二次谐波表征光学系统和基于二次谐波表征的检测装置

1.本发明涉及利用材料与激光间非线性光学效应表征领域，尤其涉及一种二次谐波表征光学系统和基于二次谐波表征的检测装置。


背景技术：

2.由于存在高界面敏感性和高空间分辨率等优势，二次谐波(shg)作为一种探测表面层的方法已经广泛应用在半导体晶圆检测领域。其中，shg信号随方位角的变化关系(rotational anisotropy-shg，简称ra-shg，旋转各向异性shg)能够确定样品的晶型和晶向，能够对gan/aln/si结构的不均匀应变进行表征。对于p偏振的入射光，p偏振的ra-shg信号和s偏振的ra-shg信号能分别探测si(100)晶圆的界面和近界面信息。但是，ra-shg信号的获取依赖于样品台的高精度旋转，而样品台的旋转是通过高精度电动旋转台控制的，这种shg表征设备结构复杂、布线困难、成本高昂。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种二次谐波表征光学系统和基于二次谐波表征的检测装置，避免使用高精度旋转的样品台，从而简化设备结构，降低成本。
4.第一方面，本发明提供了一种二次谐波表征光学系统，该二次谐波表征光学系统包括支撑结构、以及用于将待检测样品保持在其上的样品台。还包括入射光路系统和出射光路系统。其中，入射光路系统用于向待检测样品入射基频光的入射光路系统；入射光路系统中包含有起偏器，起偏器能够定轴旋转，以改变基频光的偏振态。基频光入射到待检测样品之后能够产生携带样品缺陷信息的二次谐波信号，且二次谐波信号沿着待检测样品表面反射出的光束方向射出。出射光路系统包含有检偏器和探测器，检偏器能够定轴旋转，以改变二次谐波信号的偏振态，出射光路系统用于将二次谐波信号收集于探测器内。还设置有第一驱动模块和第二驱动模块，第一驱动模块用于驱动起偏器旋转，第二驱动模块用于驱动检偏器旋转。在第i次旋转过程中，起偏器被旋转到ai位置的同时，检偏器被旋转到与ai位置对应的bi位置，以使依赖于ai位置起偏器形成的基频光，经待检测样品产生的二次谐波信号能够收集于探测器内。
5.在上述的方案中，通过使起偏器和检偏器均能够定轴旋转，增加两个驱动模块分别驱动起偏器和检偏器进行多次旋转，且在每次旋转过程中，起偏器被旋转到ai位置以改变基频光的偏振态的同时，检偏器被旋转到与ai位置对应的bi位置，使依赖于ai位置起偏器形成的基频光，经待检测样品产生的二次谐波信号能够收集于探测器内，获得ai位置起偏器对应偏振依赖的二次谐波信号。在检测待检测样品的晶型和晶向时，可以通过多次旋转起偏器的过程中使检偏器配合联动，获取偏振依赖的二次谐波信号的周期，利用偏振依赖的二次谐波信号替代ra-shg信号，直接判断待检测样品的晶向和晶型，保持入射出射偏振配置不变，根据测得偏振依赖的二次谐波信号分析界面及近界面质量。与现有技术依赖于样品台的高精度旋转方式相比，本技术中的方案避免使用高精度旋转的样品台，从而简
化设备结构，降低成本。
6.在一个具体的实施方式中，在起偏器旋转到ai位置时，起偏器的偏振角为αi；在检偏器旋转到bi位置时，检偏器的偏振角为βi，其中，βi＝f(αi)，以保证在每次旋转过程中，入射的基频光与偏振依赖的二次谐波信号的偏振配置匹配，使依赖于ai位置起偏器形成的基频光经待检测样品产生的二次谐波信号能够收集于探测器内。
7.在一个具体的实施方式中，二次谐波表征光学系统还包括与第一驱动模块和第二驱动模块均通信连接的控制器，控制器用于控制起偏器旋转到ai位置的同时，控制检偏器旋转到bi位置，通过控制器进行自动化控制，提高控制精度。
8.在一个具体的实施方式中，控制器控制第一驱动模块以设定步进角度，分n次驱动起偏器累加旋转360
°
，便于获取不同起偏器角度下的二次谐波信号，从而便于获取偏振依赖的二次谐波信号的周期。
9.在一个具体的实施方式中，第一驱动模块和第二驱动模块的每个驱动模块中均包含有步进电机，便于设置驱动模块。
10.在一个具体的实施方式中，支撑结构包括一个圆弧导轨，样品台位于圆弧导轨的中心处。圆弧导轨上滑动装配有入射臂和出射臂，入射光路系统设置在入射臂上，出射光路系统设置在出射臂上。便于设置支撑结构，同时便于改变基频光的入射角度，便于将产生的二次谐波信号全部收集于探测器内。
