CN202330305U - 一种晶体材料检查装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型实施例公开了一种晶体材料检查装置，用于半导体技术领域，包括：光源模块，用来发射入射光并使用所述入射光对被测晶体材料进行照射；光电探测模块，与所述光源模块封装在一起，用来对被测晶体材料内杂质的后向散射光与入射光相干涉后得到的信号进行探测，并将所述信号转化为电信号；信号提取模块，用来对所述电信号进行提取并转化为数字信号；信号处理模块，用来对所述数字信号进行处理，得到所述被测晶体材料内杂质的微纳米颗粒粒径和/或其分布信息。因此，本实用新型具有结构简单、测量范围宽而准确度高等优点，且价格相对低廉，适合于工程实时监控等应用。

Description

一种晶体材料检查装置

技术领域

本实用新型属于半导体技术领域，涉及半导体器件的设计及加工时的晶片生产加工，具体地说更涉及一种晶体材料检查装置。

背景技术

在半导体设计及加工领域，晶片如蓝宝石的质量，对后续在其上生长的MgB2超导薄膜、第三代半导体材料GaN薄膜以及制备蓝光二极管的性能和成品率有很大影响，因此，作为基础材料的蓝宝石衬底晶片的质量必须首先得到保证，并且现在的芯片要求也越来越高，微型化和高性能的趋势对基础材料的质量要求必然越来越高。

为了满足日益严格的质量要求，则要生产高品质的蓝宝石晶片，其中，除了要改进蓝宝石晶片制备技术外，蓝宝石晶片本身质量的检测技术也是非常重要的一个环节。

对蓝宝石晶片质量的检测包含对晶体材料内杂质的检测，而目前业内一般采用光学成像方法，即根据几何光学成像原理通过光电探测器来探测杂质的形貌及大小，其优点是快捷方便，并对被测样品无损伤，但这种方法测量的分辨率比较低，测量下限不够。

另外，作为研究的实验室多采用原子粒显微镜等分辨率较高的仪器，但这些仪器价格昂贵，且成像范围太小，导致操作麻烦，速度慢，而且受探头的影响太大，并不适合于工程应用。

实用新型内容

本实用新型实施例的目的是为了克服目前晶体材料内杂质检查方法的单一以及测量仪器价格昂贵等不足，而提供一种价格相对低廉、检测准确度高、结构简单、工作可靠、测量范围宽的晶体材料检查装置及方法，从而改善现有晶片检测技术的不足。

为了达到上述实用新型目的，本实用新型实施例提出的一种晶体材料检查装置是通过以下技术方案实现的：

一种晶体材料检查装置，所述装置包括：

光源模块，用来发射入射光并使用所述入射光对被测晶体材料进行照射；

光电探测模块，与所述光源模块封装在一起，用来对被测晶体材料内杂质的后向散射光与入射光相干涉后得到的信号进行探测，并将所述信号转化为电信号；

信号提取模块，用来对所述电信号进行提取并转化为数字信号；

信号处理模块，用来对所述数字信号进行处理，得到所述被测晶体材料内杂质的微纳米颗粒粒径和/或其分布信息。

进一步优选地，所述光源模块包括激光器、激光器驱动电路、空间滤波器、准直透镜、会聚透镜，其中，

所述激光器由激光器驱动电路驱动发出入射光，所述入射光通过空间滤波器和准直透镜后形成一束平行光，所述会聚透镜对所述平行光进行会聚使其照射在被测晶体材料上。

进一步优选地，所述光电探测模块包括光电探测器，用来对被测晶体材料内杂质的后向散射光与入射光相干涉后得到的信号进行探测，并将所述信号转化为电流信号。

进一步优选地，所述光电探测模块还包括跨阻放大器，与所述光电探测器连接，用来对所述电流信号进行放大并转化为电压信号。

进一步优选地，所述光电探测器为光电二极管或微型光电倍增管。

本实用新型实施例通过提供一种新的晶体材料检查装置，采用激光自混频技术，通过测量激光被杂质颗粒群散射的后向散射光与入射光相干涉信号(即自混频信号)，直接给出杂质的粒径大小及分布，克服了原子力显微镜成像范围太小，操作麻烦，速度慢，受探头的影响太大等缺点，具有结构简单、测量范围宽、准确度高的优点，同时测量工作可靠、迅速，且价格相对低廉，适合于工程实时监控等应用。

附图说明

通过下面结合附图对其示例性实施例进行的描述，本实用新型上述特征和优点将会变得更加清楚和容易理解。

图1为本实用新型实施例1一种晶体材料检查装置组成示意图；

图2为本实用新型实施例2光源模块组成示意图；

图3为本实用新型实施例3光电探测模块组成示意图；

图4为本实用新型实施例4一种晶体材料检查装置实施示意图；

图5为本实用新型实施例5一种晶体材料检查方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作进一步详细说明。

