一种双探测器检测硅片亚表面损伤信号的装置

1.本发明涉及半导体材料亚表面损伤的无损检测领域，尤其是一种双探测器检测硅片亚表面损伤信号的装置。


背景技术：

2.目前研磨硅片亚表面损伤检测方法分为有损检测及无损检测两大类。有损检测使用破坏性的装置和方法将亚表面损伤暴露，之后进行观测，主要包括截面显微检测、角度抛光检测、hf化学刻蚀检测、磁流变抛光检测。有损检测装置构造与操作简单，但破坏性检测装置和方法在检测过程中存在如下缺点：破坏性检测过程只针对试样局部位置进行，不能反映试样全局亚表面损伤状态；有损检测过程将材料破坏，造成材料的浪费与成本的提高；有损检测过程中会引入新的亚表面损伤，检测精度低；有损检测步骤繁琐，检测周期长，效率低。
3.无损检测是在不破坏工件的前提下，利用亚表面损伤对光、电等产生的物理反应进行检测，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位检测。硅片亚表面无损检测包括超声检测、光学相干层析检测、激光散射检测等。但大部分无损检测方法易受其它因素的干扰。超声检测在检测过程中由于超声发生和传播过程中的不稳定性以及表面粗糙度的作用而产生检测误差。光学相干检测和激光散射检测都难以避免表面粗糙度对检测精度带来的影响。偏振激光检测方法在检测过程中利用表面散射光与入射激光的偏振状态一致，亚表面损伤散射光与入射光的偏振状态不同的特点，有效排除了表面粗糙度的影响。因此偏振激光散射检测装置在硅片亚表面损伤检测中具有广阔的应用前景。
4.现有公开的偏振激光检测装置可用于分离残余应力和亚表面损伤的检测信号。然而，亚表面损伤形式分为中位裂纹与侧位裂纹，中位裂纹为研磨过程中产生的沿深度方向发展的裂纹，侧位裂纹为横向发展的裂纹，其中中位裂纹是评价加工工艺参数的重要指标。偏振激光检测过程中，侧位裂纹与中位裂纹同时产生散射信号并互相耦合，传统方法单一探测器所获取的信号难以对二者进行准确判断，需要提出一种分离中位裂纹与侧位裂纹耦合信号的偏振激光散射检测装置。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的上述问题，本发明要设计一种可以分离中位裂纹与侧位裂纹耦合信号并准确检测不同形式亚表面损伤的双探测器检测硅片亚表面损伤信号的装置。
6.为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种双探测器检测硅片亚表面损伤信号的装置，包括激光器、偏振片、偏振分光镜组、1/4波片、聚焦物镜、左成像透镜、右成像透镜、针孔片、左探测器、右探测器和信号处理系统；
7.所述的激光器提供检测光源；
8.所述的偏振片放置于激光器的右方，使激光器的出射光变为线偏振光，即检测光束；
9.所述的偏振分光镜组包括上偏振分光镜和下偏振分光镜，下偏振分光镜位于偏振片的前方，用于将经过偏振片的激光反射至待测硅片表面，同时分离经过硅片亚表面损伤散射而改变了原有偏振状态的线偏振光，即损伤散射激光；上偏振分光镜位于下偏振分光镜的上方，用于将下偏振分光镜透过的损伤散射激光传递至上方的1/4波片，以及反射左成像透镜传回的线偏振光至右侧的右成像透镜；
10.所述的聚焦物镜位于下偏振分光镜的下侧，将下偏振分光镜反射的激光束聚焦于硅片表面；
11.所述的1/4波片位于上偏振分光镜的上方，使上偏振分光镜透过的线偏振光转化为椭圆偏振光传递至上方的左成像透镜，同时使左成像透镜透过的椭圆偏振光传递至上偏振分光镜；
12.所述的针孔片位于左成像透镜上方的焦点处；
13.所述的左探测器位于针孔片上方；
14.所述的右成像透镜汇聚经过上偏振分光镜反射的侧位裂纹反射激光；
15.所述的右探测器位于右成像透镜的右方；
16.所述的信号处理系统对信号进行处理，得到硅片亚表面损伤分布情况，所述的信号处理系统包括数据采集卡、计算机、运动控制器和位移平台；
17.所述的数据采集卡接收左探测器和右探测器的输出信号；
18.所述的计算机对数据采集卡采集到的信号进行分析处理；
19.所述的运动控制器接收计算机的指令，控制位移平台运动；
20.所述硅片放置在位移平台上，所述的位移平台带动硅片进行位置变换。
21.进一步地，所述的激光器、偏振片、偏振分光镜组、1/4波片、聚焦物镜、左成像透镜、右成像透镜、针孔片、左探测器和右探测器均固定在支架上。
22.进一步地，所述的激光器、偏振片和下偏振分光镜的中心均位于同一条水平线上；所述的聚焦物镜、下偏振分光镜、上偏振分光镜、1/4波片、针孔片和左成像透镜的中心均位于同一条垂直线上；所述的右成像透镜与上偏振分光镜的中心位于同一条水平线上。
23.与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
24.本发明使用两个探测器，在检测过程中，中位裂纹产生的散射光与聚焦透镜产生共聚焦现象，其信号经过针孔片的针孔被左探测器接收。侧位裂纹产生的散射光由于不在检测光焦点处，不能产生共聚焦现象，不能通过针孔片的针孔，从而被反射回来，被右探测器接收，从而实现了中位裂纹与侧位裂纹信号分离，实现更准确的亚表面损伤检测。
附图说明
25.图1表示本发明的结构示意图。
