相连的千分尺施力器，至少两根所述金属固定杆以应力衔接杆的中心线为界呈对称分布。
优选地，所述杠杆为不等臂杠杆，且所述杠杆的动力臂长度与阻力臂长度的比值为20:1。
由于采用了上述方案，本发明具有以下效果：1、操作简单，只需调整应力施加杆上的施力大小，通过观测测量仪器(即：如模拟锁相放大器等等)上的示数是否为零，即可依据施力的大小测出样品的内应力，整个过程不需要相关的背景知识；2、基于线性电光信号的特点，可实现对样品在某一点所受的所有应力(即：包括外应力和内应力)进行测量，而不是仅仅测量样品的表面应力，故整个测试可更为准确、更为全面；3、基于系统的结构结合反射光测量的方式可以使得系统能够对由硅薄膜材料所制成的硅器件进行测量，且测量过程无破坏性。
附图说明
图1是本发明实施例的结构原理示意图；
图2是本发明实施例的应力施加装置的结构示意图；
图3是本发明实施例的样品的结构尺寸示例图；
图4是针对图3中的样品进行应力测量曲线图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
如图1和图2所示，本实施例提供的一种硅薄膜材料应力检测系统，它包括：
一激光器a，作为激光光束的发射装置来使用，作为优选方案，其可采用输出光功率连续可调的固体激光器；根据检测需要，激光器a发射光束的波长为1550nm、输出光功率在0-3W范围内可调且光斑为直径在0.8mm范围内的圆形光斑；
偏振分束器b，其沿Z轴方向布置于激光器a的出光侧，主要用于将激光器a的出射光束转换为在X-Y轴平面作竖直振动的线偏振光，同时接收被硅薄膜材料样品A反射回的光束，以将其转换为在X-Y轴平面内作水平振动的线偏振光并反射到发射光探测器e上；
四分之一波片c和二分之一波片d，两者沿Z轴方向顺序地分布于偏振分束器b的透光侧，主要用于对经由偏振分束器b透射的线偏振光以及经由硅薄膜材料样品A反射回的光束进行偏振态的改变；
应力施加装置，其沿Z轴方向布置于二分之一波片d的透光侧，主要用于对放置的硅薄膜材料样品A沿Z轴方向施加应力并通过其自身角度的调整使照射到样品A上的偏振光经由二分之一波片c和四分之一波片d原路反射至偏振分束器b上；
反射光探测器e，其可根据实际情况采用诸如锗探测器，主要用于接收偏振分束器b上的反射光并将光信号转换为电信号；
模拟锁相放大器f，其与反射光探测器e电连接，主要用于对反射光探测器e输出的信号进行测量，从而实现对检测结果的确定；
低频信号发生器g，其一路与模拟锁相放大器f电连接以为模拟锁相放大器f提供参考信号、另一路与应力施加装置电连接以用于沿样品A的X轴方向向样品施加调制电场(根据样品A的具体情况，电场频率可设置为270Hz)；
其中，应力施加装置包括一中轴线沿Z轴方向分布的定位盘1、至少两根对称地装设于定位盘1的偏心位置处以用于对样品A进行固定的金属固定杆2以及至少一根贯穿于定位盘1分布以向样品A施加应力的应力施加杆；而低频信号发生器g则与金属固定杆2或定位盘1电连接。
由此，基于本实施例所提供的系统结构，利用应力可以使硅材料产生线性电光效应这一特点，通过三点法(即：利用两根金属固定杆2对样品A形成两个固定点，利用一根应力施加杆对样品形成一个应力施加点)或四点法(即：利用两根金属固定杆2对样品A形成两个固定点，利用两根应力施加杆对样品形成两个应力施加点)或其他多点法对应力施加一个与硅材料本身所存在的内应力的方向相反的外应力来抵消内应力的作用，并利用反射光探测器e和模拟锁相放大器f来观测硅材料中因应力诱导所产生的线性电光信号，当该线性电光信号为零时，即可确定外加应力值与内部待测应力值相等，从而实现对硅材料应力的检测目的。