11.在一个具体的实施方式中，入射光学系统还包括固定在入射臂上的激光器和第一物镜。其中，激光器用于发出原始基频光；起偏器旋转连接在入射臂上，且起偏器与激光器位置相对，以将原始基频光起偏为具有设定偏振态的偏振基频光；第一驱动模块固定在入射臂上。第一物镜与起偏器位置相对，第一物镜用于将偏振基频光聚焦为符合测试要求的基频光，并将基频光入射到待检测样品上。简化入射光路系统的设置。
12.在一个具体的实施方式中，出射光路系统还包括固定在出射臂上的第二物镜和滤光片。其中，第二物镜用于对从待检测样品反射出的光束进行准直；检偏器旋转连接在出射臂上，且检偏器与第二物镜位置相对，以接收从第二物镜发出的光束，并进行检偏，以获得设定偏振态的出射光；第二驱动模块固定在出射臂上。滤光片与检偏器位置相对，滤光片用于滤除出射光中的基频光，获得二次谐波信号。探测器固定在出射臂上与滤光片相对的位置，以接收二次谐波信号。简化出射光路系统的设置。
13.在一个具体的实施方式中，样品台能够带动待检测样品在三个相互垂直的运动轴上运动，便于对待检测样品的不同位置进行检测。
14.第二方面，本发明还提供了一种基于二次谐波表征的检测装置，该检测装置包括上述任意一种二次谐波表征光学系统。通过使起偏器和检偏器均能够定轴旋转，增加两个驱动模块分别驱动起偏器和检偏器进行多次旋转，且在每次旋转过程中，起偏器被旋转到ai位置以改变基频光的偏振态的同时，检偏器被旋转到与ai位置对应的bi位置，使依赖于ai位置起偏器形成的基频光，经待检测样品产生的二次谐波信号能够收集于探测器内，获得ai位置起偏器对应偏振依赖的二次谐波信号。在检测待检测样品的晶型和晶向时，可以通过多次旋转起偏器的过程中使检偏器配合联动，获取偏振依赖的二次谐波信号的周期，利用偏振依赖的二次谐波信号替代ra-shg信号，直接判断待检测样品的晶向和晶型，保持入射出射偏振配置不变，根据测得偏振依赖的二次谐波信号分析界面及近界面质量。与现
有技术依赖于样品台的高精度旋转方式相比，本技术中的方案避免使用高精度旋转的样品台，从而简化设备结构，降低成本。
附图说明
15.图1为本发明实施例提供的一种二次谐波表征光学系统的结构示意图。
16.附图标记：
17.10-支撑结构11-样品台12-待检测样品
18.20-入射臂21-激光器22-起偏器23-第一物镜
19.24-基频光25-第一驱动模块30-出射臂
20.301-二次谐波信号31-探测器32-第二物镜
21.33-检偏器34-滤光片35-第二驱动模块40-控制器
具体实施方式
22.为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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做出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。
23.为了方便理解本发明实施例提供的二次谐波表征光学系统，下面首先说明一下本发明实施例提供的二次谐波表征光学系统的应用场景，该二次谐波表征光学系统应用于基于二次谐波表征进行半导体表面缺陷等参数检测过程中。下面结合附图对该二次谐波表征光学系统进行详细的叙述。
24.参考图1，本发明实施例提供的二次谐波表征光学系统包括支撑结构10、以及用于将待检测样品12保持在其上的样品台11。还包括入射光路系统和出射光路系统。其中，入射光路系统用于向待检测样品12入射基频光24；入射光路系统中包含有起偏器22，起偏器22能够定轴旋转，以改变基频光24的偏振态。基频光24入射到待检测样品12之后能够产生携带样品缺陷信息的二次谐波信号301，且二次谐波信号301沿着待检测样品12表面反射出的光束方向射出。出射光路系统包含有检偏器33和探测器31，检偏器33能够定轴旋转，以改变二次谐波信号301的偏振态，出射光路系统用于将二次谐波信号301收集于探测器31内。还设置有第一驱动模块25和第二驱动模块35，第一驱动模块25用于驱动起偏器22旋转，第二驱动模块35用于驱动检偏器33旋转。在第i次旋转过程中，起偏器22被旋转到ai位置的同时，检偏器33被旋转到与ai位置对应的bi位置，以使依赖于ai位置起偏器22形成的基频光24，经待检测样品12产生的二次谐波信号301能够收集于探测器31内。
