[發明專利]基于穆勒矩陣的硅片反射光偏振應力檢測裝置及方法

在審

• 申請號: 202111478359.6
• 申請日: 2021-12-06
• 公開（公告）號: CN114252185A
• 公開（公告）日: 2022-03-29
• 發明（設計）人: 陸健;梅金濤;張宏超
• 申請（專利權）人: 南京理工大學
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 南京理工大學專利中心 32203
• 代理人: 朱沉雁

本發明公開了一種基于穆勒矩陣的硅片反射光偏振應力檢測裝置及方法，包括連續激光器、擴束鏡、偏振片、分光鏡1/4波片片、CCD、二維平移臺、PC機組成。所述激光器為1550nm連續激光器，輸出的連續激光先后通過擴束鏡和偏振片進入分光鏡，分光鏡的反射光經過波片后垂直射入樣品，樣品的反射光先后通過波片、分光鏡和偏振片最終進入CCD，CCD拍得樣品偏振圖像并送入PC機，進行灰度處理、穆勒矩陣計算、中值濾波后得到相位差圖像。根據分析濾波后相位差圖像，分析樣品內部的應力情況。

技術領域

本發明屬于半導體晶圓應力檢測領域，特別是一種基于穆勒矩陣的硅片反射光偏振應力檢測裝置及方法。

背景技術

在偏振光應力測量中利用偏振光成像通過提取與物質發生相互作用后的光束的偏振信息來獲得物體的偏振特性圖像，比單純的強度成像記錄了更多的信息，能夠提供關于目標的各種特性，如應力大小分布、應力方向分布、折射率、表面粗糙度等。在光學領域中，描述光波的偏振特性主要依據斯托克斯（Stokes）矢量和穆勒（Muller）矩陣。斯托克斯矢量是一個四維矢量，可以表述出一束光波的強度和偏振態。當偏振光入射到偏振器件之后，其偏振態會發生改變，而偏振器件的偏振變換特性可以用一個4×4的矩陣來描述，稱為穆勒矩陣，每一種偏振器對偏振光的變換特性都可用一個穆勒矩陣來表示。

然而，測量光學材料晶體應力的大小及分布，通常是研究玻璃應力與雙折射光程差之間的關系。但硅晶體具有光學各向同性的性質，當單色光通過其中時，光速與其傳播方向和光波的偏振面無關，不會發生雙折射現象。當硅片中存在應力時，由于受力部位硅片的密度與晶體結構發生變化，各向同性的硅片在光學上就變成了各向異性體，偏振光進入有應力的硅片時，便會產生應力雙折射現象。

現有的公開的對于硅應力損傷及殘余應力的檢測方法中，最常用的主要包括馬赫-曾德爾干涉法、紅外光彈法。

其中馬赫-曾德爾干涉法將測量中產生的干涉條紋用高速相機接收，根據激光作用不同時間時干涉條紋的變化量，并結合物理光學的相關知識，以此計算出硅材料整體的形變量。通過硅材料整體的形變量可以得到硅材料各方向的應變，最后由應力與應變關系得到硅材料各方向上的應力。但是該方法在實驗中不能十分準確的對硅晶格的三個晶格方向進行標定，以及測量干涉條紋形變量越過條紋的級數時，小數部分為估計值，其測量結果將直接影響實驗結果，造成實驗誤差。

紅外光彈法是對各種參數的紅外光彈圖像描繪出等差線和等傾線參數的分布曲線圖，進行數據處理與計算后最終定量描述硅中的應力分布。但是該方法過程繁雜、效率低，精度也受到限制。

目前公開的硅片應力檢測裝置中：沒有一種利用硅片反射偏振光的偏振圖像檢測硅片應力偏振信息的裝置。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于穆勒矩陣的硅片反射光偏振應力檢測裝置及方法，可以利用偏振信息檢測硅片的內部應力大小及分布，操作過程簡易、實驗精度高、可靠性高。

實現本發明的技術解決方案為：一種基于穆勒矩陣的硅片反射光偏振應力檢測裝置，包括連續激光器、擴束鏡頭、第一偏振片、分光鏡、1/4波片、二維平移臺、第二偏振片、CCD、PC機；共第一光軸依次設置激光頭、擴束鏡頭、第一偏振片、分光鏡，分光鏡的反射光路為第二光軸，共第二光軸依次設置1/4波片、平移臺，平移臺上放置有硅片樣品，分光鏡的透射光路為第三光軸，共第三光軸依次設置第二偏振片、CCD，PC機與CCD電連接；連續激光器輸出激光依次經擴束鏡頭、第一偏振片后轉變為線偏振光，并進入分光鏡，經分光鏡反射入1/4波片變為右旋圓偏振光后，射到位于二維平移臺的硅片樣品上，二維平移臺進行二維方向逐行逐列移動，經硅片樣品反射，攜帶硅片樣品的面型信息的光束依次通過1/4波片、分光鏡、第二偏振片后，被CCD的靶面接收，得到偏振圖像，CCD將采集到的圖像傳送給PC機進行處理。

一種基于穆勒矩陣的硅片反射光偏振應力檢測裝置的檢測方法，包括以下步驟：