基于本实施例的系统结构所采用的应力检测方法具有以下优点：1、操作简单，只需调整应力施加杆上的施力大小，通过观测测量仪器(即：模拟锁相放大器f)上的示数是否为零，即可依据施力的大小测出样品A的内应力，整个过程不需要相关的背景知识；2、基于线性电光信号的特点，可实现对样品A在某一点所受的所有应力(即：包括外应力和内应力)进行测量，而不是仅仅测量样品的表面应力，故整个测试可更为准确、更为全面；3、基于系统的结构结合反射光测量的方式可以使得系统能够对由硅薄膜材料所制成的硅器件进行测量，且测量过程无破坏性。
为减小样品A上各点电光信号的重叠与影响，从而提高测量精度以及应力在样品A上的分布情况，在激光器a与偏振分束器b之间设置有一用于将由激光器a射出并投射到偏振分束器b上的光束进行光斑大小调整的缩束镜。
作为优选方案，本实施例的缩束镜包括顺序地设置于激光器a与偏振分束器b之间的一凸透镜h和一凹透镜k，其中，凸透镜h和凹透镜k的焦距相等，且凸透镜h与凹透镜k之间的相对位置在Z轴方向连续可调。由此由激光器a射出的光束可通过凸透镜h和凹透镜k的配合向Z轴方向进行聚焦，而通过两者在Z轴方向连续可调的特点，则可根据测量的实际需要实现对出射光斑的大小的调整。
为优化整个系统的性能，本实施例的四分之一波片c的快轴与Y轴方向的夹角呈22.5°，而二分之一波片d的快轴与Y轴方向的夹角呈33.75°。其中所述及的快轴即是指当波片由负晶体制作而成时，波片的光轴方向就是快轴方向；当波片由正晶体制作而成时，快轴方向则垂直于光轴方向并位于玻片平面内。由此，通过对波片的快轴角度的选取有利于为后续的相关计算提供最为简化的关系。
为能够适应不同尺寸的样品A，以更为准确地测量出施加的外应力，同时简化整个系统的结构，本实施例的应力施加杆包括一沿Z轴方向或平行于Z轴方向贯穿于定位盘1分布的应力杆3、阻力臂端与应力杆3的末端相连的杠杆4以及与杠杆4的动力臂端相连的千分尺施力器5，至少两根金属固定杆2(本实施例优选为两根)以应力杆3的中心线为界呈对称分布。由此，可形成单轴应力施加结构，以通过三点法对样品A进行施力及测量，同时利用千分尺施力器5直接读取样品的应变值进而计算出施力的大小。
作为优选方案，为实现对千分尺施力器5所引起的样品应变的读数的放大，达到系统精确测量的效果，本实施例的杠杆4采用不等臂杠杆，且杠杆4的动力臂长度与阻力臂长度的比值为20:1。
当然，为达到更大的测量范围可以进行四点法或其他多点法的实施，本实施例的应力施加杆亦可采用如下结构，即：包括沿Z轴方向或平行于Z轴方向贯穿于定位盘1分布的应力衔接杆6、连接于应力衔接杆6的首端的应力衔接器7、至少两根对称地装设于应力衔接器7并与应力衔接杆6平行分布的应力杆3、阻力臂端与应力衔接杆6的末端相连的杠杆4以及与杠杆4的动力臂端相连的千分尺施力器5，而至少两根金属固定杆2以应力衔接杆6的中心线为界呈对称分布。从而，可形成双轴应力施加结构，以便增加样品A的应变区域。
基于与单轴应力施加结构同样的原理，本实施例的杠杆4为不等臂杠杆，且杠杆4的动力臂长度与阻力臂长度的比值为20:1。
为能够更为充分地说明本实施例的系统的使用原理及体现出其性能效果，如图3所示，以电阻率大于10000Ω·cm、尺寸为25mm*3mm*0.45mm(即：X轴方向尺寸*Y轴方向尺寸*Z轴方向尺寸)、氧化层的厚度为4nm的长条状硅薄膜材料作为样品A进行应力测量；
