RU2240501C2 - Method and device for determining remaining voltages in mono-crystalline materials by polarizing-optical method - Google Patents
Method and device for determining remaining voltages in mono-crystalline materials by polarizing-optical method Download PDFInfo
- Publication number
- RU2240501C2 RU2240501C2 RU2002127722/28A RU2002127722A RU2240501C2 RU 2240501 C2 RU2240501 C2 RU 2240501C2 RU 2002127722/28 A RU2002127722/28 A RU 2002127722/28A RU 2002127722 A RU2002127722 A RU 2002127722A RU 2240501 C2 RU2240501 C2 RU 2240501C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- frequency
- low
- voltage
- transformer
- board
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Investigating Or Analysing Materials By Optical Means (AREA)
Abstract
Description
Предлагаемое изобретение относится к области электроники и может быть использовано в приборо- и радиостроении, а также в электронной промышленности при производстве оптически прозрачных полупроводниковых кристаллических материалов и изделий из них.The present invention relates to the field of electronics and can be used in instrument and radio engineering, as well as in the electronics industry in the production of optically transparent semiconductor crystalline materials and products from them.
Известен способ измерения остаточных напряжений в полупроводниковых кристаллах по соотношению интенсивностей светового излучения, прошедшего кристалл [1], принятый в качестве аналога способа.A known method of measuring residual stresses in semiconductor crystals by the ratio of the intensities of light radiation transmitted through the crystal [1], adopted as an analogue of the method.
Согласно известному способу луч света поляризуют и направляют на образец, после прохождения которого изменяется степень эллиптичности светового луча. Вращающийся анализатор преобразует степень эллиптичности в постоянную и переменную составляющие интенсивности луча. По соотношению интенсивностей этих составляющих определяли остаточные напряжения в образце.According to the known method, a light beam is polarized and sent to a sample, after passing through which the degree of ellipticity of the light beam changes. A rotating analyzer converts the degree of ellipticity into constant and variable components of the beam intensity. By the ratio of the intensities of these components, the residual stresses in the sample were determined.
Недостаток известного способа заключается в высокой трудоемкости процесса при определении напряжений, обусловленной ручным режимом измерений, временной цикл которого (измерение - пауза) по продолжительности составляет от десятков секунд до нескольких минут на одну точку. Другой недостаток состоит в пониженной чувствительности, характерной для методов с поляризацией луча света за счет вращающегося анализатора, и пониженной точности, из-за вибраций вращающегося анализатора.The disadvantage of this method is the high complexity of the process in determining the stresses due to the manual measurement mode, the time cycle of which (measurement - pause) in duration is from tens of seconds to several minutes per point. Another disadvantage is the reduced sensitivity characteristic of methods with polarization of the light beam due to the rotating analyzer, and reduced accuracy due to vibrations of the rotating analyzer.
Известен способ определения остаточных напряжений в кристаллах гадолиний-галлиевого граната поляризационно-оптическим методом по разности фаз с помощью лазерного луча [2], который принят в качестве прототипа способа.There is a method of determining residual stresses in crystals of gadolinium-gallium garnet by the polarization-optical method by the phase difference using a laser beam [2], which is adopted as a prototype of the method.
Согласно прототипу лазерный луч предварительно эллиптически поляризуют и модулируют частотой 4 кГц, прикладывая переменное напряжение от высокочастотного генератора через выходной трансформатор к электрооптическому кристаллу модулятора-компенсатора. Формируют разность фаз светового луча Δ с постоянной (компенсационной) компонентой Δk (компонента Δk для оптической схемы без анализируемого кристалла равна нулю, при Uk=0) и переменной компонентой ΔmsinΩt. Наличие в поле действия светового луча напряженного участка кристалла, при прохождении света через исследуемый кристалл, вызывает появление дополнительной (наведенной) разности фаз Δ0. Затем поляризованное и модулированное излучение последовательно проходит через анализатор, попадает на фотоэлектронный умножитель (ФЭУ), селективный усилитель и выводится на экран осциллографа или регистрируется и обрабатывается вручную или вычислительным устройством.According to the prototype, the laser beam is pre-elliptically polarized and modulated with a frequency of 4 kHz, applying an alternating voltage from the high-frequency generator through the output transformer to the electro-optical crystal of the modulator-compensator. The phase difference of the light beam Δ is formed with a constant (compensation) component Δ k (component Δ k for an optical circuit without an analyzed crystal is zero at U k = 0) and the variable component Δ m sinΩt. The presence in the field of action of the light beam of a strained section of the crystal, when light passes through the studied crystal, causes the appearance of an additional (induced) phase difference Δ 0 . Then, the polarized and modulated radiation passes sequentially through the analyzer, enters the photomultiplier tube (PMT), a selective amplifier and is displayed on the oscilloscope or is recorded and processed manually or by a computing device.
