基于穆勒矩阵的硅片反射光偏振应力检测装置及方法与流程

1.本发明属于半导体晶圆应力检测领域，特别是一种基于穆勒矩阵的硅片反射光偏振应力检测装置及方法。


背景技术：

2.在偏振光应力测量中利用偏振光成像通过提取与物质发生相互作用后的光束的偏振信息来获得物体的偏振特性图像，比单纯的强度成像记录了更多的信息，能够提供关于目标的各种特性，如应力大小分布、应力方向分布、折射率、表面粗糙度等。在光学领域中，描述光波的偏振特性主要依据斯托克斯（stokes）矢量和穆勒（muller）矩阵。斯托克斯矢量是一个四维矢量，可以表述出一束光波的强度和偏振态。当偏振光入射到偏振器件之后，其偏振态会发生改变，而偏振器件的偏振变换特性可以用一个4
×
4的矩阵来描述，称为穆勒矩阵，每一种偏振器对偏振光的变换特性都可用一个穆勒矩阵来表示。
3.然而，测量光学材料晶体应力的大小及分布，通常是研究玻璃应力与双折射光程差之间的关系。但硅晶体具有光学各向同性的性质，当单色光通过其中时，光速与其传播方向和光波的偏振面无关，不会发生双折射现象。当硅片中存在应力时，由于受力部位硅片的密度与晶体结构发生变化，各向同性的硅片在光学上就变成了各向异性体，偏振光进入有应力的硅片时，便会产生应力双折射现象。
4.现有的公开的对于硅应力损伤及残余应力的检测方法中，最常用的主要包括马赫-曾德尔干涉法、红外光弹法。
5.其中马赫-曾德尔干涉法将测量中产生的干涉条纹用高速相机接收，根据激光作用不同时间时干涉条纹的变化量，并结合物理光学的相关知识，以此计算出硅材料整体的形变量。通过硅材料整体的形变量可以得到硅材料各方向的应变，最后由应力与应变关系得到硅材料各方向上的应力。但是该方法在实验中不能十分准确的对硅晶格的三个晶格方向进行标定，以及测量干涉条纹形变量越过条纹的级数时，小数部分为估计值，其测量结果将直接影响实验结果，造成实验误差。
6.红外光弹法是对各种参数的红外光弹图像描绘出等差线和等倾线参数的分布曲线图，进行数据处理与计算后最终定量描述硅中的应力分布。但是该方法过程繁杂、效率低，精度也受到限制。
7.目前公开的硅片应力检测装置中：没有一种利用硅片反射偏振光的偏振图像检测硅片应力偏振信息的装置。