在样品A的X轴方向上的任意一点沿Z轴方向进行施力后的形变量J(r)的表达式(即：式一)为：其中，式中：r为样品A上任意一点沿X轴方向到中心点的距离，2a为样品A在X轴方向的长度，J0为r＝0时的样品形变量(即：中心形变量，可直接读出)；而样品A在X轴方向上任意一点的应变分量正则比于J(r)；
其中，样品A的中心点处沿X轴方向的应变分量的表达式(即：式二)为沿Z轴方向的应变分量的表达式(即：式三)为其中，式中S11、S12、S44为硅材料样品的弹性系数；由前述公式可知，当沿样品A的Z轴方向施加应力时，样品A会在Z轴方向和X轴方向产生应变，其反演对称性遭到破坏，二阶极化率张量不为零，从而可产生线性电光效应。
基于此，利用硅材料样品的线性光电效应，同时通过采用如图1和图2所示的系统并结合相应的计算方法即可实现对硅薄膜材料应力的全面检测，以本实施例的系统中的激光器采用光源为波长1550nm、输出光功率为1W的固体激光器为例；由激光器a发出的光沿Z轴方向进行传播，而样品A的空间竖直方向则为X轴方向；为了减小样品A上的区域内各点光电信号的重叠与影响，从而提高测量精度，首先利用由凸透镜h和凹透镜k构成的缩束镜将激光器a出射的光束缩减为一个直径小于0.5mm的光斑，之后通过偏振分束器b将其变为空间竖直振动的线偏振光，然后以此通过空间取向分别为快轴与快轴与Y轴方向的夹角呈22.5°和3.75°的四分之一波片c和二分之一波片d，光照在样品A上发生垂直反射，光束沿原路返回至偏振分束器b上，通过偏振分束器b的反射光利用锗反射光探测器e接收并送入模拟锁相放大器f进行检测，同时样品A上通过低频信号发生器g沿X轴方向施加的调制电场(频率为270Hz)，低频信号发生器g另外输出一路作为模拟锁相放大器f的参考信号。依据整个系统的各个组成部件的结构关系，利用式四可以得到发射光探测器e所接收到的光强I0，式四具体为：其中，式中为直流项，Ii为激光器a输入的光强，为偏振光通过样品A由于线性电光效应而产生的相位延迟。
将低频信号发生器g所施加的交流调制电场带入式四中，可将式四简化为式五：其中，n0为硅材料的折射率，d为样品A的长度(即：X轴方向的长度)，L为通光距离，V是在样品A的X轴方向所施加的交流电场，εμμ,εαα为硅材料的介电张量，A为试验中测量点栈样品A两端施加的电压V的分压系数，为硅材料应力场致等效二阶非线性极化率张量，其对应于线性电光效应(其对应线性光电效应，可以表示为其中为硅材料三阶极化率张量，μ,α,β,γ＝x,y,z，S为硅片产生的应变，K为实验中只改变应变而不改变其它参数时应变产生的极化率张量值与应变的线性系数)，从而使得式五最终可以表示为(即：式六)：利用应变S与应力σ之间的关系(σ＝EmoeS，其中Emoe为硅材料的弹性模量约为150Gpa)，可最终得出发射光探测器e所接收到的光信号与样品A所受应力的关系
而通过应力施加装置对样品A进行施加应力并利用低频信号发生器g沿样品的X轴方向施加调制电场后可得到如图4所示的测量实验曲线，在图4中可以看出，在调制电压恒定时，随着施加的应力值的增加，电光信号的绝对值首先会表现出一个由大到小的线性变化趋势，当施加的应力值为1.876×107Gpa时，电光信号为零；随后，随着施加的应力值的增加，电光信号反向线性增加，这说明硅材料由于氧化层的作用本身存在这一个与施加的外应力相反的内应力值；以此，当模拟锁相放大器f输出并最终显示的示数增大说明外加应力与内应力相同，此时可通过外力增大值与原有的值的比值算出外应力与内应力的比；如果示数减小，说明外应力与内应力相反，那么当示数为零时，则外应力等于内应力，此时，通过读取千分尺施力器5的数值即可获取样品A的形变量，进而计算出施加在样品A上的外应力，进而求出内应力。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。