25.在上述的方案中，通过使起偏器22和检偏器33均能够定轴旋转，增加两个驱动模块分别驱动起偏器22和检偏器33进行多次旋转，且在每次旋转过程中，起偏器22被旋转到ai位置以改变基频光24的偏振态的同时，检偏器33被旋转到与ai位置对应的bi位置，使依赖于ai位置起偏器22形成的基频光24，经待检测样品12产生的二次谐波信号301能够收集于探测器31内，获得ai位置起偏器22对应偏振依赖的二次谐波信号301。在检测待检测样品12的晶型和晶向时，可以通过多次旋转起偏器22的过程中使检偏器33配合联动，获取偏振依赖的二次谐波信号301的周期，利用偏振依赖的二次谐波信号301替代ra-shg信号，直接
判断待检测样品12的晶向和晶型，保持入射出射偏振配置不变，根据测得偏振依赖的二次谐波信号301分析界面及近界面质量。与现有技术依赖于样品台11的高精度旋转方式相比，本技术中的方案避免使用高精度旋转的样品台11，从而简化设备结构，降低成本。下面结合附图对上述各个结构进行详细的介绍。
26.在设置支撑结构10时，支撑结构10作为设置入射光路系统、出射光路系统以及样品台11的载体，可以采用框架、导轨等具有支撑功能的结构组成。如图1所示出的一种支撑结构10，该支撑结构10包含有一个圆弧导轨。圆弧导轨的导轨延伸方向呈圆弧状。而圆弧导轨的中心处设置有一个样品台11，样品台11用于放置、支撑和固定待检测样品12。该待检测样品12具体可以为晶圆、衬底等样品结构。在设置样品台11时，样品台11可以设置在运动平台上，由运动平台带动样品台11运动，进而带动待检测样品12在三个相互垂直的运动轴上运动，便于对待检测样品12的不同位置进行检测。如图1所示，在圆弧导轨上滑动装配有入射臂20和出射臂30，入射臂20和出射臂30分别作为入射光路系统和出射光路系统的支撑结构10，均能够在圆弧导轨上滑动，且滑动轨迹均为圆弧轨迹，能够始终绕着样品台11滑动。通过采用上述的设置方式，便于设置支撑结构10，同时便于改变基频光24的入射角度，便于将产生的二次谐波信号301全部收集于探测器31内。应当理解的是，支撑结构10的设置方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的设置方式。且入射光路系统和出射光路系统的固定方式也并不限于上述采用入射臂20和出射臂30的方式，除此之外，还可以采用其他的方式。
27.在设置入射光路系统时，如图1所示出的一种入射光路系统，该入射光学系统包括均固定在入射臂20上的激光器21、起偏器22和第一物镜23，且激光器21、起偏器22和第一物镜23在同一传输光路上。其中，激光器21用于发出原始基频光24。起偏器22与激光器21位置相对，起偏器22用于将原始基频光24起偏为具有设定偏振态的偏振基频光24。第一物镜23与起偏器22位置相对，第一物镜23用于将偏振基频光24聚焦为符合测试要求的基频光24，并将基频光24入射到待检测样品12上。通过上述示出的入射光路系统，能够简化入射光路系统的设置。应当理解的是，入射光路系统的设置方式并不限于上述示出的方式，除此之外，还可以采用其他的设置方式。
28.参考图1，在入射光路系统发射出的基频光24入射到待检测样品12之后，能够产生携带样品缺陷信息的二次谐波信号301，二次谐波信号301沿着待检测样品12表面反射出的光束方向射出，能够被收集到出射光路系统中，并进入到出射光路系统中用于接收二次谐波信号301的探测器31中。在设置出射光路系统时，如图1所示出的一种出射光路系统，该出射光路系统除了包含有固定在出射臂30上的探测器31之外，还可以包含有均固定在出射臂30上的第二物镜32、检偏器33、滤光片34，且第二物镜32、检偏器33及滤光片34均位于同一传输光路上。其中的第二物镜32用于对从待检测样品12反射出的光束进行准直。检偏器33与第二物镜32位置相对，用于接收从第二物镜32发出的光束，并进行检偏，以获得设定偏振态的出射光。滤光片34与检偏器33位置相对，用于滤除出射光中的基频光24，获得二次谐波信号301。探测器31固定在出射臂30上与滤光片34相对的位置，以接收二次谐波信号301。通过采用上述示出的出射光路系统，能够简化出射光路系统的设置。应当理解的是，上述仅仅示例性的示出一种出射光路系统，除此之外，还可以采用其他具有探测器31且能够接收二次谐波信号301的出射光路系统。