如图1所示，为本实用新型实施例1一种晶体材料检查装置，所述装置包括：

光源模块，用来发射入射光并使用所述入射光对被测晶体材料进行照射；

光电探测模块，与所述光源模块封装在一起，用来对被测晶体材料内杂质的后向散射光与入射光相干涉后得到的信号进行探测，并将所述信号转化为电信号；

信号提取模块，用来对所述电信号进行提取并转化为数字信号；

信号处理模块，用来对所述数字信号进行处理，得到所述被测晶体材料内杂质的微纳米颗粒粒径和/或其分布信息。

进一步优选地，如图2所示，所述光源模块包括激光器、激光器驱动电路、空间滤波器、准直透镜、会聚透镜，其中，

所述激光器由激光器驱动电路驱动发出入射光，所述入射光通过空间滤波器和准直透镜后形成一束平行光，所述会聚透镜对所述平行光进行会聚使其照射在被测晶体材料上。

进一步优选地，如图3所示，所述光电探测模块包括光电探测器，用来对被测晶体材料内杂质的后向散射光与入射光相干涉后得到的信号进行探测，并将所述信号转化为电流信号。

进一步优选地，所述光电探测模块还包括跨阻放大器，与所述光电探测器连接，用来对所述电流信号进行放大并转化为电压信号。

进一步优选地，所述光电探测器为光电二极管或微型光电倍增管。

具体实施条件下，如图4所示，为本实用新型实施例4的晶体材料检查装置的实施示意图，如实现对晶体材料洁净度的检测，采用激光自混频技术进行测量，即在激光的测量光束上依序排列有光电探测器、激光器、准直透镜、会聚透镜、被测晶体材料；激光器由激光器驱动电路驱动发光；光电探测器连接有跨阻放大器、混合信号示波器和计算机。

因此，对于测量光路，本实用新型实施例采用半导体激光光源：激光器在驱动电路的控制下发出激光，出射光通过空间滤波器和准直透镜后形成一束平行入射光，平行入射光经过会聚透镜照射在被测晶体材料上。晶体材料内杂质的后向散射光经原光路返回，与入射光相干涉后反馈回激光腔，信号被光电探测器探测并转化为微弱的电流信号，再通过跨阻放大器转化为适当的电压信号。

对于光电转换，光电探测器采用高灵敏度的光电二极管或微型光电倍增管，由于光电探测器与激光器封装在同一个盒子里，后向散射光较弱，探测区域很小，因此所采用的光电二极管或微型光电倍增管不仅要体积小，利于装置微型化，而且光电二极管座采用高导电率和高导磁材料，并使其接地良好，这就有效地消除了外界的电磁干扰，从而大大消除了背景噪声，提高了光电探测器的灵敏度。

对于信号提取模块，采用泰克MSO4034混合信号示波器，其外接测量光电转换机构送来的电压信号通过数字示波器观察频谱特性和提取数字信号，输入进信号处理模块。

对于信号处理模块，其可以采用一电子计算机，计算机中装有与泰克MSO4034混合信号示波器相关的数字处理LABVIEW软件，从而进行数字信号的数据处理，最终获得晶体材料内杂质微纳米颗粒粒径及其分布信息。

本实用新型实施例通过提供一种新的晶体材料检查装置，采用激光自混频技术，通过测量激光被杂质颗粒群散射的后向散射光与入射光相干涉信号(即自混频信号)，直接给出杂质的粒径大小及分布，克服了原子力显微镜成像范围太小，操作麻烦，速度慢，受探头的影响太大等缺点，具有结构简单、测量范围宽、准确度高的优点，同时测量工作可靠、迅速，且价格相对低廉，适合于工程实时监控等应用。

另外，如图5所示，本实用新型实施例5还提供了一种新的晶体材料检查方法，所述方法是通过以下技术方案实现的：

一种晶体材料检查方法，所述方法包括以下步骤：

发射入射光并使用所述入射光对被测晶体材料进行照射；

所述被测晶体材料内杂质经照射后形成后向散射光并经原光路返回；

对所述后向散射光与入射光相干涉后得到的信号进行探测，并将所述信号转化为电信号；

对所述电信号进行提取并转化为数字信号；

对所述数字信号进行处理，得到所述被测晶体材料内杂质的微纳米颗粒粒径和/或其分布信息。

进一步优选地，所述发射入射光并使用所述入射光对被测晶体材料进行照射具体包括：

激光器由激光器驱动电路驱动发出入射光，所述入射光通过空间滤波器和准直透镜后形成一束平行光，所述会聚透镜对所述平行光进行会聚使其照射在被测晶体材料上。

进一步优选地，所述对所述后向散射光与入射光相干涉后得到的信号进行探测，并将所述信号转化为电信号具体包括：

对被测晶体材料内杂质的后向散射光与入射光相干涉后得到的信号进行探测，并将所述信号转化为电流信号。

进一步优选地，所述方法还包括通过跨阻放大器对所述电流信号进行放大并转化为电压信号。

具体实施条件下，本实用新型实施例采用前述的检查装置，通过激光自混频技术进行测量，即在激光的测量光束上依序排列有光电探测器、激光器、准直透镜、会聚透镜、被测晶体材料；激光器由激光器驱动电路驱动发光；光电探测器连接有跨阻放大器、混合信号示波器和数字处理模块。