Процесс измерения заключается в приведении поляризации светового луча в состояние первоначальной поляризации, т.е. компенсации величины Δ0 путем формирования при помощи высоковольтного источника питания компенсационной разности фаз Δ0, равной по абсолютной величине наведенной разности фаз Δ0, но обратной по знаку. Момент компенсации определяется по характеру изменения электрического сигнала, наблюдаемого на экране осциллографа или милливольтметра. Электрический сигнал с ФЭУ поступает предварительно на два параллельных селективных милливольтметра, настроенных на первую и вторую частоты гармоники модуляции, и после усиления подается на осциллограф. После сложения частот гармоник модуляции на экране осциллографа наблюдается фигура Лиссажу. При равенстве по абсолютной величине наведенной и компенсационной разностей фаз (|Δ0|=|Δk|) с экрана осциллографа исчезает первая частота гармоники модуляции и пропадает фигура Лиссажу - она вырождается в линию, одновременно регистрируют на вольтметре отвечающую моменту компенсации величину постоянного напряжения, являющегося тестовым сигналом и подаваемого на кристалл модулятора-компенсатора. При этом величина постоянного электрического напряжения откалибрована в значениях остаточных механических напряжений в анализируемом кристалле.The measurement process consists in bringing the polarization of the light beam into the state of initial polarization, i.e. compensation of Δ 0 by forming, using a high-voltage power supply, a compensation phase difference Δ 0 equal in magnitude to the induced phase difference Δ 0 , but opposite in sign. The moment of compensation is determined by the nature of the change in the electrical signal observed on the screen of the oscilloscope or millivoltmeter. The electric signal from the PMT is preliminarily fed to two parallel selective millivoltmeters tuned to the first and second frequencies of the modulation harmonic, and after amplification is fed to the oscilloscope. After adding the frequencies of the modulation harmonics, the Lissajous figure is observed on the oscilloscope screen. If the induced and compensation phase differences (| Δ 0 | = | Δ k |) are equal in absolute value, the first modulation harmonic frequency disappears from the oscilloscope screen and the Lissajous figure disappears - it degenerates into a line, and at the same time a constant voltage value corresponding to the compensation moment is recorded on a voltmeter, which is a test signal and is supplied to the crystal of the modulator-compensator. In this case, the value of constant electric voltage is calibrated in the values of residual mechanical stresses in the analyzed crystal.
Основной недостаток прототипа заключается в субъективности и высокой трудоемкости измерений: продолжительность собственно процесса измерения в одной точке составляет несколько десятков секунд. Это обусловлено необходимостью дискретно перемещать образец относительно светового луча и для каждой точки вручную изменять подаваемый на кристалл модулятора-компенсатора тестовый сигнал (электрическое напряжение), визуально определяя момент компенсации. Прототип также требует предварительной экспертной оценки уровня напряжений в кристалле, для того чтобы обеспечить в процессе измерений для всех участков образца выполнение условия |Δk|≥|Δ0|. А это условие предполагает достаточно высокий уровень подготовки специалиста, выполняющего измерения.The main disadvantage of the prototype is the subjectivity and high complexity of the measurements: the duration of the measurement process itself at one point is several tens of seconds. This is due to the need to discretely move the sample relative to the light beam and for each point manually change the test signal (voltage) supplied to the crystal of the modulator-compensator, visually determining the moment of compensation. The prototype also requires a preliminary expert assessment of the stress level in the crystal in order to ensure that the conditions | Δ k | ≥ | Δ 0 | are fulfilled for all sections of the sample during the measurement process. And this condition implies a sufficiently high level of training for the specialist performing the measurements.
Рассматриваемое в прототипе применение сканирования и самописца при проведении измерений вдоль линии по диаметру кристалла не устраняет в полной мере отмеченных недостатков, т.к. дальнейшая обработка результатов измерений выполняется вручную. Кроме того, применение самописца не позволяет определить знак напряженного состояния в анализируемом участке кристалла (сжимающие или растягивающие напряжения), т.к. в этом случае измеряются абсолютные значения сигнала без учета того, что напряжение компенсации на вольтметре может быть разного знака. Кроме этого, наличие разнотолщинности по диаметру кристалла приводит к колебаниям амплитуды сигнала и неоднозначности получаемых данных.The use of scanning and a recorder considered in the prototype during measurements along the line along the diameter of the crystal does not completely eliminate the noted drawbacks, because further processing of the measurement results is performed manually. In addition, the use of the recorder does not allow us to determine the sign of the stress state in the analyzed section of the crystal (compressive or tensile stresses), because in this case, the absolute values of the signal are measured without taking into account the fact that the compensation voltage on the voltmeter can be of different signs. In addition, the presence of thickness variations along the diameter of the crystal leads to fluctuations in the signal amplitude and the ambiguity of the data obtained.
Известно устройство (компенсатор Бабине) для количественного определения внутренних напряжений в прозрачных объектах по разности фаз для обыкновенного и необыкновенного лучей [4], принятое в качестве аналога установки. Аналог состоит из источника света, конденсора, поляроида, приспособления для крепления объекта, анализатора, поляризационного компенсатора из двух кварцевых клиньев и окуляра для наблюдателя. На неподвижном клине нанесено перекрестие.A device (Babin compensator) for the quantitative determination of internal stresses in transparent objects by the phase difference for ordinary and extraordinary rays [4], adopted as an analogue of the installation. The analogue consists of a light source, a condenser, a polaroid, a device for attaching an object, an analyzer, a polarizing compensator of two quartz wedges and an eyepiece for the observer. A crosshair is drawn on a fixed wedge.
Основной недостаток известного устройства состоит в том, что оно предназначено для ручной работы и требует наличия наблюдателя для оценки и анализа получаемой информации, а поэтому характеризуется низкой производительностью и субъективностью при проведении измерений.The main disadvantage of the known device is that it is designed for manual work and requires an observer to evaluate and analyze the information received, and therefore is characterized by low productivity and subjectivity in the measurement.
Известно устройство для измерения параметров двулучепреломления поляризационно-оптическим методом, принятое в качестве прототипа установки [3]. Прототип содержит лазерный излучатель, поляризатор, модулятор-компенсатор, образец, анализатор, фотоэлектронный усилитель, селективный усилитель, милливольтметр, самописец, линзы, механизм перемещения образца.A device for measuring the parameters of birefringence by the polarization-optical method, adopted as a prototype of the installation [3]. The prototype contains a laser emitter, a polarizer, a modulator-compensator, a sample, an analyzer, a photoelectronic amplifier, a selective amplifier, a millivoltmeter, a recorder, lenses, and a sample movement mechanism.
Основной недостаток известного устройства заключается в том, что оно предназначено для работы в ручном режиме. Это обусловлено отсутствием возможности однозначного определения знака и амплитуды электрического сигнала, прошедшего образец и определяющего характер напряжений в кристалле: сжимающие или растягивающие напряжения. Поэтому при работе в режиме сканирования с записью информации на самописец и с предварительной калибровкой поля ленты самописца требуется вмешательство оператора для оценки сигнала, что снижает производительность и повышает трудоемкость прототипа.The main disadvantage of the known device is that it is designed to work in manual mode. This is due to the lack of the ability to unambiguously determine the sign and amplitude of the electric signal that has passed through the sample and determines the nature of the stresses in the crystal: compressive or tensile stresses. Therefore, when working in scanning mode with recording information on the recorder and with preliminary calibration of the field of the recorder’s tape, operator intervention is required to evaluate the signal, which reduces productivity and increases the complexity of the prototype.
Основная задача предлагаемого изобретения заключается в создании объективного и высокопроизводительного способа и установки для определения остаточных напряжений в монокристаллических материалах и изделий из них.The main objective of the invention is to create an objective and high-performance method and installation for determining residual stresses in single-crystal materials and products from them.
Техническим результатом предлагаемого изобретения является повышение производительности и снижение трудоемкости процесса определения остаточных напряжений (сжимающих и растягивающих) как в процессе проведения измерений, так и при обработке результатов измерений, а также устранение субъективности при проведении измерений.The technical result of the invention is to increase productivity and reduce the complexity of the process of determining residual stresses (compressive and tensile) both in the measurement process and in the processing of measurement results, as well as the elimination of subjectivity in the measurement.
Указанный результат достигается тем, что в способе определения остаточных напряжений в монокристаллических материалах поляризационно-оптическим методом по разности фаз монохроматического светового луча, при котором осуществляют эллиптическую поляризацию, высокочастотную модуляцию, формируют частоту гармоники модуляции с постоянной и переменной разностью фаз и образующейся при прохождении света через анализируемый монокристалл наведенной разностью фаз Δ0, с последующим селективным выделением из общего светового потока электрического сигнала, соответствующего частоте гармоники модуляции и регистрацией момента компенсации разности фаз по тестовому сигналу, для синхронного определения момента компенсации разности фаз при последовательном шаговом сканировании анализируемого монокристалла относительно луча света, частоту гармоники модуляции плавно модулируют и масштабируют электрическим сигналом низкой частоты, для чего на модулятор подают высокое напряжение низкой частоты с последующей дополнительной фильтрацией выделенного электрического сигнала и его электронной обработкой, для этого используют блок электронного управления, на входы каналов платы усилителей и фильтров которого направляют сигнал с селективного усилителя для выделения низкочастотного модулирующего сигнала и тестовый сигнал с обмоток тестирования высоковольтного трансформатора низкой частоты, после чего оба сигнала считывают в аналого-цифровой преобразователь и анализируют с помощью программного обеспечения, при этом низкочастотный модулирующий сигнал анализируют на минимум по абсолютной величине, а мгновенное значение тестового сигнала анализируют на равенство минимальному значению низкочастотного модулирующего сигнала, отвечающего равенству по абсолютной величине компенсационной и наведенной разности фаз и являющегося функцией остаточных напряжений в кристалле.This result is achieved by the fact that in the method for determining residual stresses in single-crystal materials by the polarization-optical method from the phase difference of a monochromatic light beam, in which elliptical polarization, high-frequency modulation are performed, a modulation harmonic frequency with a constant and variable phase difference and formed when light passes through analyzed monocrystal induced phase difference Δ 0, followed by selective isolation of total luminous flux Electrical signal corresponding to the modulation harmonic frequency and recording the moment of phase difference compensation by the test signal to synchronously determine the phase difference compensation moment by sequential stepwise scanning of the analyzed single crystal relative to the light beam, the modulation harmonic frequency is smoothly modulated and scaled by a low-frequency electrical signal, for which the modulator apply a high voltage of a low frequency with subsequent additional filtering of the selected electrical signal and its electronic processing, for this, an electronic control unit is used, the signal from a selective amplifier is sent to the channel inputs of the amplifier and filter boards to isolate the low-frequency modulating signal and the test signal from the test windings of the high-voltage low-frequency transformer, after which both signals are read into an analog-to-digital converter and analyzed using software, while the low-frequency modulating signal is analyzed at a minimum in absolute value, and the instantaneous the value of the test signal is analyzed for equality to the minimum value of the low-frequency modulating signal, which corresponds to the equality in absolute value of the compensation and induced phase difference and is a function of the residual stresses in the crystal.
В части устройства для достижения указанного результата установка для определения остаточных напряжений в монокристаллических материалах поляризационно-оптическим методом по разности фаз монохроматического светового луча, содержащая источник излучения, оптико-электрическую систему в составе поляризатора, модулятора-компенсатора, электрически связанного с высоковольтным трансформатором и через выходной трансформатор с высокочастотным генератором, анализатора, фокусирующих линз и фотодиода, а также содержащая привод сканирования, селективный усилитель и вычислительное устройство, снабжена блоком электронного управления, выполненным в виде корпуса с установленными в нем платой электропитания, платой управления приводом сканирования, платой коммутации обмоток высоковольтного трансформатора низкой частоты, платой усилителей и фильтров, высоковольтным трансформатором низкой частоты, выполненным с наборами обмоток для масштабирования электрического сигнала и для тестирования, аналого-цифровым преобразователем и компьютером, при этом в блоке электронного управления плата электропитания электрически соединена с платой управления шаговыми двигателями, с платой коммутации обмоток высоковольтного трансформатора низкой частоты и платой усилителей и фильтров, плата управления шаговыми двигателями электрически соединена с приводом сканирования и с аналого-цифровым преобразователем, плата коммутации обмоток высоковольтного трансформатора низкой частоты электрически соединена с наборами обмоток масштабирования и тестирования первичного контура высоковольтного трансформатора низкой частоты и с аналого-цифровым преобразователем, плата усилителей и фильтров электрически соединена с селективным усилителем, с коммутатором обмоток тестирования высоковольтного трансформатора низкой частоты и с аналого-цифровым преобразователем, который соединен с компьютером, а высоковольтный трансформатор низкой частоты вторичным контуром электрически соединен с модулятором-компенсатором и с выходным трансформатором высокочастотного генератора.In terms of the device for achieving the indicated result, an apparatus for determining residual stresses in single-crystal materials by the polarization-optical method from the phase difference of a monochromatic light beam, containing a radiation source, an optical-electric system as part of a polarizer, a modulator-compensator, electrically connected to a high-voltage transformer and through an output a transformer with a high-frequency generator, an analyzer, focusing lenses and a photodiode, and also containing a scanning drive , a selective amplifier and a computing device, is equipped with an electronic control unit made in the form of a housing with an electric power board installed, a scan drive control board, a switching board for the windings of a high-voltage low-frequency transformer, an amplifier and filter board, and a high-voltage low-frequency transformer made with sets of windings for scaling an electric signal and for testing, by an analog-to-digital converter and a computer, while in the electronic control unit The power board is electrically connected to the stepper motor control board, to the commutation board of the windings of the high-voltage low-frequency transformer and to the amplifier and filter board, the stepper motor control board is electrically connected to the scan drive and to the analog-to-digital converter, the commutation board of the windings of the high-voltage low-frequency transformer is electrically connected with sets of windings for scaling and testing the primary circuit of a high-voltage transformer low often s and with an analog-to-digital converter, the amplifier and filter board is electrically connected to a selective amplifier, to a test winding switch of a high-voltage low-frequency transformer and to an analog-to-digital converter, which is connected to a computer, and a high-voltage low-frequency transformer by a secondary circuit is electrically connected to a modulator - compensator and with an output transformer of a high-frequency generator.
Способ осуществляют следующим образом (фиг.1).The method is as follows (figure 1).
Включали лазер 1 (ЛГ-125, излучает на длинах волн λ=0,63 мкм и λ=1,15 мкм), устанавливали длину волны излучения λ=0,63 мкм, переключателем "Сеть" 16 включали выходной трансформатор 18 с высокочастотным генератором 19, усилитель 9, блок электронного управления 11, привод сканирования 10, высоковольтный трансформатор низкой частоты 17, персональный компьютер 21 и выполняли юстировку всех устройств, образующих и формирующих световой поток с требуемыми параметрами. С клавиатуры персонального компьютера 21 запускали прикладные программы и вводили исходные параметры: физико-механические свойства исследуемого кристалла, скорость перемещения привода сканирования, форму вывода получаемой информации на экран монитора, единицы измерения. Затем размещали на предметном столике привода сканирования 10 образец кремния 5 и устанавливали режим работы излучателя на длине волны λ=1,15 мкм. Световой луч направляли на поляризатор 2, на выходе которого получали плоскополяризованный луч. Затем с помощью электрооптического кристалла модулятора-компенсатора 3 луч света переводили в состояние с эллиптической поляризацией (направление оптических осей кристалла модулятора-компенсатора 3 составляло угол 45° с плоскостями поляризатора 2 и анализатора 7). Дополнительно световой луч дважды модулировали по частоте. Во-первых, за счет подачи на электрооптический кристалл модулятора-компенсатора 3 переменного электрического напряжения (частота модуляции f=4 кГц) с генератора сигналов 19 и выходного трансформатора 18 формировали гармонику частоты модуляции с разностью фаз Δ=Δk+ΔmsinΩt. Во-вторых, с помощью высоковольтного трансформатора 17 исходную гармонику частоты модуляции плавно модулировали низкочастотным сигналом с f=50 Гц и масштабировали (тестовым сигналом). Для получения различных значений (тестовых) напряжений в диапазонах (220-4000) В, (220-1000) В, (220-500) В переключение обмоток масштабирования (ОМ) трансформатора 17 выполняли с помощью симисторных оптопар платы коммутации 14 блока электронного управления 11 и, тем самым, синхронно с измерениями формировали постоянную разность фаз (Δk) с низкочастотной модуляцией.Laser 1 was turned on (LG-125, emits at wavelengths λ = 0.63 μm and λ = 1.15 μm), the radiation wavelength λ = 0.63 μm was set, the "Network" switch 16 included an output transformer 18 with a high-frequency generator 19, an amplifier 9, an electronic control unit 11, a scanning drive 10, a high-voltage low-frequency transformer 17, a personal computer 21, and all the devices forming and forming the light flux with the required parameters were aligned. Application programs were launched from the keyboard of the personal computer 21 and the initial parameters were entered: the physicomechanical properties of the crystal under study, the speed of movement of the scan drive, the form for displaying the received information on the monitor screen, and units of measurement. Then a silicon sample 5 was placed on the stage of the scanning drive 10 and the emitter operating mode was set at a wavelength of λ = 1.15 μm. The light beam was directed to polarizer 2, at the output of which a plane-polarized beam was obtained. Then, using the electro-optical crystal of the modulator-compensator 3, the light beam was brought into an elliptical polarization state (the direction of the optical axes of the crystal of the modulator-compensator 3 was an angle of 45 ° with the planes of the polarizer 2 and analyzer 7). Additionally, the light beam was twice modulated in frequency. First, by applying to the electro-optical crystal of the modulator-compensator 3 an alternating electric voltage (modulation frequency f = 4 kHz) from the signal generator 19 and the output transformer 18, a harmonic of the modulation frequency with a phase difference Δ = Δ k + Δ m sinΩt was formed. Secondly, using a high-voltage transformer 17, the initial harmonic of the modulation frequency was smoothly modulated with a low-frequency signal with f = 50 Hz and scaled (with a test signal). To obtain different values of (test) voltages in the ranges (220-4000) V, (220-1000) V, (220-500) V, the switching of the scaling windings (OM) of the transformer 17 was performed using triac optocouplers of the switching board 14 of the electronic control unit 11 and, thus, in synchronism with the measurements, a constant phase difference (Δ k ) with low-frequency modulation was formed.
Луч света, вышедший из кристалла модулятора-компенсатора 3, фокусировали на поверхность исследуемого кристалла 5 с помощью системы линз 4 (для получения требуемого пространственного разрешения).A ray of light emerging from the crystal of the modulator-compensator 3 was focused on the surface of the studied crystal 5 using a lens system 4 (to obtain the required spatial resolution).
При прохождении через исследуемый кристалл 5 луч света с низкочастотной модуляцией приобретает разность фаз (Δ0), вызванную остаточными напряжениями. С помощью линзы 6 луч света, прошедший исследуемый кристалл 5, собирали в пучок, чтобы диаметр светового луча был немного меньше диаметра активного элемента фотодиода 8. Далее луч света пропускали через анализатор 7, плоскость поляризации которого перпендикулярна плоскости поляризации поляризатора 2, и принимали с помощью фотодиода 8. После фотодиода полный электрический сигнал поступал на вход селективного усилителя 9, настроенного на частоту 4 кГц и выделяющего из полного электрического сигнала полезный электрический сигнал, соответствующий частоте гармоники модуляции. Сигнал с усилителя 9 направляли на вход платы усилителей и фильтров (ПУиФ) 15 блока электронного управления 11 и выделяли низкочастотный модулирующий сигнал, который направляли на аналого-цифровой преобразователь 21. Одновременно на аналого-цифровой преобразователь 21 подавали через канал платы усилителей и фильтров 15 тестовый сигнал с обмоток тестирования (ОТ) высоковольтного трансформатора 17. Оба сигнала (низкочастотный и тестовый) считывали в аналого-цифровой преобразователь 20 и анализировали с помощью программного обеспечения компьютером 21.When passing through the studied crystal 5, the light beam with low-frequency modulation acquires a phase difference (Δ 0 ) caused by residual voltages. Using a lens 6, the light beam passing through the test crystal 5 was collected into a beam so that the diameter of the light beam was slightly smaller than the diameter of the active element of the photodiode 8. Next, the light beam was passed through an analyzer 7, the plane of polarization of which is perpendicular to the plane of polarization of polarizer 2, and received using photodiode 8. After the photodiode, the full electrical signal was fed to the input of a selective amplifier 9 tuned to a frequency of 4 kHz and extracting a useful electrical signal from the full electrical signal, corresponding to Harmonic modulation frequency. The signal from the amplifier 9 was sent to the input of the amplifier and filter board (ПУиФ) 15 of the electronic control unit 11 and a low-frequency modulating signal was isolated, which was sent to the analog-to-digital converter 21. At the same time, an analog-to-digital converter 21 was fed through the channel of the amplifier and filter board 15 test the signal from the test windings (OT) of the high-voltage transformer 17. Both signals (low-frequency and test) were read into the analog-to-
Низкочастотный модулирующий сигнал анализировали на минимум по абсолютной величине, который возникал при равенстве по абсолютной величине компенсационной Δk и наведенной Δ0 разности фаз, но обратных по знаку (т.е. Δk=-Δ0). А тестовый сигнал (мгновенное напряжение Uk на обмотках тестирования высоковольтного трансформатора 17) анализировали на равенство минимальному значению низкочастотного модулирующего сигнала с фотодиода 8. Эта величина мгновенного напряжения Uk является функцией остаточных напряжений в кристалле 5. Расчет остаточных напряжений для каждой точки поверхности кристалла выполняли с помощью программного обеспечения по формуле (1) из работы [3]The low-frequency modulating signal was analyzed for a minimum in absolute value, which occurred when the compensation difference Δ k and the induced phase difference Δ 0 were equal in absolute value, but they were opposite in sign (i.e., Δ k = -Δ 0 ). And the test signal (instantaneous voltage U k on the testing windings of the high-voltage transformer 17) was analyzed for equality to the minimum value of the low-frequency modulating signal from photodiode 8. This value of the instantaneous voltage U k is a function of the residual stresses in the crystal 5. The calculation of the residual stresses for each point on the surface of the crystal was performed using software according to the formula (1) from [3]
где Δσ - разность главных напряжений;where Δσ is the difference of the main stresses;
σ1-σ2 - главные напряжения, действующие на гранях элементарного параллелепипеда, “выделенного” в окрестности области измерения (область пространственного разрешения установки). Направления главных напряжений совпадают с кристаллографическими направлениями с низкими индексами и зависят от ориентации исследуемого кристалла относительно луча света;σ 1 -σ 2 are the principal stresses acting on the faces of the elementary parallelepiped, “allocated” in the vicinity of the measurement region (spatial resolution region of the installation). The directions of the main stresses coincide with the crystallographic directions with low indices and depend on the orientation of the crystal under study relative to the light ray;
Δ0 - измеренная разность фаз, вызванная наличием напряжений в образце, определяемая какΔ 0 is the measured phase difference caused by the presence of stresses in the sample, defined as
где Uk - напряжение, соответствующее моменту компенсации разности фаз, измеряемое на кристалле модулятора-компенсатора;where U k is the voltage corresponding to the moment of compensation of the phase difference, measured on the crystal of the modulator-compensator;
U0 - напряжение, при котором наблюдается нулевая разность фаз (т.е. без образца);U 0 is the voltage at which a zero phase difference is observed (i.e., without a sample);
Uλ/2 - напряжение, соответствующее наведенной разности фаз λ/2, равной π;Uλ / 2 is the voltage corresponding to the induced phase difference λ / 2 equal to π;
λ - длина волны используемого света, 1,15 мкм;λ is the wavelength of the light used, 1.15 μm;
С - фотоупругая постоянная, зависящая от кристаллографической ориентации исследуемого кристалла относительно луча света и равная 1,71·10-6 см2/кг;C is the photoelastic constant, depending on the crystallographic orientation of the investigated crystal relative to the light beam and equal to 1.71 · 10 -6 cm 2 / kg;
h - толщина образца, 0,35 мм.h is the thickness of the sample, 0.35 mm
Полученное значение остаточного напряжения для данной точки фиксировали в памяти компьютера 20 и выводили на экран монитора. Одновременно с анализом и обработкой поступающей информации программные средства через плату управления шаговыми двигателями 12 привода сканирования 10 управляют траекторией движения привода 10 с образцом 5 и через плату коммутации обмоток высоковольтного трансформатора 14 управляют обмотками тестирования ОТ и масштабирования ОМ высоковольтного трансформатора низкой частоты 17. При пошаговом перемещении образца 5 на экране монитора формируется двухмерное (в координатах Х-Y) или трехмерное (в координатах Х-Y-Z) изображение характера распределения остаточных напряжений в исследуемом образце в заданных единицах измерения.The obtained value of the residual voltage for this point was fixed in the memory of
Пример выполнения способаAn example of the method
Выполняли измерение остаточных макронапряжений в кремниевом образце (монокристалл КЭФ-4,5 с ориентацией (100) размером 10×10 мм и толщиной 0,35 мм). Кремниевый образец 5 устанавливали в специальных струбцинах на предметном столике (на фиг.1 не показан) привода сканирования 10 перпендикулярно оптической оси светового потока. Включали лазер 1 (ЛГ-125), переключателем "Сеть" 16 включали высокочастотный генератор 19 с выходным трансформатором 18, усилитель 9, блок электронного управления 11, привод сканирования 10, компьютер 20. С клавиатуры компьютера 20 задавали режимы перемещения привода сканирования 10 с образцом 5 и форму вывода обработанной информации на экран монитора. Световой луч последовательно проходил поляризатор 2, модулятор 3, фокусирующие 4 и собирающие 6 линзы, анализируемый образец 5, анализатор 7 и попадал в приемное устройство фотодиода 8. С фотодиода полный электрический сигнал направляли в селективный усилитель 9. Выделенный усилителем 9 полезный электрический сигнал и дополнительно отфильтрованный и выделенный при помощи платы усилителей и фильтров 15 блока электронного управления 11 низкочастотный сигнал считывался аналого-цифровым преобразователем 21, на который синхронно принимали тестовый сигнал с трансформатора 17. Далее программными средствами анализировали оба полученных сигнала, выполняли расчет по формуле (1) и выдавали на экран монитора результат расчета напряжений в данной точке. При последовательном перемещении образца 5 относительно луча программное обеспечение формирует поле для получения матрицы напряжений и графически отображает распределение напряжений в кристалле в заданных единицах измерения [например, кг/мм2] на экране монитора. Для измеряемой пластины кремния напряжения составили σmin=0,5 кг/мм2, σmах=3,2 кг/мм2. Возможен вывод информации в табличном виде.The residual macrostresses were measured in a silicon sample (KEF-4.5 single crystal with a (100) orientation of 10 × 10 mm in size and 0.35 mm thick). A silicon sample 5 was installed in special clamps on a stage (not shown in FIG. 1) of the scanning drive 10 perpendicular to the optical axis of the light flux. The laser 1 (LG-125) was turned on, the “Network” switch 16 turned on the high-frequency generator 19 with the output transformer 18, the amplifier 9, the electronic control unit 11, the scan drive 10,
Продолжительность измерения пластины кремния размером 10×10 мм в зависимости от требуемого разрешения составляет до 30 минут.The duration of the measurement of a silicon wafer with a size of 10 × 10 mm, depending on the required resolution, is up to 30 minutes.
На фиг.1 изображена блок-схема установки для определения напряжений в монокристаллических материалах.Figure 1 shows a block diagram of an installation for determining stresses in single-crystal materials.
Установка содержит промышленный газовый лазер 1, работающий на длинах волн излучения λ=0,63 мкм и λ=1,15 мкм, поляризатор 2, модулятор-компенсатор 3, анализатор 7, фокусирующие линзы 4 и 6, фотодиод 8, селективный усилитель 9, привод сканирования 10 на шаговых двигателях с предметным столиком для размещения и крепления образца, блок электронного управления 11, выходной трансформатор 18 с высокочастотным генератором синусоиды 4 кГц 19, высоковольтный трансформатор низкой частоты 17, аналого-цифровой преобразователь 20 с шиной ISA, персональный компьютер 21. Блок электронного управления 11 выполнен в виде корпуса и содержит плату электропитания 13, плату управления шаговыми двигателями 12, плату коммутации обмоток высоковольтного трансформатора низкой частоты 14, плату усилителей и фильтров 15. Высоковольтный трансформатор низкой частоты выполнен с обмотками тестирования ОТ и обмотками масштабирования ОМ.The apparatus comprises an industrial gas laser 1 operating at radiation wavelengths λ = 0.63 μm and λ = 1.15 μm, a polarizer 2, a modulator-compensator 3, an analyzer 7, focusing lenses 4 and 6, a photodiode 8, a selective amplifier 9, scanning drive 10 on stepper motors with a stage for mounting and mounting the sample, electronic control unit 11, output transformer 18 with a high-frequency 4 kHz sine wave generator 19, high-voltage low-frequency transformer 17, analog-to-
Установка работает следующим образом.Installation works as follows.
Включается лазер 1 модели ЛГ-126, переключателем "Сеть" 16, включаются выходной трансформатор 18 с высокочастотным генератором 19, селективный усилитель 9, привод сканирования 10, высоковольтный трансформатор низкой частоты 17, блок электронного управления 11, персональный компьютер 21 с аналого-цифровым преобразователем 20. На длине волны излучения λ=0,63 мкм проводится предварительная настройка установки. После юстировки кремниевый образец 5 размером 10×10 мм размещается в специальных струбцинах на предметном столике привода сканирования установки и с клавиатуры компьютера 21 запускаются прикладные программы для управления перемещением приводом сканирования 10, для обработки поступающей информации, обработки, расчета и вывода данных на экран монитора. При переключении лазера 1 на длину волны λ=1,15 мкм (для кремниевых пластин КЭФ-4,5 рабочей длиной волны является λ=1,15 мкм) световой луч с помощью оптико-электрической системы переводится в состояние с эллиптической поляризацией и дважды модулируется по частоте: во-первых, высокочастотным сигналом с помощью высокочастотного генератора 19 синусоидой с f=4 кГц, и, во-вторых, низкочастотным сигналом (f=50 Гц) с помощью вторичного контура высоковольтного трансформатора низкой частоты 17, а затем после фокусировки линзой 4 с фокусным расстоянием f=50 мм направляется на образец 5. Дополнительно световой луч, прошедший образец 5, собирается линзой 6 и фокусируется на приемную поверхность фотодиода 8, а затем в виде полного электрического сигнала направляется на селективный усилитель 9, где выделяется полезный электрический сигнал, соответствующий гармонике частоты модуляции.The laser 1 of the LG-126 model is turned on, the "Network" switch 16 is turned on, the output transformer 18 with the high-frequency generator 19, the selective amplifier 9, the scan drive 10, the high-voltage low-frequency transformer 17, the electronic control unit 11, a personal computer 21 with an analog-to-digital converter are turned on 20. At a radiation wavelength of λ = 0.63 μm, the installation is pre-configured. After adjustment, a 10 × 10 mm silicon sample 5 is placed in special clamps on the stage of the installation scan drive and application programs are launched from the computer keyboard 21 to control the movement of the scan drive 10, to process incoming information, process, calculate and display data on the monitor screen. When laser 1 is switched to a wavelength of λ = 1.15 μm (for KEF-4.5 silicon wafers, the working wavelength is λ = 1.15 μm), the light beam is converted into an elliptical polarized state using an optoelectric system and is twice modulated in frequency: firstly, with a high-frequency signal using a high-frequency generator 19 with a sine wave with f = 4 kHz, and secondly, with a low-frequency signal (f = 50 Hz) using a secondary circuit of a high-voltage low-frequency transformer 17, and then after focusing by the lens 4 with a focal length f = 50 mm on sent to the sample 5. Additionally, the light beam passing through the sample 5 is collected by the lens 6 and focused on the receiving surface of the photodiode 8, and then sent to the selective amplifier 9 as a full electric signal, where a useful electrical signal corresponding to the harmonic of the modulation frequency is emitted.
С селективного усилителя 9 выделенный полезный электрический сигнал, модулированный частотой f=50 Гц, попадает на плату усилителей и фильтров 15, где отфильтровываются паразитные составляющие и выделяется полезный низкочастотный сигнал с f=50 Гц.From the selective amplifier 9, the selected useful electrical signal, modulated with a frequency of f = 50 Hz, goes to the amplifier board and filters 15, where spurious components are filtered out and a useful low-frequency signal with f = 50 Hz is extracted.
Одновременно с обмоток тестирования (ОТ) высоковольтного трансформатора низкой частоты 17 снимается тестовый сигнал, который фильтруется и нормализуется на плате усилителей и фильтров 15. С платы усилителей и фильтров 15 оба сигнала (низкочастотный и тестовый) синхронно попадают в аналого-цифровой преобразователь 20, а затем обрабатываются программными средствами персонального компьютера 21.At the same time, a test signal is removed from the test windings (OT) of the high-voltage low-frequency transformer 17, which is filtered and normalized on the amplifier and filter board 15. From the amplifier and filter board 15, both signals (low-frequency and test) simultaneously pass to the analog-to-
Низкочастотный сигнал анализируется на минимум по абсолютной величине, при установлении которого фиксируется мгновенное значение тестового сигнала: величина напряжения Uk тестового сигнала в момент минимума низкочастотного сигнала соответствует определенному значению механических напряжений в данной точке кремниевого образца 5. Искомая величина механических внутренних напряжений вычисляется по известному выражению (1) [3]. В процессе последовательного перемещения образца 5 относительно светового луча программными средствами осуществляется обработка поступающей информации и результаты обработки в виде двух- или трехмерного графического изображения (в координатах Х-Y или Х-Y-Z) выводятся на экран монитора. Результаты измерений в кремниевой пластине представлены на фиг.2.The low-frequency signal is analyzed for a minimum in absolute value, when established, the instantaneous value of the test signal is fixed: the voltage value U k of the test signal at the minimum of the low-frequency signal corresponds to a certain value of mechanical stresses at a given point in the silicon sample 5. The desired value of mechanical internal stresses is calculated by the known expression (thirteen]. In the process of sequential movement of sample 5 relative to the light beam, the processing of incoming information is carried out by software and the processing results in the form of a two- or three-dimensional graphic image (in the coordinates X-Y or X-YZ) are displayed on the monitor screen. The measurement results in a silicon wafer are presented in figure 2.
Таким образом, созданы объективный и высокопроизводительный способ и установка для измерений остаточных напряжений в кремниевых пластинах, не требующая непосредственного участия оператора в процессе измерений и обеспечивающая вывод результатов измерений в графическом виде или табличной форме на экран монитора. Производительность процесса составляет до 30 минут на пластину кремния площадью 10 мм2. При этом точность измерений составляет ~ 10-15%. Способ позволяет измерять и определять как сжимающие, так и растягивающие напряжения.Thus, an objective and high-performance method and installation for measuring residual stresses in silicon wafers has been created, which does not require direct participation of the operator in the measurement process and provides the display of measurement results in graphical or tabular form on the monitor screen. The performance of the process is up to 30 minutes per silicon plate with an area of 10 mm 2 . Moreover, the measurement accuracy is ~ 10-15%. The method allows to measure and determine both compressive and tensile stresses.
Источники информацииSources of information
1. Оксанич А.П., Вдовиченко Н.Д. Электронная техника. Сер. 2. Полупроводниковые приборы, 1988, вып. 3, с.59-61.1. Oksanich A.P., Vdovichenko N.D. Electronic equipment. Ser. 2. Semiconductor devices, 1988, no. 3, p. 59-61.
2. Разработка метода количественного определения напряжений в пластинах монокристаллов гадолиний-галлиевого граната. Захаров С.Н., Крутогин Д.Г., Пономарев Н.М., Савушкина Н.И. В сб.: Исследование процессов получения редких и редкоземельных металлов и их соединений. - М.: Гиредмет, 1989 г, с.111-120.2. Development of a method for the quantitative determination of stresses in wafers of gadolinium-gallium garnet single crystals. Zakharov S.N., Krutogin D.G., Ponomarev N.M., Savushkina N.I. In: Research on the processes of obtaining rare and rare-earth metals and their compounds. - M .: Giredmet, 1989, p. 111-120.
3. Нарасимхамурти Т. Фотоупругие и электрооптические свойства кристаллов. - М.: Мир, 1984, 622 с.3. Narasimhamurthy T. Photoelastic and electro-optical properties of crystals. - M .: Mir, 1984, 622 p.
4. Приборы для неразрушающего контроля материалов и изделий. Справочник в 2-х книгах. Кн.1./Под ред. В.В.Клюева. - 2-е изд. - М.: Машиностроение, 1986, 488 с. (разд.: Определение внутренних напряжений в материалах (с.109-111)).4. Devices for non-destructive testing of materials and products. Reference book in 2 books. Book 1. / Ed. V.V. Klyueva. - 2nd ed. - M.: Mechanical Engineering, 1986, 488 p. (section: Determination of internal stresses in materials (p.109-111)).
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002127722/28A RU2240501C2 (en) | 2002-10-17 | 2002-10-17 | Method and device for determining remaining voltages in mono-crystalline materials by polarizing-optical method |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2002127722/28A RU2240501C2 (en) | 2002-10-17 | 2002-10-17 | Method and device for determining remaining voltages in mono-crystalline materials by polarizing-optical method |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2002127722A RU2002127722A (en) | 2004-04-20 |
| RU2240501C2 true RU2240501C2 (en) | 2004-11-20 |
Family
ID=34310015
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2002127722/28A RU2240501C2 (en) | 2002-10-17 | 2002-10-17 | Method and device for determining remaining voltages in mono-crystalline materials by polarizing-optical method |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2240501C2 (en) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD443Z (en) * | 2011-02-24 | 2012-06-30 | Институт Прикладной Физики Академии Наук Молдовы | Method for measuring residual stresses in sheet glass and device for its realization |
-
2002
- 2002-10-17 RU RU2002127722/28A patent/RU2240501C2/en not_active IP Right Cessation
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| НАРАСИМХАМУРТИ Т. Фотоупругие и электрооптические свойства кристаллов. - М.: Мир, 1984, с.622. * |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| MD443Z (en) * | 2011-02-24 | 2012-06-30 | Институт Прикладной Физики Академии Наук Молдовы | Method for measuring residual stresses in sheet glass and device for its realization |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US5120961A (en) | High sensitivity acousto-optic tunable filter spectrometer | |
| EP3161437B1 (en) | Measuring polarisation | |
| EP0597390A1 (en) | Birefringence distribution measuring method | |
| CN103308224A (en) | Semiconductor material micro-area stress test system | |
| JP2017181259A (en) | Pulse light waveform measurement method and waveform measurement device | |
| US3157727A (en) | Polarimeter | |
| JP2792315B2 (en) | Birefringence measurement device | |
| CA1240174A (en) | Method of and device for real time measurement of the state of polarization of a quasi-monochromatic light beam | |
| RU2240501C2 (en) | Method and device for determining remaining voltages in mono-crystalline materials by polarizing-optical method | |
| EP3382331A1 (en) | A method and device for obtaining a phase shifted shearogram for shearography | |
| CN113533254A (en) | Testing device and testing method for birefringence of optical material | |
| EP0080540A1 (en) | Method and apparatus for measuring quantities which characterize the optical properties of substances | |
| JPH10511468A (en) | Optical correlation gas analyzer | |
| JPH04157344A (en) | Apparatus for automatically measuring glass distortion | |
| JPH0580083A (en) | Method and apparatus for testing integrated circuit | |
| JP3334743B2 (en) | Electric signal measuring device | |
| CN111812032A (en) | Stress measuring instrument for wide-spectrum optical material and element | |
| JPH0663869B2 (en) | Optical sampling waveform measuring device | |
| Brideau et al. | Automated control of optical polarization for nonlinear microscopy | |
| JP3154531B2 (en) | Signal measurement device | |
| US3672772A (en) | Automatic photoelastimeter | |
| JP2011099912A (en) | Microscope device | |
| SU1567988A1 (en) | Apparatus for measuring current and voltage | |
| JPH01320489A (en) | Method and instrument for measuring distance | |
| JP2009085887A (en) | Measuring device and method |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20161018 |