Claims (9)
1.一种硅薄膜材料应力检测系统，其特征在于：它包括沿Z轴方向顺序设置的一激光器、一用于将激光器的出射光束转换为在X-Y轴平面作竖直振动的线偏振光并将经由样品反射回的光束转换为在X-Y轴平面内作水平振动的线偏振光的偏振分束器、用于对经由偏振分束器透射的线偏振光和由样品反射回的光束进行偏振态调整的四分之一波片和二分之一波片以及用于对放置的样品沿Z轴方向施加应力并通过角度调整使照射到样品上的线偏振光经由二分之一波片和四分之一波片原路反射至偏振分束器上的应力施加装置；它还包括用于接收偏振分束器上的反射光并将光信号转换为电信号的反射光探测器、用于对反射光探测器输出的信号进行测量的模拟锁相放大器以及用于沿样品的X轴方向向样品施加调制电场并同时向模拟锁相放大器输出参考信号的低频信号发生器；
所述应力施加装置包括一中轴线沿Z轴方向分布的定位盘、至少两根对称地装设于定位盘的偏心位置处以用于对样品进行固定的金属固定杆以及至少一根贯穿于定位盘分布以向样品施加应力的应力施加杆；所述反射光探测器和低频信号发生器分别与模拟锁相放大器电连接，且所述低频信号发生器与金属固定杆或定位盘电连接。
2.如权利要求1所述的一种硅薄膜材料应力检测系统，其特征在于：所述激光器与偏振分束器之间设置有一用于将由激光器射出并投射到偏振分束器上的光束进行光斑大小调整的缩束镜。
3.如权利要求2所述的一种硅薄膜材料应力检测系统，其特征在于：所述缩束镜包括顺序地设置于激光器与偏振分束器之间的一凸透镜和一凹透镜，所述凸透镜和凹透镜的焦距相等，且所述凸透镜与凹透镜之间的相对位置在Z轴方向连续可调。
4.如权利要求1所述的一种硅薄膜材料应力检测系统，其特征在于：所述激光器为输出光功率连续可调的固体激光器。
5.如权利要求1所述的一种硅薄膜材料应力检测系统，其特征在于：所述四分之一波片的快轴与Y轴方向的夹角呈22.5°，所述二分之一波片的快轴与Y轴方向的夹角呈33.75°。
6.如权利要求1-5中任一项所述的一种硅薄膜材料应力检测系统，其特征在于：所述应力施加杆包括一沿Z轴方向或平行于Z轴方向贯穿于定位盘分布的应力杆、阻力臂端与应力杆的末端相连的杠杆以及与杠杆的动力臂端相连的千分尺施力器，至少两根所述金属固定杆以应力杆的中心线为界呈对称分布。
7.如权利要求6所述的一种硅薄膜材料应力检测系统，其特征在于：所述杠杆为不等臂杠杆，且所述杠杆的动力臂长度与阻力臂长度的比值为20:1。
8.如权利要求1-5中任一项所述的一种硅薄膜材料应力检测系统，其特征在于：所述应力施加杆包括沿Z轴方向或平行于Z轴方向贯穿于定位盘分布的应力衔接杆、连接于应力衔接杆的首端的应力衔接器、至少两根对称地装设于应力衔接器并与应力衔接杆平行分布的应力杆、阻力臂端与应力衔接杆的末端相连的杠杆以及与杠杆的动力臂端相连的千分尺施力器，至少两根所述金属固定杆以应力衔接杆的中心线为界呈对称分布。
9.如权利要求8所述的一种硅薄膜材料应力检测系统，其特征在于：所述杠杆为不等臂杠杆，且所述杠杆的动力臂长度与阻力臂长度的比值为20:1。
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