CN113340810A - 基于光弹调制技术的半导体材料应力测量系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及电子设备控制技术领域，尤其涉及一种基于光弹调制技术的半导体材料应力测量系统，包括依次排列的激光光源、至少一片反射镜、通孔、起偏器、光弹调制器、第一波片、被测样品、第二波片、检偏器、红外探测器；激光光源发射的激光光束经过至少一片反射镜导入到测量光路，起偏器将激光光束转换成线偏振光，激光光束经过光弹调制器再转换成从线偏振光到圆偏振光连续来回切换的调制偏振光，调制偏振光经过被测样品形成的双折射信号，红外探测器将双折射信号转换为电信号，通过测量电路传输到计算机中处理。本发明的有益效果：该系统不仅克服了其它基于光弹调制方法对被测样品应力大小的要求，而且系统中的被测样品无需转动。
Description
技术领域
本发明涉及电子设备控制技术领域，尤其涉及基于光弹调制技术的半导体材料应力测量系统及方法。
背景技术
传统的用双折射技术来测量半导体材料的应力一般是基于红外光弹技术，采用平面或圆偏振光系统来测量材料的双折射大小从而测量材料中的应力状态，其中图1所示为平面偏振光测量系统，包括光源L、起偏器P、被测样品M以及检偏器A；图2所示为圆偏振光测量系统，包括光源L、起偏器P、四分之一波片Q1、被测样品M、四分之一波片Q2以及检偏器A。采用平面或圆偏振光系统来实现全场成像技术的好处是直观，但缺点是灵敏度低，因为这种技术测量双折射大小是通过确认图像中的相位条纹的数量，因而可以测量的最小相位值是180度(或π)。
现有技术中还存在另外一种双折射测量技术是采用光弹调制器件，通过锁相放大器来测量调制后的由于应力产生的双折射相位信号的大小，从而得到相应的应力状态。而现有技术中采用光弹调制器件和锁相放大器技术来测量双折射技术也受限于一些条件，比如有的技术需要旋转被测样品来得到双折射的大小和方向；还有的技术虽然不用旋转被测样品得到双折射的大小和方向，但要求被测样品的双折射产生的相位必须足够小角度近似的要求，因此都不能满足实际测量的需求。
发明内容
针对现有技术中存在的上述问题，现提供基于光弹调制技术的半导体材料应力测量系统及方法。
具体技术方案如下：
本发明包括一种基于光弹调制技术的半导体材料应力测量系统，包括一测量光路，所述测量光路包括依次排列的激光光源、至少一片反射镜、通孔、起偏器、光弹调制器、第一波片、被测样品、第二波片、检偏器、红外探测器；
所述激光光源发射的激光光束经过所述至少一片反射镜导入到所述测量光路，所述起偏器将所述激光光束转换成线偏振光，所述激光光束经过所述光弹调制器再转换成从所述线偏振光到圆偏振光连续来回切换的调制偏振光，所述调制偏振光经过所述被测样品形成的双折射信号，所述红外探测器将所述双折射信号转换为电信号传输到一测量电路中，并通过所述测量电路传输到计算机中处理。
优选的，所述测量电路包括：
光弹调制器控制装置，连接所述光弹调制器，用于控制所述光弹调制器的调制幅度和调制频率；
信号放大器，所述信号放大器的输入端连接所述红外探测器的输出端，用于对所述电信号进行放大处理；
锁相放大器，所述锁相放大器的第一输入端连接所述信号放大器的输出端，所述锁相放大器的第二输入端连接所述光弹调制器控制装置的输出端，所述锁相放大器的输出端与所述计算机双向通信连接。
优选的，所述激光光源为He-Ne激光器，所述激光光束的波长为1152nm。
优选的，所述光弹调整器的调制频率为42KHz。
优选的，所述光弹调制器的光轴方向与所述起偏器的光轴方向相差45度。
优选的，所述光弹调制器的光轴方向为0°；
所述起偏器的光轴方向为45°；
所述检偏器的光轴方向为-45°。
优选的，所述第一波片和所述第二波片均为四分之一波片，所述第一波片的快轴方向为-45°，所述第二波片的快轴方向为0°。
优选的，所述双折射信号包括交流信号和直流信号。
本发明还包括一种基于光弹调制技术的半导体材料应力测量方法，包括：
启动所述激光光源，使得所述激光光源发射出的激光光束依次经过所述至少一片反射镜、所述通孔、所述起偏器、所述光弹调制器、所述第一波片、所述被测样品、所述第二波片、所述检偏器、所述红外探测器；
