CN109211976A - 半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置及方法 - Google Patents

半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置及方法 Download PDF

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张喜斌
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陈江
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Abstract

本发明公开了一种半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置及方法，所述装置包括计算机、红外热像仪、同步触发器、函数发生器、激光驱动器、激光器、放大器组件，所述计算机通过数据线与同步触发器相连，同步触发器通过数据线与函数发生器相连，函数发生器通过数据线与激光驱动器相连，激光驱动器通过数据线与激光器相连，激光器输出的激光经放大器组件输出；所述计算机通过数据线与红外热像仪相连。本发明将线性调频脉冲原理、分束激光激励、红外热波检测与先进信号处理算法相结合，实现对半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤的线性调频脉冲分束激光激励红外热波无损检测。

Description

半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光 激励红外热波检测装置及方法
技术领域
本发明涉及一种检测硅片表面/亚表面微裂纹损伤的装置及方法，具体涉及一种半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置及方法。
背景技术
半导体硅片作为集成电路的主要衬底材料，目前已成为生产规模最大、单晶直径最大、生产工艺最完善的半导体材料。据统计，硅器件占世界上出售的所有半导体器件的90%以上。随着超大规模集成电路技术的发展，要求硅片直径增大、IC 线宽减小，这就对硅片制造工艺和表面质量提出了更高的要求。从硅单晶锭到单晶硅片需要经历切、磨、抛等一系列机械和化学加工过程。目前，自旋转磨削被认为是加工大尺寸硅片主流超精密磨削方法，并已得到广泛应用。然而在目前技术条件下，超精密磨削加工硅片过程中会引入一定的损伤层，控制损伤层深度、提高表面层质量是优化硅片质量的重要措施之一，对硅片表面层的损伤检测及评价是研究硅片加工质量过程中必不可少的手段。硅片加工表面层损伤可分为表面损伤和亚表面损伤，其中表面损伤主要有划痕、微裂纹、破碎、橘皮和凹坑等，亚表面损伤主要有非晶层、多晶层、微裂纹、位错、层错、弹性畸变和残余应力等。 半导体硅片加工过程中所产生的这些表面/亚表面损伤，将会对后续抛光工序的加工时间和加工效率产生直接影响，甚至对IC器件成品率、性能以及使用寿命构成威胁。因此，在半导体硅片生产过程中对其表面/亚表面损伤情况进行无损检测、分析与评价，对于实现硅片的高效率、高精度、低损伤加工非常必要。
由于硅片表面层损伤较浅且其具有单晶的晶体学特性，使得很多常规的检测技术不适于硅片加工表面/亚表面损伤的研究。目前，对硅片表面/亚表面损伤的检测方法主要有破坏性和非破坏性两大类。常用的破坏性检测方法主要有择优腐蚀法、分步腐蚀法、截面显微法和角 度抛光法。破坏性检测方法对于光学材料以及半导体晶体材料表面损伤的分析起到了非常重要的作用，但是这些方法除对样品造成破坏外，还存在耗时、对经验依赖性很强等缺点。另外，破坏性检测方法大多只能对局部区域进行检测，而且会引入附加的亚表面损伤。
红外热波无损检测是一种新兴的无损检测手段。与常规检测技术相比，具有非接触、单次检测面积大、易于现场使用、安全、检测结果直观以及操作简便等诸多优点，因此得到越来越广泛的研究和应用。而激光具有单色性好、方向性强、能量集中及良好的相干性等特点，容易获得均匀温度场。
发明内容
本发明的目的是提供一种半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置及方法，将线性调频脉冲原理、分束激光激励、红外热波检测与先进信号处理算法相结合，实现对半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤的线性调频脉冲分束激光激励红外热波无损检测。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：
一种半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置，包括控制器、热波信号采集系统、线性调频脉冲分束激光激励系统三部分，其中：
所述控制器为计算机；
所述热波信号采集系统包括红外热像仪；
所述线性调频脉冲分束激光激励系统包括同步触发器、函数发生器、激光驱动器、激光器、放大器组件；
所述计算机通过数据线与同步触发器相连，同步触发器通过数据线与函数发生器相连，函数发生器通过数据线与激光驱动器相连，激光驱动器通过数据线与激光器相连，激光器输出的激光经放大器组件输出；
所述计算机通过数据线与红外热像仪相连。
一种利用上述装置进行半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测的方法，包括如下步骤：
第1步：摆放器材，连接线路；
第2步：调节放大器组件使光圈会聚在被检测试件上，
第3步：开启计算机、红外热像仪、微焦镜头、同步触发器、函数发生器、激光驱动器，暂不开启激光器；
第4步：预热完成后，进行红外热像仪调焦，直至计算机显示出图像；
第5步：调节激光器，使其输出端与放大器组件中心同一高度；
第6步：在计算机确定并输出调频信号，调频信号通过同步触发器到函数发生器，在函数发生器中再次确定调频信号；
第7步：打开激光器开关，函数发生器输出调频信号到激光驱动器，激光驱动器发出触发信号到激光器，激光器发射激光，通过放大器组件作用于被检测试件，红外热像仪采集图像信息；
第8步：将采集的图像信息实时输入计算机中，通过软件对输入的图像辨别出导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤的详尽形态。
本发明具有如下优点：
1、本发明调频脉冲分束激光作用于半导体硅片的光热效应诱导热波探测方法采用低功率密度光对半导体硅片进行激励，使其温度上升幅度较小，可避免因温度梯度的急剧变化而致使硅片内部结构和化学成分发生改变；
2、本发明调频脉冲分束激光激励光热效应诱导的热波波动特征可对材料特性变化表现出较高的敏感性与特异性，而且检测试验和后续图像序列处理效率较高，可为实现半导体硅片表面/亚表面损伤实时性、自动化检测奠定一定基础。
附图说明
图1为本发明半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤的线性调频脉冲分束激光激励红外热波无损检测原理；
图2为放大器组件结构示意图；
图3为采用线性调频连续激光激励红外热波检测结果；
图4为本发明检测结果。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本发明技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，均应涵盖在本发明的保护范围中。
具体实施方式一：本实施方式提供了一种半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置，如图1和2所示，所述装置由控制器1、热波信号采集系统2、线性调频脉冲分束激光激励系统3、第一信号线4、第二信号线5、第三信号线6、第四信号线7、第五信号线8构成，其中：
所述控制器为计算机1；
所述热波信号采集系统2由红外热像仪2-1和微焦镜头2-2构成；
所述红外热像仪2-1安装有微焦镜头2-2；
所述线性脉冲调频分束激光激励系统3由同步触发器3-1、函数发生器3-2、激光驱动器3-3、激光器3-4、放大器组件3-5构成；
所述放大器组件3-5包括反光镜3-5-1、分束器3-5-2、第一凸透镜3-5-3、第二凸透镜3-5-4、第一灯具座3-5-5、第二灯具座3-5-6、第三灯具座3-5-7、第四灯具座3-5-8；
所述反光镜3-5-1安装在第一灯具座3-5-5上，分束器3-5-2安装在第二灯具座3-5-6上，第一凸透镜3-5-3安装在第三灯具座3-5-7上，第二凸透镜3-5-4安装在第四灯具座3-5-8上；
所述第一灯具座3-5-5到第二灯具座3-5-6的距离为50.0mm，第二灯具座3-5-6到第三灯具座3-5-7、第四灯具座3-5-8的距离为150.0mm；
所述反光镜3-5-1的中心与分束器3-5-2的中心在同一高度同一直线，分束器3-5-2的中心与第一凸透镜3-5-3、第二凸透镜3-5-4的中心同一高度，第一凸透镜3-5-3、第二凸透镜3-5-4的中心在同一高度同一直线；
所述激光器3-4的输出端与反光镜3-5-1的中心在同一高度同一直线，且距离为50.0mm；
所述激光器3-4的激光发射方向垂直于反光镜3-5-1的中心与分束器3-5-2的中心形成的直线；
所述计算机1与红外热像仪2-1通过第一信号线4连接；
所述计算机1的数据输出端与同步触发器3-1数据输入端通过第二信号线5连接；
所述同步触发器3-1的数据输出端与函数发生器3-2数据输入端通过第三信号线6连接，函数发生器3-2数据输出端与激光驱动器3-3数据输入端通过第四信号线7连接，激光驱动器3-3数据输出端与激光器3-4通过第五信号线8连接，放大器组件3-5置于激光器3-4与被检验试件前方，激光器3-4输出的激光经反光镜3-5-1、分束器3-5-2、第一凸透镜3-5-3、第二凸透镜3-5-4输出作用于被检测试件。
具体实施方式二：本实施方式提供了一种利用具体实施方式一所述装置进行半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测的方法，所述方法步骤如下：
第1步：将反光镜3-5-1安装在第一灯具座3-5-5上，分束器3-5-2安装在第二灯具座3-5-6上，将第一凸透镜3-5-3、第二凸透镜3-5-4分别安装在第三灯具座3-5-7、第四灯具座3-5-8上，按要求摆放器材，并连接线路；
第2步：调节第三灯具座3-5-7、第四灯具座3-5-8，使第一凸透镜3-5-3、第二凸透镜3-5-4的光圈会聚在被检测试件上，且保证第一凸透镜3-5-3、第二凸透镜3-5-4的中心在同一高度同一直线；调节第二灯具座3-5-6，使其到第三灯具座3-5-7、第四灯具座3-5-8的距离150.0mm，且保证分束器3-5-2中心与第一凸透镜3-5-3、第二凸透镜3-5-4的中心同一高度；调节第一灯具座3-5-5，使其到第二灯具座3-5-6距离50.0mm，且保证反光镜3-5-1的中心与分束器3-5-2的中心同一高度同一直线；
第3步：开启计算机1、红外热像仪2-1、微焦镜头2-2、同步触发器3-1、函数发生器3-2、激光驱动器3-3，暂不开启激光器3-4；
第4步：预热完成后，进行红外热像仪2-1调焦，直至计算机1中显示出清晰的红外图像；
第5步：调节激光器3-4，使其输出端与反光镜3-5-1的中心同一高度同一直线，距离为50.0mm，并使激光发射方向垂直于反光镜3-5-1中心与分束器3-5-2中心形成的直线；
第6步：在计算机1确定并输出调频信号，调频信号通过同步触发器3-1到函数发生器3-2，在函数发生器3-2中再次确定调频信号；
第7步：打开激光器3-4开关，函数发生器3-2输出调频信号到激光驱动器3-3，激光驱动器3-3输出触发信号到激光器3-4输出变化功率激光，激光通过反光镜3-5-1、分束器3-5-2、第一凸透镜3-5-3、第二凸透镜3-5-4作用于被检测试件，红外热像仪2-1在计算机1的触发下开始实时采集图像信息；
第8步：将上述采集的图像信息实时输入计算机1中，通过软件可以对输入图像信息底层进行相关视觉处理，提取空间变换的像素点就是缺陷裂纹的边缘，可以清晰的辨别出导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤的详尽形态。
以含表面微裂纹损伤的半导体硅片为例，对其进行基于线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测。对比图3和图4可知，基于线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置可以高分辨率高信噪比地检测出半导体硅片表面微裂纹损伤。

Claims (8)

1.一种半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述装置包括控制器、热波信号采集系统、线性调频脉冲分束激光激励系统三部分，其中：
所述控制器为计算机；
所述热波信号采集系统包括红外热像仪；
所述线性调频脉冲分束激光激励系统包括同步触发器、函数发生器、激光驱动器、激光器、放大器组件；
所述计算机通过数据线与同步触发器相连，同步触发器通过数据线与函数发生器相连，函数发生器通过数据线与激光驱动器相连，激光驱动器通过数据线与激光器相连，激光器输出的激光经放大器组件输出；
所述计算机通过数据线与红外热像仪相连。
2.根据权利要求1所述的半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述红外热像仪安装有微焦镜头。
3.根据权利要求1所述的半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述放大器组件包括反光镜、分束器、第一凸透镜、第二凸透镜、第一灯具座、第二灯具座、第三灯具座、第四灯具座，所述反光镜安装在第一灯具座上，分束器安装在第二灯具座上，第一凸透镜安装在第三灯具座上，第二凸透镜安装在第四灯具座。
4.根据权利要求3所述的半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述第一灯具座到第二灯具座的距离为50.0mm，第二灯具座到第三灯具座、第四灯具座的距离为150.0mm。
5.根据权利要求3或4所述的半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述反光镜的中心与分束器的中心在同一高度同一直线，分束器的中心与第一凸透镜、第二凸透镜的中心同一高度，第一凸透镜、第二凸透镜的中心在同一高度同一直线，激光器的输出端与反光镜的中心在同一高度同一直线。
6.根据权利要求5所述的半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述激光器的输出端与反光镜的中心在同一高度同一直线，且距离为50.0mm。
7.根据权利要求6所述的半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测装置，其特征在于所述激光器的激光发射方向垂直于反光镜的中心与分束器的中心形成的直线。
8.一种利用权利要求1-7任一权利要求所述装置进行半导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤线性调频脉冲分束激光激励红外热波检测的方法，其特征在于所述方法包括如下步骤：
第1步：摆放器材，连接线路；
第2步：调节放大器组件使光圈会聚在被检测试件上，
第3步：开启计算机、红外热像仪、微焦镜头、同步触发器、函数发生器、激光驱动器，暂不开启激光器；
第4步：预热完成后，进行红外热像仪调焦，直至计算机显示出图像；
第5步：调节激光器，使其输出端与放大器组件中心同一高度；
第6步：在计算机确定并输出调频信号，调频信号通过同步触发器到函数发生器，在函数发生器中再次确定调频信号；
第7步：打开激光器开关，函数发生器输出调频信号到激光驱动器，激光驱动器发出触发信号到激光器，激光器发射激光，通过放大器组件作用于被检测试件，红外热像仪采集图像信息；
第8步：将采集的图像信息实时输入计算机中，通过软件对输入的图像辨别出导体硅片表面/亚表面微裂纹损伤的详尽形态。
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