29.另外，本技术将入射光路系统中的起偏器22设置为能够定轴旋转的结构，以改变基频光24的偏振态。具体的，起偏器22可以通过旋转轴承旋转连接在入射臂20上。参考图1，本技术还增加设置第一驱动模块25，由第一驱动模块25驱动起偏器22旋转。第一驱动模块25可以固定在入射臂20上。在设置第一驱动模块25时，可以采用包含有步进电机的驱动机构作为第一驱动模块25，便于设置第一驱动模块25。应当理解的是，起偏器22及第一驱动模块25的固定方式并不限于上述示出的固定在入射臂20上的方式，除此之外，还可以采用其他的固定方式。且实现起偏器22旋转和第一驱动模块25驱动功能的设置方式也不限于上述示出的方式，除此之外，仍然可以采用其他实现相应功能的设置方式。
30.同样的，本技术还将出射光路系统中检偏器33设置为能够定轴旋转的结构，以配合起偏器22的旋转，来改变二次谐波信号301的偏振态，使依赖于旋转后的起偏器22形成的基频光24，经待检测样品12产生的二次谐波信号301能够收集于探测器31内。具体的，检偏器33同样可以通过旋转轴承旋转连接在出射臂30上。如图1所示，同样可以增加设置第二驱动模块35，由第二驱动模块35驱动检偏器33旋转。具体可以将第二驱动模块35固定在出射臂30上。在设置第二驱动模块35时，可以采用包含有步进电机的驱动机构作为第二驱动模块35，便于设置第二驱动模块35。应当理解的是，检偏器33及第二驱动模块35的固定方式并不限于上述示出的固定在出射臂30上的方式，除此之外，还可以采用其他的固定方式。且实现检偏器33旋转和第二驱动模块35驱动功能的设置方式也不限于上述示出的方式，除此之外，仍然可以采用其他实现相应功能的设置方式。
31.在具体使起偏器22和检偏器33之间进行旋转联动时，可以使起偏器22和检偏器33进行多次的旋转联动操作。在多次旋转联动中的第i次旋转过程中，在起偏器22被旋转到ai位置的同时，检偏器33需要被旋转到与ai位置对应的bi位置，以使依赖于ai位置起偏器22形成的基频光24，经待检测样品12产生的二次谐波信号301能够收集于探测器31内，以获得ai位置起偏器22对应偏振依赖的二次谐波信号301。在检测待检测样品12的晶型和晶向时，可以通过多次旋转起偏器22的过程中使检偏器33配合联动，获取偏振依赖的二次谐波信号301的周期，利用偏振依赖的二次谐波信号301替代ra-shg信号，直接判断待检测样品12的晶向和晶型，保持入射出射偏振配置不变，根据测得偏振依赖的二次谐波信号301分析界面及近界面质量。
32.现有技术依赖于样品台的高精度旋转方式，通过高精度的控制旋转样品台的转动，可以获取ra-shg信号，进一步分析ra-shg信号可以得到样品晶向、晶型、界面质量和应力等信息，而选择不同偏振配置的入射基波和出射ra-shg信号，可以进一步分析样品10界面和近界面的信息。本技术发现ra-shg信号之所以能够反映待检测样品的晶向、晶型等信息，是因为入射光的偏振方向和待检测样品的晶轴方向存在一个相对角度θ，在待检测样品旋转360
°
的过程中，相对角度θ会发生周期性变化，进而导致测得ra-shg信号出现周期性变化。而对于不同的晶向、晶型的待检测样品，相对角度θ变化的周期不同，即不同晶向、晶型样品的ra-shg信号周期不同，所以根据ra-shg信号变化的周期，可以判断样品的晶向和晶型。
33.与现有技术依赖于样品台的高精度旋转方式相比，本技术中的方案避免使用高精度旋转的样品台，即本技术中的样品台11无需具有高精度旋转功能。在固定在样品台11上的待检测样品12的角度固定的前提下，使入射的基频光24的偏振方向旋转360
°
，相对角度θ
也会发生周期性变化，获得的偏振依赖的二次谐波信号301的周期，同样也能够反映待检测样品12的晶向和晶型。在入射的基频光24的偏振方向旋转的过程中，保持出射的二次谐波信号301的出射光与入射的基频光24的偏振配置，与现有技术中入射基波和出射ra-shg信号的偏振配置相同，也能够进一步分析样品10界面和近界面的信息。由于本技术的样品台11无需具有高精度旋转功能，采用一般能够做简单平移的样品台11即可，从而简化设备结构，降低成本。