技术实现要素：

8.本发明的目的在于提供一种基于穆勒矩阵的硅片反射光偏振应力检测装置及方法，可以利用偏振信息检测硅片的内部应力大小及分布，操作过程简易、实验精度高、可靠性高。
9.实现本发明的技术解决方案为：一种基于穆勒矩阵的硅片反射光偏振应力检测装
置，包括连续激光器、扩束镜头、第一偏振片、分光镜、1/4波片、二维平移台、第二偏振片、ccd、pc机；共第一光轴依次设置激光头、扩束镜头、第一偏振片、分光镜，分光镜的反射光路为第二光轴，共第二光轴依次设置1/4波片、平移台，平移台上放置有硅片样品，分光镜的透射光路为第三光轴，共第三光轴依次设置第二偏振片、ccd，pc机与ccd电连接；连续激光器输出激光依次经扩束镜头、第一偏振片后转变为线偏振光，并进入分光镜，经分光镜反射入1/4波片变为右旋圆偏振光后，射到位于二维平移台的硅片样品上，二维平移台进行二维方向逐行逐列移动，经硅片样品反射，携带硅片样品的面型信息的光束依次通过1/4波片、分光镜、第二偏振片后，被ccd的靶面接收，得到偏振图像，ccd将采集到的图像传送给pc机进行处理。
10.一种基于穆勒矩阵的硅片反射光偏振应力检测装置的检测方法，包括以下步骤：步骤1：暂不放置1/4波片，调节第一偏振片、第二偏振片角度，使第一偏振片与第二偏振片的透光轴平行，视场为最亮。
11.步骤2：放置1/4波片，旋转1/4波片，使1/4波片的光轴方向与第一偏振片的透光轴成45
°
角，此时经过1/4波片的出射光为圆偏振光。
12.步骤3：调节分光镜，使光束垂直入射到硅片样品。
13.步骤4：利用二维平移台进行矩阵式移动，直至ccd完成对硅片样品的扫描检测。
14.步骤5：ccd获取硅片样品的偏振图像，得到0
°
图像。
15.步骤6：将第二偏振片顺时针旋45
°
角，将二维平移台归位为初始位置。
16.步骤7：重复步骤4、步骤5、步骤6三次，分别得到45
°
图像、90
°
图像、135
°
图像。
17.步骤8：pc机对硅片样品的偏振图像进行处理，得到滤波后相位差图像。
18.本发明与现有技术相比，其显著优点在于：操作过程简单、可靠性高，获取数据时无需人工对测量值进行估计从而影响实验精度，检测时无需对硅片的晶格方向进行标定。
附图说明
19.图1是本发明所述的基于穆勒矩阵的硅片反射光偏振应力检测装置示意图。
具体实施方式
20.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
21.需要说明，本发明实施例中所有方向性指示（诸如上、下、左、右、前、后
……
）仅用于解释在某一特定姿态（如附图所示）下各部件之间的相对位置关系、运动情况等，如果改特定姿态发生改变时，则该方向性指示也相应地随之改变。
22.另外，在本发明中如涉及“第一”、“第二”等的描述仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示其相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明地描述中，“多个”地含义是至少两个，例如两个、三个等，除非另有明确具体地限定。
23.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”、“固定”等应作广义理解，
例如，“固定”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；“连接”可以是机械连接，也可以是电连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
24.另外，本发明各个实施例之间的技术方案可以相互结合，但是必须是以本领域普通技术人员能够实现为基础，当技术方案的结合出现相互矛盾或无法实现时应当认为这种技术方案的结合不存在，也不在本发明要求的保护范围指内。
25.下面将结合本设计实例对具体实施方式、以及本次发明的技术难点、发明点进行进一步介绍。
26.结合图1，本发明所述的一种基于穆勒矩阵的硅片反射光偏振应力检测装置，包括连续激光器1、扩束镜头2、第一偏振片3、分光镜4、1/4波片5、二维平移台6、第二偏振片8、ccd9、pc机10。共第一光轴依次设置激光头1、扩束镜头2、第一偏振片3、分光镜4，分光镜4的反射光路为第二光轴，共第二光轴依次设置1/4波片5、平移台6，平移台6上放置有硅片样品7，分光镜4的透射光路为第三光轴，共第三光轴依次设置第二偏振片8、ccd9，pc机10与ccd9电连接。连续激光器1输出激光依次经扩束镜头2、第一偏振片3后，进入分光镜4，经分光镜4反射入1/4波片5后，射到硅片样品7上。经硅片样品7反射，携带硅片样品7的面型信息的光束依次通过1/4波片5、分光镜4、第二偏振片8后，被ccd9的靶面接收，ccd9将采集到的图像传送给pc机10。
27.连续激光器1为单模激光器，最大输出功率为2w，输出波长为1550nm。光束经扩束镜头2后输出光束，其光斑直径大于8mm。扩束后的光束经过第一偏振片3转变为线偏振光，被调制的线偏振光入射至分光镜4、1/4波片5，经1/4波片5的出射光束转变为右旋圆偏振光，偏振光垂直入射硅片样品7。硅片样品7放置在二维平移台6，二维平移台6进行二维方向逐行逐列移动，经过硅片样品7反射后，反射光依次经过1/4波片5、分光镜4、第二偏振片8、ccd9，由ccd9拍摄偏振图像，获取偏振信息。pc机10负责采集和处理图像数据。
28.本发明所述一种基于穆勒矩阵的硅片反射光偏振应力检测装置的检测方法，包括以下步骤：步骤1：暂不放置1/4波片5，调节第一偏振片3、第二偏振片8角度，使第一偏振片3与第二偏振片8的透光轴平行，视场为最亮。
29.步骤2：放置1/4波片5，旋转1/4波片5，使1/4波片5的光轴方向与第一偏振片3的透光轴成45
°
角，此时经过1/4波片5的出射光为圆偏振光。
30.步骤3：调节分光镜4，使光束垂直入射到硅片样品7。
31.步骤4：利用二维平移台6进行矩阵式移动，直至ccd 9完成对硅片样品7的扫描检测。
32.步骤5：ccd9获取硅片样品7的偏振图像，得到0
°
图像。
33.步骤6：将第二偏振片8顺时针旋45
°
角，将二维平移台6归位为初始位置。
34.步骤7：重复步骤4、步骤5、步骤6三次，分别得到45
°
图像、90
°
图像、135
°
图像。
35.步骤8：pc机10对硅片样品7的偏振图像进行处理，得到滤波后相位差图像，具体如下：步骤8-1：将0
°
图像、45
°
图像、90
°
图像、135
°
图像进行灰度处理，分别得到各图像的灰度数据。
36.步骤8-2：图像的灰度数据分别代表0
°
、45
°
、90
°
、135
°
时偏振图像信息，将它们代入穆勒矩阵进行计算，得到硅片样品7的相位差图像。
37.步骤8-3：对硅片样品7的相位差图像进行中值滤波，获得滤波后相位差图像。
38.步骤8-4：分析滤波后相位差图像，当相位差值越大的区域，则硅片样品7的应力值越大。反之越小。