所述激光光束经过所述光弹调制器后形成一调制偏振光；
所述红外探测器采集所述调制偏振光经过所述被测样品形成的双折射信号，并将所述双折射信号转换为电信号，通过所述测量电路传输到计算机中；
所述计算机通过计算处理得到所述被测样品的大小和方向。
优选的，所述光弹调整器的调制频率为42KHz。
本发明的技术方案具有如下优点或有益效果：提供一种基于光弹调制技术的半导体材料应力测量系统及测量方法，该测量系统的测量精度优于传统的光弹成像技术，能够满足半导体硅材料应力的测量；不仅克服了其它基于光弹调制方法对被测样品应力大小的要求，而且系统中的被测样品无需转动，解决了转动带来的系统稳定性的影响；同时，本发明的测量系统仅需单个光弹调制器实现测量，提高了测试效率；另外该系统的设计在恒温恒湿的环境当中，进一步提升系统的灵敏度和稳定性。
附图说明
参考所附附图，以更加充分地描述本发明的实施例。然而，所附附图仅用于说明和阐述，并不构成对本发明范围的限制。
图1为现有技术中的平面偏振光测量系统的结构示意图；
图2为现有技术中的圆偏振光测量系统的结构示意图；
图3为本发明实施例中基于光弹调制技术的半导体材料应力测量系统的测量光路结构图；
图4为本发明实施例中测量系统的各个光学器件的光轴角度示意图；
图5为本发明实施例中基于光弹调制技术的半导体材料应力测量系统的整体结构图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。
本发明包括一种基于光弹调制技术的半导体材料应力测量系统，如图5所示，包括一测量光路，测量光路包括依次排列的激光光源1、至少一片反射镜2、通孔3、起偏器4、光弹调制器5(photoelastic modulators，简称PEM)、第一波片6、被测样品7、第二波片8、检偏器9、红外探测器10；
激光光源1发射的激光光束经过至少一片反射镜2导入到测量光路，起偏器4将激光光束转换成线偏振光，激光光束经过光弹调制器5再转换成从线偏振光到圆偏振光连续来回切换的调制偏振光，调制偏振光经过被测样品7形成的双折射信号，红外探测器10将双折射信号转换为电信号传输到一测量电路中，并通过测量电路传输到计PC14中处理。
具体地，本实施例中激光光源1优选采用He-Ne激光器，选用波长大于1152nm的红外光，也可以基于被测样品7的透射谱选用不同波长的激光，并不仅限于本实施例中波长大于1152nm的红外光。反射镜2可以基于具体光学系统的设计，选着一片或多片反射镜，反射镜的作用是将激光光源1产生的激光光束导入到被测样品7所在的光路中，使得被测样品在测量时无需转动。通孔3的孔径尺寸可以选用数十微米到几毫米的大小，取决于所需测量信号在被测样品上空间分辨率的大小要求。对于某些特定测量情况下，也可以是用光纤激光器或大NA(数值孔径)的透镜来提高空间分辨率。起偏器4用于将入射的激光光束转换成线偏振光，其偏振角度是固定的。光弹调制器5的光轴方向和起偏器4的光轴方向相差45度，调制频率一般是几十KHz，光弹调整器的作用是将入射的激光光束转换成从线偏振光到圆偏振光连续来回切换的调制偏振光。调制后的光透射经过第一波片6、被测样品7，由于被测样品的应力导致双折射效应中寻常光和非寻常光产生的相位差，检偏器9位于第二波片8后，检偏器是由偏振片组成的，检偏器就是用来检验经过测量光路的激光光束是否为偏振光。红外探测器10用于将入射的红外激光光束转转换成电信号输出到测量电路中，基于光源波长不同，可以选用相对应波长的探测器。
通过上述技术方案，本发明的测量系统仅需单个光弹调制器实现测量，提高了测试效率；该测量系统的测量精度优于传统的光弹成像技术，能够满足半导体硅材料应力的测量；不仅克服了其它基于光弹调制方法对被测样品应力大小的要求，而且系统中的被测样品无需转动，解决了转动带来的系统稳定性的影响。
作为优选的实施方式，如图5所示，测量电路包括：
光弹调制器控制装置12，连接光弹调制器5，用于控制光弹调制器5的调制幅度和调制频率；
信号放大器11，信号放大器11的输入端连接红外探测器10的输出端，用于对电信号进行放大处理；
锁相放大器13，锁相放大器13的第一输入端连接信号放大器11的输出端，锁相放大器13的第二输入端连接光弹调制器控制装置12的输出端，锁相放大器13的输出端与计算机14双向通信连接。
具体地，信号放大器11用于将红外探测器10采集到的双折射信号进行放大处理。PEM控制器12不仅用于控制PEM的调制幅度和频率，而且其调制频率信号(本实施例中优选为42KHz)传输到锁相放大器13中作为锁相参考信号。锁相放大器13基于PEM控制器12的参考信号的频率，对经过信号放大器11放大后的被测信号进行锁相放大，得到包含双折射信息的直流信号(DC信号)和交流信号(AC信号)，DC/AC信号通过RS232通信端口传输到计算机14中进行数据处理，最终得到被测样品的双折射信号的大小和方向。
作为优选的实施方式，激光光源1为He-Ne激光器，激光光束的波长为1152nm。光弹调整器5的调制频率为42KHz。光弹调制器5的光轴方向与起偏器的光轴方向相差45度，本实施例中光弹调制器5的光轴方向为0°，起偏器4的光轴方向为45°，检偏器9的光轴方向为-45°。
作为优选的实施方式，第一波片6和第二波片8均为四分之一波片，第一波片6的快轴方向为-45°，第二波片8的快轴方向为0°。
本发明的实施例中，采用通用的Mueller矩阵来分析本测量系统的光学传输函数，具体如下：
对于一个包含相位差大小为δ，快轴角度是ρ的被测样品，其对应的Mueller矩阵为：
其中，
δ用于表示被测样品的相位差大小；
ρ用于表示被测样品的快轴角度。
具体地，光弹调制器5的相位延迟的角度为0°,其对应的Mueller矩阵为：
其中，Δ＝Δ0sinωt；
Δ0用于表示光弹调制器5的调制幅度大小,；
ω＝2πf,f用于表示光弹调制器5的调制频率(本实施例中优选为42kHz).
具体地，第一波片6的快轴方向为-45°，对应的Mueller矩阵为：
第二波片8的快轴方向为0°，对应的Mueller矩阵为：
具体地，起偏器4的快轴方向为45°，对应的Mueller矩阵为：
检偏器9的快轴方向为-45°，对应的Mueller矩阵为：
进一步地，在Mueller矩阵计算中，激光光束可以用如下Stokes矢量来表示：
其中，
I用于表示激光光束的总光强；
Q用于表示水平和竖直方向的偏振光的光强差，Q＝I0-I90，I0用于表示水平方向的偏振光的光强，I90用于表示竖直方向的偏振光的光强；
U用于表示正负45°方向的偏振光的光强差，U＝I+45-I-45，I+45用于表示正45°方向的偏振光的光强，I-45用于表示负45°方向的偏振光的光强；
V用于表示左旋偏振光和右旋偏振光的光强差，V＝Ircp-Ilcp，Ircp用于表示右旋偏振光，Ilcp用于表示左旋偏振光。
进一步地，通过Stokes矢量和图5所示测量系统中各个光学器件和被测样品的Mueller矩阵表达式，可以计算得到进入到红外探测器10的光强大小ID，用如下公式表示：
其中，
sinΔ＝sin(Δ0sinωt)＝2J1(Δ0)sinωt+2J3(Δ0)sin(3ωt)+…
cosΔ＝cos(Δ0sinωt)＝J0(Δ0)+2J2(Δ0)cos(2ωt)+2J4(Δ0)cos(4ωt)+…
上述公式中Jn是n阶贝塞尔函数，如果只考虑二阶贝塞尔函数,可以得到：
由以上公式可知，探测到的双折射信号包含了一个直流信号，还有1倍频、2倍频以及更高倍频的等交流信号。其中，只有1倍频和2倍频的交流信号可以用来确定被测样品的双折射的大小和方向。通过锁相放大器13，可以得到直流，1倍频及2倍频的交流信号如下：
进一步地，通过PEM控制器12控制光弹调制器5的调制幅度的大小Δ0等于2.4048，使得J0(Δ0)＝0,测量的直流信号就和被测样品7的双折射大小和方向无关。同时为了消除光源强度波动以及光路各种器件导致的材料吸收反射光和散射光的影响，使用交流信号和直流信号的比例得到如下关系式：
最后被测样品的双折射大小和方向可以得到如下：
其中，
δ用于表示被测样品的相位差大小；
ρ用于表示被测样品的快轴角度。
通过上述技术方案可见，本发明实施例提供了一种方便、简单、检测精度高的测量小信号双折射大小和方向的方法，可以进一步在系统中采用大数值孔径的显微镜，从而进一步提高被测样品的空间分辨率缩小到1微米甚至更小，从而为测量半导体材料中的应力提供了另外一种无损测量方法。
需要说明的是，上述实施案例是一种较优的实施案例，本发明并不限于上述实施例，比如通过采用不同的偏振态的光路，采用不同波长的光源，不同调制频率和调幅大小的PEM，以及在光路设计当中添加光束整形，光束聚焦和收集光器件，或者增加监控光源强度变化等各种功能的变化均应包含在本发明的保护范围之内。
本发明还提供一种基于光弹调制技术的半导体材料应力测量方法，如图5所示，包括：
启动激光光源1，使得激光光源1发射出的激光光束依次经过至少一片反射镜2、通孔3、起偏器4、光弹调制器5、第一波片6、被测样品7、第二波片8、检偏器9、红外探测器10；
激光光束经过光弹调制器5后形成一调制偏振光；
红外探测器10采集调制偏振光经过被测样品7形成的双折射信号，并将双折射信号转换为电信号，通过测量电路传输到计算机14中；
计算机14通过计算处理得到被测样品的大小和方向。
具体地，本实施例中激光光源1优选采用He-Ne激光器，选用波长大于1152nm的红外光，也可以基于被测样品7的透射谱选用不同波长的激光，并不仅限于本实施例中波长大于1152nm的红外光。反射镜2可以基于具体光学系统的设计，选着一片或多片反射镜，反射镜的作用是将激光光源1产生的激光光束导入到被测样品7所在的光路中，使得被测样品在测量时无需转动。通孔3的孔径尺寸可以选用数十微米到几毫米的大小，取决于所需测量信号在被测样品上空间分辨率的大小要求。对于某些特定测量情况下，也可以是用光纤激光器或大NA(数值孔径)的透镜来提高空间分辨率。起偏器4用于将入射的激光光束转换成线偏振光，其偏振角度是固定的。光弹调制器5的光轴方向和起偏器4的光轴方向相差45度，调制频率一般是几十KHz，光弹调整器的作用是将入射的激光光束转换成从线偏振光到圆偏振光连续来回切换的调制偏振光。调制后的光透射经过第一波片6、被测样品7，由于被测样品的应力导致双折射效应中寻常光和非寻常光产生的相位差，检偏器9位于第二波片8后，检偏器是由偏振片组成的，检偏器就是用来检验经过测量光路的激光光束是否为偏振光。红外探测器10用于将入射的红外激光光束转转换成电信号输出到测量电路中，基于光源波长不同，可以选用相对应波长的探测器。
进一步地，测量电路中的信号放大器11用于将红外探测器10采集到的双折射信号进行放大处理。PEM控制器12不仅用于控制PEM的调制幅度和频率，而且其调制频率信号(本实施例中优选为42KHz)传输到锁相放大器13中作为锁相参考信号。锁相放大器13基于PEM控制器12的参考信号的频率，对经过信号放大器11放大后的被测信号进行锁相放大，得到包含双折射信息的直流信号(DC信号)和交流信号(AC信号)，DC/AC信号通过RS232通信端口传输到计算机14中进行数据处理，最终得到被测样品的双折射信号的大小和方向。
作为优选的实施方式，光弹调制器5的光轴方向与起偏器的光轴方向相差45度，如图4所示，P表示起偏器的光轴方向，Q1表示第一波片的光轴方向，Q2表示第二波片的光轴方向，δ用于表示被测样品的相位差大小，ρ用于表示被测样品的快轴角度。本实施例中光弹调制器5的光轴方向为0°，起偏器4的光轴方向为45°，检偏器9的光轴方向为-45°。第一波片6和第二波片8均为四分之一波片，第一波片6的快轴方向为-45°，第二波片8的快轴方向为0°。
通过上述技术方案，本发明的测量方法仅需单个光弹调制器实现对半导体材料的应力进行测量，提高了测试效率；不仅克服了其它基于光弹调制方法对被测样品应力大小的要求，而且系统中的被测样品无需转动，解决了转动带来的系统稳定性的影响。
本发明实施例的有益效果：本发明的测量方法仅需单个光弹调制器实现对半导体材料的应力进行测量，提高了测试效率；不仅克服了其它基于光弹调制方法对被测样品应力大小的要求，而且系统中的被测样品无需转动，解决了转动带来的系统稳定性的影响。
以上所述仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种基于光弹调制技术的半导体材料应力测量系统，其特征在于，包括一测量光路，所述测量光路包括依次排列的激光光源、至少一片反射镜、通孔、起偏器、光弹调制器、第一波片、被测样品、第二波片、检偏器、红外探测器；
所述激光光源发射的激光光束经过所述至少一片反射镜导入到所述测量光路，所述起偏器将所述激光光束转换成线偏振光，所述激光光束经过所述光弹调制器再转换成从所述线偏振光到圆偏振光连续来回切换的调制偏振光，所述调制偏振光经过所述被测样品形成的双折射信号，所述红外探测器将所述双折射信号转换为电信号传输到一测量电路中，并通过所述测量电路传输到计算机中处理。
2.根据权利要求1所述的半导体材料应力测量系统，其特征在于，所述测量电路包括：
光弹调制器控制装置，连接所述光弹调制器，用于控制所述光弹调制器的调制幅度和调制频率；
信号放大器，所述信号放大器的输入端连接所述红外探测器的输出端，用于对所述电信号进行放大处理；
锁相放大器，所述锁相放大器的第一输入端连接所述信号放大器的输出端，所述锁相放大器的第二输入端连接所述光弹调制器控制装置的输出端，所述锁相放大器的输出端与所述计算机双向通信连接。
3.根据权利要求1所述的半导体材料应力测量系统，其特征在于，所述激光光源为He-Ne激光器，所述激光光束的波长为1152nm。
4.根据权利要求1所述的半导体材料应力测量系统，其特征在于，所述光弹调整器的调制频率为42KHz。
5.根据权利要求1所述的半导体材料应力测量系统，其特征在于，所述光弹调制器的光轴方向与所述起偏器的光轴方向相差45度。
6.根据权利要求1所述的半导体材料应力测量系统，其特征在于，所述光弹调制器的光轴方向为0°；
所述起偏器的光轴方向为45°；
所述检偏器的光轴方向为-45°。
7.根据权利要求1所述的半导体材料应力测量系统，其特征在于，所述第一波片和所述第二波片均为四分之一波片，所述第一波片的快轴方向为-45°，所述第二波片的快轴方向为0°。
8.根据权利要求1所述的半导体材料应力测量系统，其特征在于，所述双折射信号包括交流信号和直流信号。
9.一种基于光弹调制技术的半导体材料应力测量方法，其特征在于，包括：
启动所述激光光源，使得所述激光光源发射出的激光光束依次经过所述至少一片反射镜、所述通孔、所述起偏器、所述光弹调制器、所述第一波片、所述被测样品、所述第二波片、所述检偏器、所述红外探测器；
所述激光光束经过所述光弹调制器后形成一调制偏振光；
所述红外探测器采集所述调制偏振光经过所述被测样品形成的双折射信号，并将所述双折射信号转换为电信号，通过所述测量电路传输到计算机中；
所述计算机通过计算处理得到所述被测样品的大小和方向。
10.根据权利要求9所述的半导体材料应力测量方法，其特征在于，所述光弹调整器的调制频率为42KHz。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN114755111A (zh) * | 2022-06-16 | 2022-07-15 | 中国科学院深海科学与工程研究所 | 一种深海材料超高压力下应力测量试验装置 |
Citations (1)
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|---|---|---|---|---|
| US20070273865A1 (en) * | 2004-01-15 | 2007-11-29 | Yasushi Niitsu | Stress Measuring Method And Instrument |
-
2021
- 2021-05-27 CN CN202110584849.8A patent/CN113340810A/zh active Pending
Patent Citations (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20070273865A1 (en) * | 2004-01-15 | 2007-11-29 | Yasushi Niitsu | Stress Measuring Method And Instrument |
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| CN114755111B (zh) * | 2022-06-16 | 2022-11-25 | 中国科学院深海科学与工程研究所 | 一种深海材料超高压力下应力测量试验装置 |
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