34.另外，在确定起偏器22和检偏器33之间的旋转位置的旋转联动关系时，可以保证每次旋转联动后的起偏器22和检偏器33的偏振角满足一定的函数关系，从而使依赖于ai位置起偏器22形成的基频光24，经待检测样品12产生的二次谐波信号301能够收集于探测器31内。具体的，在第i次旋转联动过程中，起偏器22旋转到ai位置时，起偏器22的偏振角可以定义为αi。在检偏器33旋转到bi位置时，检偏器33的偏振角为βi。可以使起偏器22的偏振角αi和检偏器33的偏振角βi之间满足如下的函数关系：βi＝f(αi)。其中的f(x)的具体函数式可以通过预先确定，以保证在每次旋转过程中，入射的基频光24与偏振依赖的二次谐波信号301的偏振配置匹配，使依赖于ai位置起偏器22形成的基频光24经待检测样品12产生的二次谐波信号301能够收集于探测器31内。
35.再者，参考图1，还可以增加设置一个控制器40，该控制器40可以集成在上位机、工控机、移动终端等终端设备内。且控制器40与第一驱动模块25和第二驱动模块35均通信连接，以给两个驱动模块发送控制指令。控制器40在控制进行第i次旋转联动的过程中，通过给两个驱动模块发送控制指令，控制起偏器22旋转到ai位置的同时，控制检偏器33旋转到bi位置，通过控制器40进行自动化控制，提高控制精度。
36.控制器40在具体进行多次旋转联动的控制时，控制器40可以控制第一驱动模块25以设定步进角度，分n次驱动起偏器22累加旋转360
°
，便于获取不同起偏器22角度下的二次谐波信号301，从而便于获取偏振依赖的二次谐波信号301的周期。该设定步进角度具体可以为1
°
、2
°
、3
°
、4
°
、5
°
、10
°
等。设定步进角度越小，n的值也就越大，对应的旋转联动次数也就越多，控制精度越高，对应的检测效果也就越好。而设定步进角度越大，n的值也就越小，对应的旋转联动次数也就越少，控制精度越低，对应的检测效果也就越差。需要解释的是，在控制器40通过控制第一驱动模块25每驱动起偏器22旋转一次，需要同时控制第二驱动模块35驱动检偏器33旋转一次，且旋转联动的位置关系满足前述示出的对应关系，保证依赖于旋转后的起偏器22形成的基频光24，经待检测样品12产生的二次谐波信号301能够收集于探测器31内。
37.上述示出的各种实施方式，通过使起偏器22和检偏器33均能够定轴旋转，增加两个驱动模块分别驱动起偏器22和检偏器33进行多次旋转，且在每次旋转过程中，起偏器22被旋转到ai位置以改变基频光24的偏振态的同时，检偏器33被旋转到与ai位置对应的bi位置，使依赖于ai位置起偏器22形成的基频光24，经待检测样品12产生的二次谐波信号301能够收集于探测器31内，获得ai位置起偏器22对应偏振依赖的二次谐波信号301。在检测待检测样品12的晶型和晶向时，可以通过多次旋转起偏器22的过程中使检偏器33配合联动，获取偏振依赖的二次谐波信号301的周期，利用偏振依赖的二次谐波信号301替代ra-shg信号，直接判断待检测样品12的晶向和晶型，保持入射出射偏振配置不变，根据测得偏振依赖的二次谐波信号301分析界面及近界面质量。与现有技术依赖于样品台11的高精度旋转方
式相比，本技术中的方案避免使用高精度旋转的样品台11，从而简化设备结构，降低成本。
38.另外，本发明实施例还提供了一种基于二次谐波表征的检测装置，参考图1，该检测装置包括上述任意一种二次谐波表征光学系统。通过使起偏器22和检偏器33均能够定轴旋转，增加两个驱动模块分别驱动起偏器22和检偏器33进行多次旋转，且在每次旋转过程中，起偏器22被旋转到ai位置以改变基频光24的偏振态的同时，检偏器33被旋转到与ai位置对应的bi位置，使依赖于ai位置起偏器22形成的基频光24，经待检测样品12产生的二次谐波信号301能够收集于探测器31内，获得ai位置起偏器22对应偏振依赖的二次谐波信号301。在检测待检测样品12的晶型和晶向时，可以通过多次旋转起偏器22的过程中使检偏器33配合联动，获取偏振依赖的二次谐波信号301的周期，利用偏振依赖的二次谐波信号301替代ra-shg信号，直接判断待检测样品12的晶向和晶型，保持入射出射偏振配置不变，根据测得shg信号分析界面及近界面质量。与现有技术依赖于样品台11的高精度旋转方式相比，本技术中的方案避免使用高精度旋转的样品台11，从而简化设备结构，降低成本。
39.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。