CN117969475A - 一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法 - Google Patents
一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN117969475A CN117969475A CN202410088200.0A CN202410088200A CN117969475A CN 117969475 A CN117969475 A CN 117969475A CN 202410088200 A CN202410088200 A CN 202410088200A CN 117969475 A CN117969475 A CN 117969475A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- optical fiber
- crystal
- detected
- coupling head
- nano
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 239000013078 crystal Substances 0.000 title claims abstract description 73
- 230000007547 defect Effects 0.000 title claims abstract description 60
- 238000001514 detection method Methods 0.000 title claims abstract description 49
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 16
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 claims abstract description 103
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000008569 process Effects 0.000 claims abstract description 4
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 48
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 48
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 48
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 claims description 10
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 claims description 7
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 238000002844 melting Methods 0.000 claims description 6
- 230000008018 melting Effects 0.000 claims description 6
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 claims description 4
- 238000002189 fluorescence spectrum Methods 0.000 claims description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 3
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 3
- 238000002834 transmittance Methods 0.000 claims description 3
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 2
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 2
- 238000007689 inspection Methods 0.000 claims 5
- 238000009659 non-destructive testing Methods 0.000 claims 2
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 abstract description 5
- 230000005284 excitation Effects 0.000 abstract description 2
- IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N Atomic nitrogen Chemical compound N#N IJGRMHOSHXDMSA-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 7
- 239000002121 nanofiber Substances 0.000 description 7
