CN109764993A - 基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法，通过双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的起偏臂发出的调制偏振光以透射模式垂直照射在被测样件表面，透过样件后进入检偏臂，并被检偏臂里的光谱仪接收得到透射后的椭偏光谱曲线，进而计算出被测样件的全穆勒矩阵；通过穆勒矩阵求得应力双折射相位差δ的大小和方向，结合被测样件的应力光学常数(c₁‑c₂)求得被测样件的应力σ的大小；σ的表达式为：其中，λ为被测样件透射光的中心波长，d为被测样件的厚度。上述的基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法，克服了目前衬底材料应力测量所存在的测量深度小以及测量精度低等问题。

Description

基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法

技术领域

本发明涉及偏振光学测量领域，更具体地说，涉及一种基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪透射测量模式下的透明衬底材料的残余应力测量方法。

背景技术

在半导体芯片与集成电路制造产业中，蓝宝石等透明衬底材料由于其优异的光学、电学性能而被广泛应用。其加工质量直接影响半导体器件的光电性能和稳定性。

残余应力是零件加工质量的重要指标：在半导体衬底切割、研磨等加工过程中引入的残余应力可造成晶片在后续加工过程中变形开裂、膜层脱落等后果，直接影响到产品优良率。同时，残余应力也直接影响器件的环境性能：在化学腐蚀环境下，残余应力状态对其抗腐蚀性能有很大影响；对于许多承受交变载荷作用下的器件，其疲劳强度、使用寿命也与残余应力状态有极大的关系；另外，残余应力状态还影响零件的尺寸稳定性和机械磨损性能。因此，准确测量残余应力对相关领域至关重要。

残余应力的检测方法按照是否对样件造成损伤分为有损检测和无损检测两大类。盲孔法、切条法、剥层法等有损的机械检测方法会对被测样品造成破坏，而一些晶圆材料造价高昂，有损检测方法会使得成本增加，同时机械方法在制样过程中还会引入新的应力残留，在对微小残余应力检测时会带来较大的误差。无损检测方法基于材料的某些物理性能随应力变化的改变，目前对于作为衬底的半导体材料来说，主要以X射线衍射法和拉曼散射法应用最为广泛，如窦瑛、张颖在《利用显微喇曼光谱进行SiC单晶片应力分析》一文中对碳化硅晶片的残余应力进行了拉曼光谱分析，通过拉曼特征峰的偏移来反映应力大小和类型，但是由于它的测试深度最大仅约为10um，且对被测样件表面粗糙度敏感，测试速度慢，在应用中限制较大；而X射线衍射法同样也存在测量深度小且精度较低的问题。这两种方法不适合衬底材料完整厚度方向的应力检测，其厚度一般在上百至几百微米范围。

很多学者对偏振光在衬底材料应力测量方面做了研究。陈涌海等人在《用偏振差分透射谱技术测量半导体晶体片应力分布》一文中提出了一种偏振透射差分法：通过测量出测试材料表面上相互垂直的两个方向上的光强透射比率差，再结合弹光原理，最终计算出材料内应力大小。基于此方法对砷化镓、蓝宝石、氮化镓等衬底材料进行了残余应力测量，测量精度达到MPa级。但此方法的测量精度受限于光弹调制器的精度，而高精度的光弹调制器被美国垄断；苏飞等人在《用于监测硅片应力的红外光弹仪》一文中基于红外光弹系统对硅片的应力分辨率达到15MPa，分辨率比较低。

发明内容

本发明的目的在于为了克服目前衬底材料应力测量所存在的测量深度小以及测量精度低等问题，提供一种基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法。

本发明为了解决其技术问题所采用的方案是：

基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法，通过双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的起偏臂发出的调制偏振光垂直照射在被测样件表面，透过样件后进入检偏臂，并被检偏臂里的光谱仪接收得到透射后的椭偏光谱曲线，进而计算出被测样件的全穆勒矩阵；

通过穆勒矩阵求得应力双折射相位差δ的大小和方向，结合被测样件的应力光学常数(c₁-c₂)求得被测样件的应力σ的大小；

σ的表达式为：

其中，λ为透过被测样件光的中心波长，d为被测样件的厚度。

在一较佳实施例中：所述调制偏振光垂直透射过被测样件时，由于材料应力的存在会使材料产生各向异性应变。由于弹光效应，该各向异性应变会产生光学各向异性。当入射偏振光穿过测试材料时，表现出各向异性的两个光学主轴对光的传播速度会有不同作用，即在出射点形成一定的相位差，通过光谱仪检测计算它们的相位差来计算应力。

在一较佳实施例中：所述被测样件的应力光学常数(c₁-c₂)通过单轴拉伸或压缩预实验获取。

在一较佳实施例中：所述单轴拉伸或压缩实验通过在被测样件表面施加单轴载荷，根据被测样件的全穆勒矩阵，解析出载荷大小与相位延迟的对应曲线，拟合出应力光学常数(c₁-c₂)。

在一较佳实施例中：所述透过被测样件光的中心波长λ通过中心波长实验测得。

在一较佳实施例中：所述中心波长实验具体是指：将光源、被测样件、光谱仪固定使它们的中心在同一水平高度上，将光谱仪得到的光强-波长曲线进行高斯拟合，获取透过被测样件光的中心波长λ。

相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：

本发明提供了一种基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法，克服目前衬底材料应力测量所存在的测量深度小以及测量精度低等问题，根据被测材料类型、厚度和所用光谱范围，可通过透射模式实现衬底厚度上的应力测试，测量深度范围大，穆勒矩阵椭偏原理可实现较高精度检测，不受被垄断的高精度光弹调制器限制，属于无损检测。

