CN109781666B - 一种偏振激光散射检测单晶硅片亚表面损伤的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种分离残余应力的偏振激光散射检测硅片亚表面损伤的方法，涉及磨削单晶硅片亚表面损伤的无损检测，其具体特征包括采用线偏振激光散射检测亚表面损伤，通过调整入射激光偏振方向与磨削表面磨纹的方向夹角，使入射激光的偏振方向与磨纹平行或垂直，消除残余应力的影响之后进而对亚表面裂纹进行无损检测；亚表面裂纹检测完成之后，通过调整入射激光的偏振方向与磨纹的夹角，进而实现对表面残余应力的检测。本发明方法新颖，操作简单，能够提高硅片加工亚表面损伤的检测精度，易实现在线检测，有利于提高生产效率，是集经济性与实用性为一体的亚表面损伤的无损检测方法。
Description
技术领域
本发明涉及磨削单晶硅片亚表面损伤的无损检测技术，特别是一种分离残余应力的偏振激光散射检测单晶硅片亚表面损伤的方法。
背景技术
目前针对磨削单晶硅片亚表面损伤检测的方法主要分为两类，一类是破坏性检测方法，另一类是无损检测方法。
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硅片亚表面损伤时，需要将零件破坏并制成检测试样。硅片属硬脆材料，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，因而加工过程中硅片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硅片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，单晶硅片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。
无损检测方法包括光弹法检测、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方法，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。光弹法主要检测硅片残余应力，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方法在硅片亚表面损伤检测中具有重要应用前景。
然而在偏振激光散射检测方法中，由于光弹效应，磨削加工残余应力会干扰偏振激光散射信号，这一影响因素在现有公开的技术中并没有被考虑。残余应力影响偏振激光散射检测硅片亚表面损伤的主要原理是残余应力引起的光弹效应。线偏振光在存在应力的硅片上会发生双折射效应，即入射光沿着两个主应力方向分解成两束光以不同速度向前传播，当这两束光离开硅片时，重新合成一束出射光。因为这两束光在硅片内部的传播速度不同，因此出射时两束光波动存在相位差，最终使出射光发生解偏变成部分偏振光。出射光通过检偏器后，其光强取决于入射光的偏振方向与主应力夹角和由于双折射效应分解的两束光的波动相位差。出射光通过检偏器后的光强可由公式(1)计算：
其中，I表示出射光通过检偏器后的光强，I0表示入射光光强，θ表示入射光偏振方向与主应力方向的夹角，δ表示双折射效应分解的两束光出射时的波动相位差，λ表示入射光的波长。由公式(1)可以得到，当θ＝0°或90°时，通过检偏器的光强为0。因此，当入射线偏振光偏振方向与残余应力的主应力方向重合(θ＝0°)或垂直(θ＝90°)时，残余应力对出射光检测强度没有影响。
现公开的偏振激光散射检测硅片亚表面损伤的方法中没有考虑表面残余应力的影响，这就导致了检测结果存在误差。
发明内容
为了解决磨削硅片中残余应力对偏振激光散射检测亚表面损伤存在干扰的检测技术问题，本发明要提供一种偏振激光散射检测单晶硅片亚表面损伤的方法，以消除残余应力对偏振激光散射检测信号的干扰，提高检测精度。
研究表明，磨削硅片表面残余应力的主应力方向与磨纹方向有关。第一主应力方向与磨纹垂直，第二主应力方向与磨纹的切线方向重合。为此，本发明采用将入射激光的偏振方向与硅片表面磨纹方向一致或者垂直的检测方法，即可消除残余应力对偏振激光散射检测的影响。当采用偏振激光散射检测磨削硅片亚表面损伤时，首先使入射激光的偏振方向与磨纹方向一致或者垂直，检测亚表面裂纹，然后调整入射激光偏振方向与硅片表面磨纹之间的夹角，检测表面残余应力的分布。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种偏振激光散射检测单晶硅片亚表面损伤的方法，包括以下步骤：
A、检测亚表面裂纹
激光器发射检测激光束，检测激光束经过偏振片变为线偏振的入射激光，入射激光经过偏振分光镜反射，入射到硅片上。入射激光在硅片表面发生表面散射和透射，透射光线被亚表面裂纹散射。表面散射光线的偏振状态几乎与入射光保持一致，而亚表面裂纹散射光线则为部分偏振，通过偏振分光镜将亚表面裂纹散射光线从散射光线中分离出来，进而由光电探测器将检测的光信号转化为电信号，然后将检测信号传送给计算机，由此实现对亚表面裂纹的检测。控制调整旋转位移平台，使入射激光的偏振平面与硅片表面磨纹方向垂直或者平行，即入射激光偏振方向与硅片表面上第一主应力方向或第二主应力方向平行，此时入射激光偏振方向与第一主应力或第二主应力方向之间的夹角为零，则残余应力对偏振激光检测的影响也为零，从而消除了残余应力对检测信号的影响，可准确获得硅片亚表面裂纹的信息。
B、检测表面残余应力的分布
先按照步骤A获得分离残余应力的亚表面损伤的检测信号S1，改变入射激光偏振方向与磨纹之间的夹角，使其不等于0°或90°，获得激光散射检测信号S2，S1减去S2表示残余应力的检测信号；控制调整旋转位移平台变换位置，获得不同位置处残余应力的检测信号，从而得到磨削表面残余应力的分布。
本发明应用于磨削单晶硅片亚表面损伤检测中，与现有检测方法相比主要优点如下：
1、本发明排除了残余应力对亚表面裂纹检测的影响，可以提供更加准确的检测结果，从而可以更加准确地指导优化加工工艺。
2、本发明通过调整入射激光的偏振方向与磨纹之间的夹角，可用来检测磨削硅片表面残余应力的分布。
3、本发明可同时检测亚表面裂纹和磨削残余应力，为优化加工工艺提供前期基础。
4、本发明可应用于硬脆材料磨削加工表面亚表面损伤离线或者在线检测中，硬脆材料包括硅片、玻璃、蓝宝石、氮化镓、砷化镓、陶瓷等材料。本发明属于无损检测，与现有检测方法相比优势明显，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1表示偏振激光散射检测装置。
图2表示入射激光的偏振方向与第一主应力方向重合。
图3表示入射激光的偏振方向与第二主应力方向重合。
图中：1、硅片，2、磨纹，3、入射激光，4、入射激光的偏振平面，5、入射激光偏振方向，6、第一主应力方向，7、第二主应力方向，8、激光器，9、检测激光束，10、偏振片，11、偏振分光镜，12、亚表面裂纹散射光线，13、光电探测器，14、计算机，15、基座，16、旋转位移平台，17、运动控制器
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，一种偏振激光散射检测单晶硅片亚表面损伤的方法，包括以下步骤：
A、检测亚表面裂纹
激光器8发射检测激光束9，检测激光束9经过偏振片10变为线偏振的入射激光3，入射激光3经过偏振分光镜11反射，入射到硅片1上。入射激光3在硅片1表面发生表面散射和透射，透射光线被亚表面裂纹散射；表面散射光线的偏振状态几乎与入射光保持一致，而亚表面裂纹散射光线12则为部分偏振光，通过偏振分光镜11将亚表面裂纹散射光线12从散射光线中分离出来，进而由光电探测器13将检测的光信号转化为电信号，然后将检测信号传送给计算机14；控制调整旋转位移平台16，使入射激光的偏振平面4与硅片1表面磨纹2方向垂直或者平行，即入射激光偏振方向5与硅片1表面上第一主应力方向6或第二主应力方向7平行，此时入射激光的偏振方向与第一主应力方向6或第二主应力方向7之间的夹角为零，则残余应力对偏振激光检测的影响也为零，从而消除了残余应力对检测信号的影响，准确获得硅片1亚表面裂纹的信息。
B、检测表面残余应力的分布
先按照步骤A获得分离残余应力的亚表面损伤的检测信号S1，改变入射激光偏振方向5与磨纹2之间的夹角，使其不等于0°或90°，获得激光散射检测信号S2，S1减去S2表示残余应力的检测信号；控制调整旋转位移平台(16)变换位置，获得不同位置处残余应力的检测信号，从而得到磨削表面残余应力的分布。
如图1-3所示，本发明采用的检测装置包括基座15、激光器8、偏振片10、偏振分光镜11和信号采集系统；所述的信号采集系统包括光电探测器13、计算机14、运动控制器17和旋转位移平台16。
本发明提出的偏振激光散射检测硅片1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8发射检测激光束9，检测激光束9经过偏振片10变为线偏振的入射激光3，入射激光3经过偏振分光镜11反射，入射到硅片1上。入射激光3在硅片1表面发生表面散射和透射，透射光线被亚表面裂纹散射。表面散射光线的偏振状态几乎与入射激光3保持一致，亚表面散裂纹射光线12则为部分偏振，通过偏振分光镜11即可将亚表面裂纹散射光线12从散射光线中分离出来，进而由光电探测器13将检测的光信号转化为电信号，然后将检测信号传送给计算机14，由此实现对亚表面裂纹的检测。运动控制器17控制旋转位移平台16转动，使入射激光的偏振平面4与硅片1表面磨纹2方向垂直或者平行，即入射激光的偏振方向5与硅片1表面上第一主应力方向6或第二主应力方向7平行，此时入射激光偏振方向5与主应力方向之间的夹角为零，则残余应力对偏振激光检测的影响也为零，从而消除了残余应力对检测信号的影响，可准确获得硅片1亚表面裂纹的信息。
先消除残余应力的影响，获得亚表面损伤的检测信号S1，改变入射激光偏振方向5与磨纹2之间的夹角，使其不等于0°或90°，获得激光散射检测信号S2，S1减去S2表示残余应力的检测信号；控制调整旋转位移平台(16)变换位置，获得不同位置处残余应力的检测信号，从而得到磨削表面残余应力的分布。
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)
1.一种偏振激光散射检测单晶硅片亚表面损伤的方法，其特征在于：包括以下步骤：
A、检测亚表面裂纹
激光器(8)发射检测激光束(9)，检测激光束(9)经过偏振片(10)变为线偏振的入射激光(3)，入射激光(3)经过偏振分光镜(11)反射，入射到硅片(1)上；入射激光(3)在硅片(1)表面发生表面散射和透射，透射光线被亚表面裂纹散射；表面散射光线的偏振状态几乎与入射光保持一致，而亚表面裂纹散射光线(12)则为部分偏振光，通过偏振分光镜(11)将亚表面裂纹散射光线(12)从散射光线中分离出来，进而由光电探测器(13)将检测的光信号转化为电信号，然后将检测信号传送给计算机(14)；控制调整旋转位移平台(16)，使入射激光的偏振平面(4)与硅片(1)表面磨纹(2)方向垂直或者平行，即入射激光偏振方向(5)与硅片(1)表面上第一主应力方向(6)或第二主应力方向(7)平行，此时入射激光偏振方向(5)与第一主应力方向(6)或第二主应力方向(7)之间的夹角为零，则残余应力对偏振激光检测的影响也为零，从而消除了残余应力对检测信号的影响，准确获得硅片(1)亚表面裂纹的信息；
B、检测表面残余应力的分布
先按照步骤A获得分离残余应力的亚表面损伤的检测信号S1，改变入射激光偏振方向(5)与磨纹(2)之间的夹角，使其不等于0°或90°，获得激光散射检测信号S2，S1减去S2表示残余应力的检测信号；控制调整旋转位移平台(16)变换位置，获得不同位置处残余应力的检测信号，从而得到磨削表面残余应力的分布。
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| GR01 | Patent grant | ||
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