- 229910052757 nitrogen Inorganic materials 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 3
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 3
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 2
- 239000000835 fiber Substances 0.000 description 2
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 2
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000002411 adverse Effects 0.000 description 1
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000012512 characterization method Methods 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000007789 gas Substances 0.000 description 1
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 1
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 1
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000005424 photoluminescence Methods 0.000 description 1
- 238000000103 photoluminescence spectrum Methods 0.000 description 1
- 230000001105 regulatory effect Effects 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Investigating, Analyzing Materials By Fluorescence Or Luminescence (AREA)
Abstract
本发明提供的一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法，属于原子缺陷探测技术领域，其装置包括有激光器、透镜、待测晶体及纳米光纤等；本发明提供的探测装置结构简单，只需调整激光器发出的激发光源及对应的干涉滤波片，即可拓展至各类原子缺陷的快速探测；其利用的纳米光纤成本低廉，且可以轻易突破衍射极限，模式损耗低且易于集成；同时其光纤直径处于亚波长量级，对光传输模式在横向有很强的束缚，也能提供更高的收集效率和分辨率。另外本发明提供的探测装置及方法在晶体原子缺陷探测过程中不会对待测晶体样品产生物理损伤。综上，本发明有效的解决了现有晶体原子缺陷探测方法无法快速检测、局限性高、收集效率低且分辨率不足的问题。
Description
技术领域
本发明属于原子缺陷探测技术领域，尤其涉及一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法。
背景技术
由于半导体芯片被广泛用于大部分技术领域之中，使其已成为关乎经济发展、信息安全的命脉所在。但半导体芯片中重要组成部分晶体的生产制作会不可避免地产生各类原子缺陷，且原子缺陷会对半导体芯片成品的使用产生严重且不可预期的不利影响，这就导致原子缺陷的精确探测显得尤为重要。
上述原子缺陷探测的目标是检测出晶体上原子缺陷的类型，并获得缺陷的位置坐标。目前对于晶体原子缺陷探测，最常见的探测方法是显微镜直接观察法，但该种方法受衍射极限限制和吞吐量极小导致不利于快速检测，且无法对晶体中深层的缺陷进行表征；另外还有通过光致发光法来进行原子缺陷的探测，该方法是借助于共聚焦扫描显微镜系统实现缺陷表征，但共聚焦扫描显微镜系统的收集效率较低，同时受到衍射极限的影响，其分辨率也存在一定限制。
因而，亟需一种能够实现无损、收集效率高且分辨高的缺陷探测装置及方法。
发明内容
为解决现有技术的缺点和不足，提供一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法，从而可解决现有晶体原子缺陷探测方法无法快速检测、局限性高、收集效率低且分辨率不足的问题。
为实现本发明目的而提供的一种晶体原子缺陷的无损探测装置，包括有激光器和透镜，所述激光器设置在透镜的前方且与透镜布置于同一光路上，所述透镜的后方设置有待测晶体，以通过透镜将激光器发出的高斯光束聚焦于待测晶体进行荧光耦合，所述待测晶体通过纳米光纤分别与第一光纤耦合头和第三光纤耦合头连通，从而将待测晶体中原子缺陷发出的荧光进行分离，所述第一光纤耦合头的后方自左向右依次布置有干涉滤波片和第二光纤耦合头，所述第二光纤耦合头通过单模光纤与单光子探测器的输入端连接，从而探测原子缺陷的荧光信号，所述第三光纤耦合头的后方自左向右依次布置有干涉滤波片和第四光纤耦合头，所述第四光纤耦合头通过单模光纤与光谱分析仪的输入端连接，从而测得荧光光谱的分布。
作为上述方案的进一步改进，所述激光器为半导体激光器。
