CN109781665B - 一种采用偏振激光散射检测半导体材料亚表面损伤的装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种采用偏振激光散射检测半导体材料亚表面损伤的装置，包括激光器、偏振片、偏振分光镜、聚焦透镜组、针孔和信号采集系统；信号采集系统包括光电探测器、数据采集卡、计算机、运动控制器和旋转位移平台；由于本发明的旋转位移平台增加了X轴平动和绕Z转动功能，激光检测时，可以沿着磨纹检测，使得检测时入射线偏振激光的偏振方向与磨纹平行或者垂直，这样入射线偏振激光的偏振方向与残余应力的第一主应力垂直或者平行，则残余应力对检测的影响被消除。由于本发明采用了消除残余应力影响的检测方法，实现了检测过程中残余应力和亚表面损伤的分离。由于本发明采用了消除残余应力影响的检测方法，实现了更准确的亚表面损伤检测。

Description

一种采用偏振激光散射检测半导体材料亚表面损伤的装置

技术领域

本发明涉及磨削半导体材料亚表面损伤的无损检测技术，特别是一种采用偏振激光散射检测半导体材料亚表面损伤的装置。

背景技术

目前针对磨削半导体材料亚表面损伤检测主要分为两类，一类是破坏性检测，另一类是无损检测。破坏性检测方法不需要依靠昂贵的设备，检测工艺成熟，容易操作，但是破坏性检测装置和方法存在如下问题：

1、零件需要破坏后再检测，造成材料损失和生产成本增加。当检测不同加工工艺(锯切、磨削、研磨等)或加工参数条件下的半导体材料亚表面损伤时，需要将零件破坏并制成检测试样。大多数半导体材料，如硅片、蓝宝石、碳化硅等，属硬脆材料，加工过程中刀具磨损严重，不同的刀具状态下的亚表面损伤也不同，因而加工过程中半导体材料亚表面的有损检测造成了大量的材料浪费。

2、检测区域小，检测效率低。破坏性检测方法只针对于制备试样局部的截面进行检测，无法一次性评估整个半导体材料的亚表面损伤分布状况。破坏性检测方法的样品制备需要经过多种工序，制样周期长，影响整体检测效率。

3、使用剧毒腐蚀剂。破坏性检测样品制备完成之后往往需要经过腐蚀再用仪器设备检测，半导体材料常用的腐蚀剂为剧毒的氢氟酸溶液，对操作人员身体安全存在一定的威胁。

无损检测包括光弹法检测、超声检测，光学相干检测、激光散射检测、偏振激光散射检测等，能够检测全局损伤，检测效率高，适合集成到生产线上进行在线检测。但大部分无损检测方法可靠性较差，并且容易受到其他因素的干扰。光弹法主要检测半导体材料残余应力，无法准确检测亚表面裂纹。超声检测除了亚表面损伤信号之外，还存在表面粗糙度散射信号和由超声波发生和传输原件中不均匀性引起的散射信号等，不利于亚表面裂纹信号的分析和检测。在光学相干检测和激光散射检测中，表面粗糙度严重影响了亚表面损伤检测。而采用偏振激光散射检测方法，表面散射光与入射激光的偏振状态基本保持一致，亚表面损伤散射光的偏振状态与入射光明显不同，通过偏振光学元件即可将亚表面损伤散射的光线从检测光线中分离出来，进而排除了表面粗糙度的影响，实现对亚表面损伤的检测。因此偏振激光散射检测装置在半导体材料亚表面损伤检测中具有广阔的应用前景。然而，半导体材料亚表面损伤和残余应力同时存在，相互耦合。现有公开的偏振激光散射检测半导体材料亚表面损伤的装置无法分离残余应力和亚表面损伤。而由于应力双折射的影响，检测信号和亚表面损伤并非一一对应，因此，亚表面损伤检测结果并不准确，需要提出一种分离残余应力的偏振激光散射检测装置。

发明内容

为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以分离残余应力的影响并准确检测亚表面损伤的采用偏振激光散射检测半导体材料亚表面损伤的装置。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种采用偏振激光散射检测半导体材料亚表面损伤的装置，包括激光器、偏振片、偏振分光镜、聚焦透镜组、针孔和信号采集系统；

所述的激光器提供光学系统的信号源；

所述的偏振片放置于激光器的前方，使激光出射光变为线偏振激光；

所述的偏振分光镜放置于偏振片的前方，用于反射经过偏振片的激光，同时分离经过半导体材料亚表面损伤散射而改变了原有偏振状态的光，使之透过偏振分光镜；

所述的聚焦透镜组包括上聚焦透镜和下聚焦透镜，上聚焦透镜和下聚焦透镜分别分布于偏振分光镜的上下两侧，下聚焦透镜放置于偏振分光镜的反射端，将偏振分光镜反射的激光束聚焦于半导体材料表面；上聚焦透镜放置于偏振分光镜的透射端，汇聚经过半导体材料亚表面散射而改变了原有偏振状态的光；

所述的针孔放置于上聚焦透镜上方的焦点处；

所述的信号采集系统对信号进行采集并进行分析处理，得到半导体材料亚表面损伤分布情况，所述的信号采集系统包括光电探测器、数据采集卡、计算机、运动控制器和旋转位移平台；

所述的光电探测器放置于针孔上方，探测通过针孔的光；

所述的数据采集卡接收光电探测器的输出信号；

所述的计算机对数据采集卡采集到的信号进行分析处理；

所述的运动控制器接收计算机的指令，控制旋转位移平台运动；

所述的旋转位移平台带动半导体材料位置变换。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、由于本发明增加了X轴平动和绕Z转动功能，激光检测时，可以沿着磨纹检测，使得检测时入射线偏振激光的偏振方向与磨纹平行或者垂直，这样入射线偏振激光的偏振方向与残余应力的第一主应力垂直或者平行，则残余应力对检测的影响被消除。

2、由于本发明采用了消除残余应力影响的检测方法，实现了检测过程中残余应力和亚表面损伤的分离。

3、由于本发明采用了消除残余应力影响的检测方法，实现了更准确的亚表面损伤检测。

附图说明

图1表示本发明的结构示意图。

图2表示检测时激光偏振方向和磨纹平行的相对位置关系。

图3表示检测时激光偏振方向和磨纹垂直的相对位置关系。

图中，1、激光器，2、出射光，3、偏振片，4、偏振分光镜，5、检测激光束，6、下聚焦透镜，7、半导体材料，8、损伤散射激光，9、上焦聚透镜，10、针孔，11、光电探测器，12、计算机，13、运动控制器，14、旋转位移平台，15、磨纹，16、检测激光偏振方向，17、数据采集卡。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-3所示，一种采用偏振激光散射检测半导体材料亚表面损伤的装置，包括激光器1、偏振片3、偏振分光镜4、聚焦透镜组、针孔10和信号采集系统；

所述的激光器1提供光学系统的信号源；

所述的偏振片3放置于激光器1的前方，使激光出射光2变为线偏振激光；

所述的偏振分光镜4放置于偏振片3的前方，用于反射经过偏振片3的激光，同时分离经过半导体材料7亚表面损伤散射而改变了原有偏振状态的光，使之透过偏振分光镜4；

所述的聚焦透镜组包括上聚焦透镜9和下聚焦透镜6，上聚焦透镜9和下聚焦透镜6分别分布于偏振分光镜4的上下两侧，下聚焦透镜6放置于偏振分光镜4的反射端，将偏振分光镜4反射的激光束聚焦于半导体材料7表面；上聚焦透镜9放置于偏振分光镜4的透射端，汇聚经过半导体材料7亚表面散射而改变了原有偏振状态的光；

所述的针孔10放置于上聚焦透镜9上方的焦点处；

所述的信号采集系统对信号进行采集并进行分析处理，得到半导体材料7亚表面损伤分布情况，所述的信号采集系统包括光电探测器11、数据采集卡17、计算机12、运动控制器13和旋转位移平台14；

所述的光电探测器11放置于针孔10上方，探测通过针孔10的光；

所述的数据采集卡17接收光电探测器11的输出信号；

所述的计算机12对数据采集卡17采集到的信号进行分析处理；

所述的运动控制器13接收计算机12的指令，控制旋转位移平台14运动；

所述的旋转位移平台14带动半导体材料7位置变换。

本发明提出的偏振激光散射检测半导体材料亚表面损伤主要原理是采用线偏振的激光检测，具体实施方式如下：激光器1发射检测激光，出射光2经过偏振片3变为线偏振的检测激光束5，检测激光束5经过偏振分光镜4反射，再由下聚焦透镜6聚焦到半导体材料7上，检测激光束5在半导体材料表面发生表面散射和透射。经过亚表面损伤散射的光偏振状态与检测激光的偏振状态不同，经过偏振分光镜4时，发生透射，最终经过上聚焦透镜9被光电探测器11接收。计算机12发出指令给运动控制器13控制旋转位移平台14在焦平面内沿X轴平动和绕Z轴转动，使检测激光偏振方向16平行和或者垂直于磨纹15，以消除残余应力的影响，得到材料亚表面同一深度处焦平面内不同位置的损伤信息。计算机12发出指令给运动控制器13控制旋转位移平台14沿Z轴竖直移动，检测不同深度处焦平面内亚表面损伤的分布信息，最终分析处理检测信号得到亚表面损伤的三维信息。

本发明的工作方法，包括如下步骤：

A、将待测样品放置于旋转位移平台14上；

B、激光器1发射激光，经过偏振片3之后，变为线偏振激光，经过偏振分光镜4反射，由放置于偏振分光镜4反射端的上聚焦透镜9聚焦到待测样品上；

C、固定激光入射角，使激光垂直入射待测样品；

D、线偏振激光与待测样品亚表面损伤相互作用，线偏振激光去偏振，变为部分偏振光，偏振状态改变的光经过偏振分光镜4被分离出来，被放置于偏振分光镜4透射端的上聚焦透镜9聚焦，焦点处的光通过针孔10由光电探测器11探测，最后光电探测器11探测的光电信号被信号采集系统采集；离焦的光则不会通过针孔10，即不被光电探测器11探测到；

E、计算机12控制旋转位移平台14沿X轴平动和绕Z轴转动，使检测激光的偏振方向16始终平行或者垂直磨纹15方向，以消除残余应力的影响，信号采集系统采集平面内不同位置处的探测信号，得到材料亚表面同一深度处焦平面内不同位置的损伤信息；

F、计算机12控制旋转位移平台14沿Z轴竖直移动，使激光焦点进入待测样品亚表面不同深度，重复步骤E，不同深度处焦平面内的亚表面损伤的分布信息，进而得到不同深度下探测信号的变化规律；

G、分析处理光电探测器11探测的信号，得到待测样品亚表面损伤的三维信息。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (1)

1.一种采用偏振激光散射检测半导体材料亚表面损伤的装置，其特征在于：包括激光器(1)、偏振片(3)、偏振分光镜(4)、聚焦透镜组、针孔(10)和信号采集系统；

所述的激光器(1)提供光学系统的信号源；

所述的偏振片(3)放置于激光器(1)的前方，使激光出射光(2)变为线偏振激光；

所述的偏振分光镜(4)放置于偏振片(3)的前方，用于反射经过偏振片(3)的激光，同时分离经过半导体材料(7)亚表面损伤散射而改变了原有偏振状态的光，使之透过偏振分光镜(4)；

所述的聚焦透镜组包括上聚焦透镜(9)和下聚焦透镜(6)，上聚焦透镜(9)和下聚焦透镜(6)分别分布于偏振分光镜(4)的上下两侧，下聚焦透镜(6)放置于偏振分光镜(4)的反射端，将偏振分光镜(4)反射的激光束聚焦于半导体材料(7)表面；上聚焦透镜(9)放置于偏振分光镜(4)的透射端，汇聚经过半导体材料(7)亚表面散射而改变了原有偏振状态的光；

所述的针孔(10)放置于上聚焦透镜(9)上方的焦点处；

所述的信号采集系统对信号进行采集并进行分析处理，得到半导体材料(7)亚表面损伤分布情况，所述的信号采集系统包括光电探测器(11)、数据采集卡(17)、计算机(12)、运动控制器(13)和旋转位移平台(14)；

所述的光电探测器(11)放置于针孔(10)上方，探测通过针孔(10)的光；

所述的数据采集卡(17)接收光电探测器(11)的输出信号；

所述的计算机(12)对数据采集卡(17)采集到的信号进行分析处理；

所述的运动控制器(13)接收计算机(12)的指令，控制旋转位移平台(14)运动；

所述的旋转位移平台(14)带动半导体材料(7)位置变换，使得检测激光的偏振方向(16)始终与磨纹(15)平行或者垂直。

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