对于数据处理，假定颗粒是单分散系，基于Lang-Kobayashi速率方程，可得到微纳米颗粒自混频信号的时间相关函数表达式：

$R\left(\mathrm{\&tau;}\right)=P_0^2(1+2m^2{\left|C_{\mathrm{mie}}\right|}^2<N>\exp (-D{q}^2\mathrm{\&tau;}))$

其中，τ是自相关延迟时间，q是散射波矢矢量，大小为q＝4π/λ(其中λ是入射光波长)，exp(-Dq²τ)表示颗粒布朗运动的特征，其中扩散系数D(＝k_BT/3πηd)与颗粒的粒径d、粘度系数η和温度T有关。颗粒越大扩散系数D越小，自相关函数衰减越慢，反之颗粒越小则扩散系数D越大，自相关函数衰减越快。

对于以上公式做傅里叶变换即可得到其功率谱函数表达式：

$I\left(\mathrm{\&omega;}\right)=2\mathrm{\&pi;}{P}_0^2\mathrm{\&delta;}\left(\mathrm{\&omega;}\right)+4m^2{\left|C_{\mathrm{mie}}\right|}^2<N>P_0^2\frac{D{q}^2}{{\left(D{q}^2\right)}^2+{\mathrm{\&omega;}}^2}$

Dq²与颗粒粒径之间存在反比关系：

$D{q}^2=\frac{16\mathrm{\&pi;}{k}_{B}T}{3\mathrm{\&eta;}{\mathrm{\&lambda;}}^2}\&CenterDot;\frac{1}{d}$

由以上可见，颗粒粒径与参数Dq²存在对应关系，在时间相关函数曲线上，Dq²对应了时间相关函数的衰减速率，在功率谱曲线上Dq²的不同对应了Lorentz线型的高度变化。因此，通过测量后向散射光自混频信号可得到颗粒的粒径大小及分布情况。

本实用新型实施例通过提供一种新的晶体材料检查方法，采用激光自混频技术，通过测量激光被杂质颗粒群散射的后向散射光与入射光相干涉信号(即自混频信号)，直接给出杂质的粒径大小及分布，克服了原子力显微镜成像范围太小，操作麻烦，速度慢，受探头的影响太大等缺点，具有结构简单、测量范围宽、准确度高的优点，同时测量工作可靠、迅速，且价格相对低廉，适合于工程实时监控等应用。

本实用新型所属领域的一般技术人员可以理解，本实用新型以上实施例仅为本实用新型的优选实施例之一，为篇幅限制，这里不能逐一列举所有实施方式，任何可以体现本实用新型权利要求技术方案的实施，都在本实用新型的保护范围内。

需要注意的是，以上内容是结合具体的实施方式对本实用新型所作的进一步详细说明，不能认定本实用新型的具体实施方式仅限于此，在本实用新型的上述指导下，本领域技术人员可以在上述实施例的基础上进行各种改进和变形，而这些改进或者变形落在本实用新型的保护范围内。

Claims (5)

1.一种晶体材料检查装置，其特征在于，所述装置包括：

光源模块，用来发射入射光并使用所述入射光对被测晶体材料进行照射；

光电探测模块，与所述光源模块封装在一起，用来对被测晶体材料内杂质的后向散射光与入射光相干涉后得到的信号进行探测，并将所述信号转化为电信号；

信号提取模块，用来对所述电信号进行提取并转化为数字信号；

信号处理模块，用来对所述数字信号进行处理，得到所述被测晶体材料内杂质的微纳米颗粒粒径和/或其分布信息。

2.如权利要求1所述的晶体材料检查装置，其特征在于，所述光源模块包括激光器、激光器驱动电路、空间滤波器、准直透镜、会聚透镜，其中，

所述激光器由激光器驱动电路驱动发出入射光，所述入射光通过空间滤波器和准直透镜后形成一束平行光，所述会聚透镜对所述平行光进行会聚使其照射在被测晶体材料上。

3.如权利要求1或2所述的晶体材料检查装置，其特征在于，所述光电探测模块包括光电探测器，用来对被测晶体材料内杂质的后向散射光与入射光相干涉后得到的信号进行探测，并将所述信号转化为电流信号。

4.如权利要求3所述的晶体材料检查装置，其特征在于，所述光电探测模块还包括跨阻放大器，与所述光电探测器连接，用来对所述电流信号进行放大并转化为电压信号。

5.如权利要求4所述的晶体材料检查装置，其特征在于，所述光电探测器为光电二极管或微型光电倍增管。

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