作为上述方案的进一步改进，所述透镜的焦距为8mm，使用透镜聚焦于待测晶体表面的光斑直径为60μm。
作为上述方案的进一步改进，所述待测晶体安装在三维平移台上，从而实现待测晶体在X、Y、Z三轴方向上的移动。
作为上述方案的进一步改进，所述纳米光纤由普通单模光纤熔融拉伸制作的锥形纳米光纤，其腰部的圆柱形波导直径小于探测波长。
作为上述方案的进一步改进，所述纳米光纤粘贴在连接架的顶部，用以对纳米光纤的位置进行限定，所述连接架的底部与一维平移台的顶部固定，用以带动纳米光纤进行平移，所述一维平移台的底部与两自由度倾斜平台的顶部固定，用以带动纳米光纤进行旋转。
作为上述方案的进一步改进，所述干涉滤波片为硬膜长波通滤光片，通光波长范围600nm-800nm，透过率T>98.9％。
作为上述方案的进一步改进，所述单光子探测器为硅基单光子计数模块，探测波长范围为400nm-1060nm。
一种晶体原子缺陷的无损探测方法，包括有如下步骤：
S1.利用高温火焰将二氧化硅材质的单模裸光纤熔融拉伸成圆柱形波导直径小于探测波长的纳米光纤；
S2.开启激光器，使输出的高斯光束经透镜聚焦于待测晶体表面，寻址原子缺陷进行激发；
S3.调节两自由度倾斜平台的俯仰和偏转旋钮，使得纳米光纤平行置于待测晶体被激发位置的正上方且距待测晶体表面1μm处；利用三维平移台调节待测晶体的Z轴方向位置，减小纳米光纤与待测晶体的间距使原子缺陷发出的荧光最大效率耦合进入纳米光纤中；
S4.耦合进入纳米光纤的荧光经第一光纤耦合头、干涉滤波片和第二光纤耦合头滤除杂散光后准直传输耦合经单模光纤传输至单光子探测器内进行探测；同时耦合进入纳米光纤的荧光经第三光纤耦合头、干涉滤波片和第四光纤耦合头滤除杂散光后准直传输耦合经单模光纤传输至光谱分析仪内进行分析，观察纳米光纤与待测晶体间距减小过程的荧光计数变化趋势，确定荧光计数最大的间距并固定；
S5.利用光谱分析仪分析荧光光谱分布，从而确认出原子缺陷类型。
本发明的有益效果是：
与现有技术相比，本发明提供的一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法，具有以下优点：
1.本发明提供的探测装置结构简单，只需激光器发出适宜波长的激发光源并调整对应通光波长的干涉滤波片，即可拓展至各类原子缺陷的快速探测；
2.本发明利用的纳米光纤是基于普通单模光纤制成，成本低廉，且可以轻易突破衍射极限，模式损耗低且易于集成；同时由于纳米光纤的光纤直径处于亚波长量级，对光传输模式在横向有很强的束缚，也能提供更高的收集效率和分辨率；
3.本发明提供的探测装置及方法在晶体原子缺陷探测过程中不会对待测晶体样品产生物理损伤。
综上所述，本发明提供的晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法有效的解决了现有晶体原子缺陷探测方法无法快速检测、局限性高、收集效率低且分辨率不足的问题。
附图说明
图1是本发明提供的装置结构示意图；
图2是本发明提供的装置中纳米光纤、连接架、一维平移台及两自由度倾斜平台的连接关系图；
图3是本发明提供的装置中连接架的示意图；
图4是利用纳米光纤收集的原子缺陷的荧光在单光子探测器中的计数与环境噪声的对比数据；
图5是光谱分析仪与图2同时测得的室温下原子缺陷光致发光光谱分布。
其中，1-激光器、2-高斯光束、3-透镜、4-待测晶体、5-纳米光纤、6-第一光纤耦合头、7-干涉滤波片、8-第二光纤耦合头、9-单模光纤、10-单光子探测器、11-第三光纤耦合头、12-第四光纤耦合头、13-光谱分析仪、14-连接架、15-一维平移台、16-两自由度倾斜平台。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的详细说明：
实施例一
根据图1所示，本发明提供了一种晶体原子缺陷的无损探测装置，其包括有激光器1和透镜3，激光器1设置在透镜3的前方且与透镜3布置于同一光路上，透镜3的后方设置有待测晶体4，以通过透镜3将激光器1发出的高斯光束2聚焦于待测晶体4进行荧光耦合，待测晶体4通过纳米光纤5分别与第一光纤耦合头6和第三光纤耦合头11连通，从而将待测晶体4中原子缺陷发出的荧光进行分离，第一光纤耦合头6的后方自左向右依次布置有干涉滤波片7和第二光纤耦合头8，第二光纤耦合头8通过单模光纤9与单光子探测器10的输入端连接，从而探测原子缺陷的荧光信号，第三光纤耦合头11的后方自左向右依次布置有干涉滤波片7和第四光纤耦合头12，第四光纤耦合头12通过单模光纤9与光谱分析仪13的输入端连接，从而测得荧光光谱的分布。
其中激光器1为半导体激光器，工作中心波长根据探测原子缺陷类型进行设置；透镜3的焦距为8mm，使用透镜3聚焦于待测晶体4表面的光斑直径为60μm；待测晶体4安装在三维平移台上，从而实现待测晶体4在X、Y、Z三轴方向上的移动；纳米光纤5由普通单模光纤熔融拉伸制作的锥形纳米光纤，其腰部的圆柱形波导直径小于探测波长。如图2-图3所示，所述纳米光纤5粘贴在连接架14的顶部，用以对纳米光纤5的位置进行限定，所述连接架14的底部与一维平移台15的顶部固定，用以带动纳米光纤5进行平移，所述一维平移台15的底部与两自由度倾斜平台16的顶部固定，用以带动纳米光纤5进行旋转。干涉滤波片7为硬膜长波通滤光片，通光波长范围600nm-800nm，透过率T>98.9％，适用于氮空位色心荧光光谱范围，具体通光波长范围可根据探测原子缺陷类型进行调整；单光子探测器10为硅基单光子计数模块，探测波长范围为400nm-1060nm。
实施例二
本发明提供了一种晶体原子缺陷的无损探测方法，包括有如下步骤：