26.图2表示检测时检测扫描坐标系图。
27.图3表示中位裂纹与侧位裂纹位置及其散射信号产生示意图。
28.图中：1、激光器，2、出射光，3、偏振片，4、检测光束，5、下偏振分光镜，6、聚焦物镜，7、损伤散射激光，8、上偏振分光镜，9、1/4波片，10、左成像透镜，11、针孔片，12、左探测器，13、侧位裂纹反射激光，14、右成像透镜，15、右探测器，16、数据采集卡，17、计算机，18、运动控制器，19、位移平台，20、硅片，21、中位裂纹，22、侧位裂纹，23、中位裂纹散射光，24、侧位
裂纹散射光。
具体实施方式
29.下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-3所示，一种双探测器检测硅片亚表面损伤信号的装置，包括激光器1、偏振片3、偏振分光镜组、1/4波片9、聚焦物镜6、左成像透镜10、右成像透镜14、针孔片11、左探测器12、右探测器15和信号处理系统；
30.所述的激光器1提供检测光源；
31.所述的偏振片3放置于激光器1的前方，使激光器1的出射光2变为线偏振光，即检测光束4；
32.所述的偏振分光镜组包括上偏振分光镜8和下偏振分光镜5，下偏振分光镜5位于偏振片3的右方，用于将经过偏振片3的激光反射至待测硅片20表面，同时分离经过硅片20亚表面损伤散射而改变了原有偏振状态的线偏振光，即损伤散射激光7；上偏振分光镜8位于下偏振分光镜5的上方，用于将下偏振分光镜5透过的损伤散射激光7传递至上方的1/4波片9，以及反射左成像透镜10传回的线偏振光至右侧的右成像透镜14；
33.所述的聚焦物镜6位于下偏振分光镜5的下侧，将下偏振分光镜5反射的激光束聚焦于硅片20表面；
34.所述的1/4波片9位于上偏振分光镜8的上方，使上偏振分光镜8透过的线偏振光转化为椭圆偏振光传递至上方的左成像透镜10，同时使左成像透镜10透过的椭圆偏振光传递至上偏振分光镜8；
35.所述的针孔片11位于左成像透镜10上方的焦点处；
36.所述的左探测器12位于针孔片11上方；
37.所述的右成像透镜14汇聚经过上偏振分光镜8反射的侧位裂纹反射激光13；
38.所述的右探测器15位于右成像透镜14的右方；
39.所述的信号处理系统对信号进行处理，得到硅片20亚表面损伤分布情况，所述的信号处理系统包括数据采集卡16、计算机17、运动控制器18和位移平台19；
40.所述的数据采集卡16接收左探测器12和右探测器15的输出信号；
41.所述的计算机17对数据采集卡16采集到的信号进行分析处理；
42.所述的运动控制器18接收计算机17的指令，控制位移平台19运动；
43.所述硅片20放置在位移平台19上，所述的位移平台19带动硅片20进行位置变换。
44.进一步地，所述的激光器1、偏振片3、偏振分光镜组、1/4波片9、聚焦物镜6、左成像透镜10、右成像透镜14、针孔片11、左探测器12和右探测器15均固定在支架上。
45.进一步地，所述的激光器1、偏振片3和下偏振分光镜5的中心均位于同一条水平线上；所述的聚焦物镜6、下偏振分光镜5、上偏振分光镜8、1/4波片9、针孔片11和左成像透镜10的中心均位于同一条垂直线上；所述的右成像透镜14与上偏振分光镜8的中心位于同一条水平线上。
46.本发明的工作原理如下：
47.本发明采用两个探测器对不同形式的亚表面损伤进行分离化检测，检测时，激光器1的出射光2经过偏振片3变为线偏振的检测光束4，检测光束4经过下偏振分光镜5反射，再由聚焦物镜6聚焦到硅片20上，检测光束4在硅片表面发生表面散射和透射。经过亚表面
损伤散射的光偏振状态与检测光束4的偏振状态不同，经过下偏振分光镜5时，发生透射，经过上偏振分光镜8传至1/4波片9将线偏振光转化为椭圆偏振光，中位裂纹21产生的中位裂纹散射光23在左成像透镜10与聚焦物镜6的共聚焦作用下，经针孔片11被左探测器12接收，侧位裂纹22产生的侧位裂纹散射光24反射回1/4波片9后、再经上偏振分光镜8反射至右成像透镜14由右探测器15接收。左探测器12与右探测器15分别对中位裂纹散射光23与侧位裂纹散射光24进行探测，并由数据采集卡16采集后由计算机17处理。计算机17发出指令给运动控制器18控制位移平台19在空间内沿x轴、y轴和z轴移动，使检测光束4在硅片20上的不同位置进行检测，从而获取硅片20的侧位裂纹损伤信息和中位裂纹损伤信息。
48.本发明的工作方法，包括如下步骤：
49.a、将待测硅片20放置于位移平台19上；
50.b、启动激光器1发射激光，经过偏振片3之后，变为线偏振激光，经过下偏振分光镜5反射，由聚焦物镜6聚焦到待测硅片20上；
51.c、固定激光入射角，使激光垂直入射待测硅片20；
52.d、启动左探测器12与右探测器16探测损伤散射信号；
53.e、使用计算机17控制位移平台19沿x轴、y轴和z轴移动，得到硅片21内部的损伤信息；
54.f、分析处理左探测器12与右探测器16测得的信号，得到待测硅片20的中位裂纹21与侧位裂纹22的亚表面损伤信息。
55.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。