附图说明

图1是双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪透射模式下的光路示意图；

图2是中心波长实验光路示意图；

图3是中心波长实验的实测数据与拟合结果；

图4是测量大小为4寸、厚度为600um的蓝宝石晶片得到的全穆勒矩阵；

图5是经穆勒矩阵解析后的相位差曲线图；

图中1是起偏臂，2和8是起被测样件，3是样件吸附台，4是位移台，5是检偏臂，6是光源，7准直镜，9是光谱仪。

具体实施方式

下面结合附图及实例对本发明做描述说明。

一种基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法，如图1所示，从起偏臂1发出调制偏振光垂直透射固定在样件吸附台3上的被测样件2后进入检偏臂4，最后的光信号被检偏臂里的光谱仪接收得到得到透射后的椭偏光谱曲线，进而计算出被测样件2的全穆勒矩阵；通过穆勒矩阵求得应力双折射相位差的大小和方向，结合材料的应力光学常数求得应力的大小；再通过逐行扫描即可获取样件的应力分布。

本发明基于应力双折射原理，材料内应力的存在会使材料产生各向异性应变。由于弹光效应，该各向异性应变会产生光学各向异性。当入射偏振光穿过测试材料时，表现出各向异性的两个光学主轴对光的传播速度会有不同作用，即在出射点形成一定的相位差，进而可以通过检测它们的相位差来计算应力。

具体步骤如下：

1)通过单轴拉伸或压缩预实验获取材料的应力光学常数(c₁-c₂)，单轴拉伸或压缩实验通过在被测样件表面施加单轴载荷，根据椭偏仪测量得到的样件的穆勒矩阵，解析出载荷大小与相位延迟的对应曲线，拟合出应力光学常数；

2)通过如图2所示的中心波长实验，将光源6、被测样件8、光谱仪9固定使它们的中心在同一水平高度上，将光谱仪得到的光强-波长曲线进行高斯拟合，获取透过被测样件10的透射光的中心波长λ，拟合后得到其中心波长为618.9nm，结果如图3所示；

3)在图1所示双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏透射模式下，从起偏臂1发出的测量光束垂直透过样件2表面，通过检偏臂4的光谱仪接收得到透射后的椭偏光谱曲线，计算获取被测样件4的穆勒矩阵M(δ，θ)，如图4所示，其表达式为：

M(δ,θ)＝R(-θ)M(δ)R(θ)，

其中，

其中，R(θ)为旋转矩阵，δ为双折射相位差，θ为方位角；

解析图4所示样件的穆勒矩阵M(δ，θ)，解析后的相位差—波长曲线如图5所示，中心波长为619nm，找到对应中心波长下的相位差δ，中心波长619nm对应的相位差为1.2°，根据步骤1)得到的应力光学系数(c₁-c₂)求得应力σ的大小，σ的表达式为

其中，λ为透过被测样件的光波中心波长，d为被测样件的厚度；

5)通过200mm*200mm的Mapping工作台逐行扫描被测样品表面，得到样件的应力分布。

本发明所用的椭偏仪测量系统其光源为氘灯和钨灯组成的复合光源，光谱范围从210-1650nm，入射角为90°,相位差精度为0.1°，实例中所用的测量光斑大小直径为2mm。

以上仅为本发明的优选实施例，但本发明的范围不限于此，本领域的技术人员可以容易地想到本发明所公开的变化或技术范围。替代方案旨在涵盖在本发明的范围内。因此，本发明的保护范围应由权利要求的范围确定。

Claims (6)

1.基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法，其特征在于：通过双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的起偏臂发出的调制偏振光垂直透射被测样件后进入检偏臂，并被检偏臂里的光谱仪接收得到透射后的椭偏光谱曲线，进而计算出被测样件的全穆勒矩阵；

通过穆勒矩阵求得应力双折射相位差δ的大小和方向，结合被测样件的应力光学常数(c₁-c₂)求得被测样件的应力σ的大小；

σ的表达式为：

其中，λ为透过被测样件光的中心波长，d为被测样件的厚度。

2.根据权利要求1所述的基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法，其特征在于：所述调制偏振光垂直透射被测样件时，由于材料应力的存在会使材料产生各向异性应变。由于弹光效应，该各向异性应变会产生光学各向异性。当入射偏振光穿过测试材料时，表现出各向异性的两个光学主轴对光的传播速度会有不同作用，即在出射点形成一定的相位差，通过光谱仪检测计算它们的相位差来计算应力。

3.根据权利要求2所述的基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法，其特征在于：所述测样件的应力光学常数(c₁-c₂)可通过单轴拉伸或压缩实验获取。

4.根据权利要求3所述的基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法，其特征在于：所述单轴拉伸或压缩实验通过在被测样件表面施加单轴载荷，根据被测样件的全穆勒矩阵，解析出载荷大小与相位延迟的对应曲线，拟合出应力光学常数(c₁-c₂)。

5.根据权利要求1所述的基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法，其特征在于：所述透过被测样件光的中心波长λ通过中心波长实验测得。

6.根据权利要求5所述的基于双旋转补偿器型穆勒矩阵椭偏仪的残余应力测量方法，其特征在于：所述中心波长实验具体是指：将光源、被测样件、光谱仪固定使它们的中心在同一水平高度上，将光谱仪得到的光强-波长曲线进行高斯拟合，获取透过被测样件光的中心波长λ。