S1.利用氢、氧混合气体产生的高温火焰将二氧化硅材质的单模裸光纤熔融拉伸成圆柱形波导直径为300nm的纳米光纤5；
S2.开启激光器1，将工作中心波长调整为532nm，使输出的高斯光束2经透镜3聚焦于待测晶体4表面，寻址原子缺陷进行激发；
S3.调节一维平移台15及两自由度倾斜平台16的俯仰和偏转角度，使得纳米光纤5平行置于待测晶体4被激发位置的正上方且距待测晶体4表面1μm处；利用三维平移台调节待测晶体4的Z轴方向位置，减小纳米光纤5与待测晶体4的间距使原子缺陷发出的荧光最大效率耦合进入纳米光纤5中；
S4.耦合进入纳米光纤5的荧光经第一光纤耦合头6、干涉滤波片7和第二光纤耦合头8滤除杂散光后准直传输耦合经单模光纤9传输至单光子探测器10内进行探测；同时耦合进入纳米光纤5的荧光经第三光纤耦合头11、干涉滤波片7和第四光纤耦合头12滤除杂散光后准直传输耦合经单模光纤9传输至光谱分析仪13内进行分析；将待测晶体4和纳米光纤5的间距调整至60nm时，单光子探测器10探测到的荧光计数最大，固定此间距，图4展示了单光子探测器10探测到的荧光计数与环境噪声计数对比，其中环境噪声计数为0.82±0.16KCounts/s，氮空位色心荧光计数为3.29±0.04MCounts/s。
S5.然后利用光谱分析仪13分析S4中探测到的荧光计数的光谱分布，如图5所示，光谱分布在600nm-800nm波段范围内，且其中637nm处氮空位色心的零声子线清晰可见，根据光谱分布确认测得的荧光来自室温下的氮空位色心。
以上实施例不局限于该实施例自身的技术方案，实施例之间可以相互结合成新的实施例。以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而并非对其进行限制，凡未脱离本发明精神和范围的任何修改或者等同替换，其均应涵盖在本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种晶体原子缺陷的无损探测装置，其特征在于：包括有激光器(1)和透镜(3)，所述激光器(1)设置在透镜(3)的前方且与透镜(3)布置于同一光路上，所述透镜(3)的后方设置有待测晶体(4)，以通过透镜(3)将激光器(1)发出的高斯光束(2)聚焦于待测晶体(4)进行荧光耦合，所述待测晶体(4)通过纳米光纤(5)分别与第一光纤耦合头(6)和第三光纤耦合头(11)连通，从而将待测晶体(4)中原子缺陷发出的荧光进行分离，所述第一光纤耦合头(6)的后方自左向右依次布置有干涉滤波片(7)和第二光纤耦合头(8)，所述第二光纤耦合头(8)通过单模光纤(9)与单光子探测器(10)的输入端连接，从而探测原子缺陷的荧光信号，所述第三光纤耦合头(11)的后方自左向右依次布置有干涉滤波片(7)和第四光纤耦合头(12)，所述第四光纤耦合头(12)通过单模光纤(9)与光谱分析仪(13)的输入端连接，从而测得荧光光谱的分布。
2.根据权利要求1所述的一种晶体原子缺陷的无损探测装置，其特征在于：所述激光器(1)为半导体激光器。
3.根据权利要求1所述的一种晶体原子缺陷的无损探测装置，其特征在于：所述透镜(3)的焦距为8mm，使用透镜(3)聚焦于待测晶体(4)表面的光斑直径为60μm。
4.根据权利要求1所述的一种晶体原子缺陷的无损探测装置，其特征在于：所述待测晶体(4)安装在三维平移台上，从而实现待测晶体(4)在X、Y、Z三轴方向上的移动。
5.根据权利要求1所述的一种晶体原子缺陷的无损探测装置，其特征在于：所述纳米光纤(5)由普通单模光纤熔融拉伸制作的锥形纳米光纤，其腰部的圆柱形波导直径小于探测波长。
6.根据权利要求1所述的一种晶体原子缺陷的无损探测装置，其特征在于：所述纳米光纤(5)粘贴在连接架(14)的顶部，用以对纳米光纤(5)的位置进行限定，所述连接架(14)的底部与一维平移台(15)的顶部固定，用以带动纳米光纤(5)进行平移，所述一维平移台(15)的底部与两自由度倾斜平台(16)的顶部固定，用以带动纳米光纤(5)进行旋转。
7.根据权利要求1所述的一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法，其特征在于：所述干涉滤波片(7)为硬膜长波通滤光片，通光波长范围600nm-800nm，透过率T>98.9％。
8.根据权利要求1所述的一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法，其特征在于：所述单光子探测器(10)为硅基单光子计数模块，探测波长范围为400nm-1060nm。
9.一种晶体原子缺陷的无损探测方法，其特征在于：包括有如下步骤：
S1.利用高温火焰将二氧化硅材质的单模裸光纤熔融拉伸成圆柱形波导直径小于探测波长的纳米光纤(5)；
S2.开启激光器(1)，使输出的高斯光束(2)经透镜(3)聚焦于待测晶体(4)表面，寻址原子缺陷进行激发；
S3.调节两自由度倾斜平台的俯仰和偏转旋钮，使得纳米光纤(5)平行置于待测晶体(4)被激发位置的正上方且距待测晶体(4)表面1μm处；利用三维平移台调节待测晶体(4)的Z轴方向位置，减小纳米光纤(5)与待测晶体(4)的间距使原子缺陷发出的荧光最大效率耦合进入纳米光纤(5)中；
S4.耦合进入纳米光纤(5)的荧光经第一光纤耦合头(6)、干涉滤波片(7)和第二光纤耦合头(8)滤除杂散光后准直传输耦合经单模光纤(9)传输至单光子探测器(10)内进行探测；同时耦合进入纳米光纤(5)的荧光经第三光纤耦合头(11)、干涉滤波片(7)和第四光纤耦合头(12)滤除杂散光后准直传输耦合经单模光纤(9)传输至光谱分析仪(13)内进行分析，观察纳米光纤(5)与待测晶体(4)间距减小过程的荧光计数变化趋势，确定荧光计数最大的间距并固定；
S5.利用光谱分析仪(13)分析荧光光谱分布，从而确认出原子缺陷类型。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410088200.0A CN117969475A (zh) | 2024-01-22 | 2024-01-22 | 一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202410088200.0A CN117969475A (zh) | 2024-01-22 | 2024-01-22 | 一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN117969475A true CN117969475A (zh) | 2024-05-03 |
Family
ID=90855902
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202410088200.0A Pending CN117969475A (zh) | 2024-01-22 | 2024-01-22 | 一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117969475A (zh) |
-
2024
- 2024-01-22 CN CN202410088200.0A patent/CN117969475A/zh active Pending
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Lakowicz et al. | Instrumentation for fluorescence spectroscopy | |
| CN111443073B (zh) | 一种micro LED芯片的显微拉曼结合光致发光检测装置及其方法 | |
| US7268878B2 (en) | Fluorescence correlation spectroscopy instrument and method of using the same | |
| US9239231B2 (en) | Systems for and methods of characterizing the thickness profile of laminated glass structures | |
| US8803106B2 (en) | Optical analysis device, optical analysis method and computer program for optical analysis for observing polarization characteristics of a single light-emitting particle | |
| CN209280585U (zh) | 一种缺陷检测设备 | |
| CN102680447A (zh) | 光学材料的缺陷和光致损伤的检测装置 | |
| US11150458B2 (en) | Multi-mode imaging optical system | |
| CN112414992A (zh) | 拉曼光谱激发增强模块 | |
| CN111458312A (zh) | 一种软脆光学晶体加工表层微区荧光性缺陷检测光学系统 | |
| WO2023029471A1 (zh) | 一种多模态非线性显微成像系统 | |
| JP4481827B2 (ja) | 超並列多焦点配列におけるマルチパラメータ蛍光分析及びその使用 | |
| CN112525884B (zh) | 一种超微量拉曼光谱检测装置 | |
| CN113916891A (zh) | 基于光纤环形光束的暗场共焦布里渊显微测量装置与方法 | |
| CN117969475A (zh) | 一种晶体原子缺陷的无损探测装置及其方法 | |
| CN105737986B (zh) | 多功能显微共焦光谱仪 | |
| US20230044124A1 (en) | Device and method for detecting subsurface defect of optical component | |
| CN104390951B (zh) | 一种高灵敏度全光纤反斯托克斯拉曼探测系统 | |
| JP2004361087A (ja) | 生体分子解析装置 | |
| CN102902056A (zh) | 基于量子统计的高精度光学成像装置与方法 | |
| CN110567934A (zh) | 一种基于微结构光纤的拉曼测试辅助调节耦合的实时成像系统及测试方法 | |
| CN205426795U (zh) | 一种自带光源的新型拉曼探头 | |
| CN1156686C (zh) | 梯度场荧光关联谱仪 | |
| CN115980083A (zh) | 基于线阵布里渊显微的晶圆和芯片缺陷检测系统及方法 | |
| EP1936359A2 (en) | System and Method for Removing Auto-Fluorescence Through The Use Of Multiple Detection Channels |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |