一种硅片应力的多通道快速扫描检测装置及方法

本发明属于单晶硅材料应力检测领域，具体设计一种硅片应力的多通道快速扫描检测装置及方法。

背景技术：

1、随着激光加工工艺要求的持续提升，在如集成电路产业一类的3c制造业以及光伏产业中，激光加工技术在电子触摸屏模组生产、半导体晶圆的划片与切割、薄膜太阳能电池的加工以及硬脆性材料的打孔和切割等方面展现了巨大的潜力和新的应用前景。而单晶硅凭借其独特的物理特性，如高温耐受性和易掺杂性，已成为这些产业中不可或缺的基础功能材料，如微机电系统(mems)、光伏发电系统等。此外，单晶硅的易掺杂性允许通过添加杂质来调整其电导率，这一特性是制造半导体设备的关键，尤其是在光伏发电和探测器件领域。

2、现有公开的硅片应力检测方法主要分为全破坏检测法、半破坏检测法和无损检测法。

3、全破坏检测法中具有代表性的是轮廓法，首先对待测面进行细致的慢走丝切割处理，过程中释放应力会导致其表面应变发生显著变化。精确收集并分析这些轮廓应变数据并结合有限元，获取整个待测面的残余应力分布情况。其优点是能够准确获取构件内部残余应力分布特征，但缺点是操作复杂，效率低，且会对材料造成不可逆的破坏。

4、半破坏检测法中具有代表性的是钻孔法，通过在待测试样上精确钻取小孔，有效打破其原有的应力平衡状态，然后借助粘贴在孔旁的应变片，测量释放的应变，进而计算出残余应力。其优点是操作简便、计算直观、设备成本低廉，但缺点是受人为因素干扰导致精度下降，对被测材料造成一定程度的破坏。

5、无损检测法中的单1/4波片法通过调整入射光的偏振态和1/4波片的角度测量光的偏振态，拥有高灵敏度、高精度、多功能性和装置简易的优势，但需要高质量的光学元件和精确对准波片取向。

6、目前公开的单晶硅片应力检测装置中，没有一种能使用多通道多点检测，快速扫描硅片样品的高效率应力检测装置。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种硅片应力的多通道快速扫描检测装置及方法，可以快速解决现有的硅片应力检测装置中存在的操作繁杂、精度和效率低的问题，实现硅片应力的多点同时快速扫描与应力检测。

2、实现本发明的技术解决方案为：

3、一种硅片应力的多通道快速扫描检测装置，包括探测激光发射器、扩束准直镜、起偏器、第一分光模块、硅片样品搭载模块、多个分支模块、放大及模数信号转换模块和数据处理模块；每个分支模块包括1/4波片、第二分光模块、检偏器模块和光电探测器模块；待测硅片样品固定在硅片样品搭载模块的旋转及平移步进电机上，从探测激光发射器发出的探测光依次经过扩束准直镜、起偏器和第二分光模块，分为多束平行光垂直入射硅片样品进行多点同时探测，入射每个分支模块的1/4波片后再次经过第二分光模块分为四束平行光，依次进入检偏器模块和光电探测器模块，最后每个分支模块的光电探测器模块输出的电信号由放大及模数信号转换模块统一转换为数字信号后被数据处理模块接收，数据处理模块使用偏振成像算法计算出硅片样品探测点的第一主应力与第二主应力差值。

4、一种硅片应力的多通道快速扫描检测方法，包括以下步骤：

5、步骤1：二维平移及旋转载物台暂不放置硅片样品，先打开探测激光发射器，待出光稳定后旋转起偏器选择使信号稳定且图像清晰的角度为初始角度固定不变；

6、步骤2：调整第一分光模块和第二分光模块的角度，使激光垂直入射并分为多束平行光和四束平行光；

7、步骤3：调整每个1/4波片的角度，使其光轴方向与起偏器的偏振方向成45°角，此时出射1/4波片的光为圆偏振光；

8、步骤4：利用二维平移及旋转步进电机控制器控制硅片样品搭载模块移动，对需检测区域进行扫描；

9、步骤5：光电探测器模块接受光信号，并将电信号传输至放大及模数信号转换模块，转换后的数据传输至数据处理模块；

10、步骤6：数据处理模块对数据进行处理，得到样品扫描点的第一主应力与第二主应力的差值图。

11、与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明结构设计合理，使用方便，利用计算机将光电探测器模块和放大及模数信号转换模块得到的数据信号自动计算得到检测结果，实验数据计算简便，一次计算即可探测多点应力损伤数据，具有硅片应力检测中的多通道快速扫描的优势；本发明可以快速解决现有的硅片应力检测装置中存在的操作繁杂、精度和效率低的问题，实现硅片应力的多点同时快速扫描与应力检测。

技术特征：

1.一种硅片应力的多通道快速扫描检测装置，其特征在于：包括探测激光发射器、扩束准直镜、起偏器、第一分光模块、硅片样品搭载模块、多个分支模块、放大及模数信号转换模块和数据处理模块；每个分支模块包括1/4波片、第二分光模块、检偏器模块和光电探测器模块；待测硅片样品固定在硅片样品搭载模块的旋转及平移步进电机上，从探测激光发射器发出的探测光依次经过扩束准直镜、起偏器和第二分光模块，分为多束平行光垂直入射硅片样品进行多点同时探测，入射每个分支模块的1/4波片后再次经过第二分光模块分为四束平行光，依次进入检偏器模块和光电探测器模块，最后每个分支模块的光电探测器模块输出的电信号由放大及模数信号转换模块统一转换为数字信号后被数据处理模块接收，数据处理模块使用偏振成像算法计算出硅片样品探测点的第一主应力与第二主应力差值。

2.根据权利要求1中所述的硅片应力的多通道快速扫描检测装置，其特征在于：所述探测激光发射器输出波长范围为1060nm～1080nm，输出能量为0～200w连续可调，光板直径5mm。

3.根据权利要求1中所述的硅片应力的多通道快速扫描检测装置，其特征在于：所述第一分光模块、分支模块的第二分光模块互相独立。

4.根据权利要求3中所述的硅片应力的多通道快速扫描检测装置，其特征在于：所述第一分光模块与第二分光模块均采用光学衍射元件doe。

5.根据权利要求1中所述的硅片应力的多通道快速扫描检测装置，其特征在于：所述第二分光模块分为4束平行光，分支模块为4个。

6.根据权利要求5中所述的硅片应力的多通道快速扫描检测装置，其特征在于：所述检偏器模块包括四个不同偏振角度的偏振片，偏振角度分别为0°、45°、90°和135°。

7.根据权利要求1中所述的硅片应力的多通道快速扫描检测装置，其特征在于：每个分支模块的光电探测器模块平行放置。

8.根据权利要求7中所述的硅片应力的多通道快速扫描检测装置，其特征在于：所述光电探测器模块包括二位载物台和四个光电探测器，四个光电探测器固定于二位载物台。

9.根据权利要求1中所述的硅片应力的多通道快速扫描检测装置，其特征在于：所述数据处理模块使用偏振成像算法计算出硅片样品探测点的第一主应力与第二主应力差值具体包括：首先对输入数据灰度化处理和中值滤波处理，随后作为斯托克斯矢量代入穆勒矩阵进行计算，得到四个扫描点的相位延迟量图像，最后使用应力-光学定律进行计算，得到样品扫描点的第一主应力与第二主应力的差值图。

10.一种采用权利要求1-9任一所述的硅片应力的多通道快速扫描检测装置的检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

技术总结本发明公开了一种硅片应力的多通道快速扫描检测装置及方法，该装置包括探测激光发射器、扩束准直镜、起偏器、第一DOE分光模块、硅片样品搭载模块、4个分支模块、放大及模数信号转换模块和和计算机；每个分支模块包括1/4波片、第二DOE分光模块、检偏器模块和光电探测器模块；探测激光发射器发出的探测光，经过扩束准直镜后入射起偏器变为线偏振光，入射第一DOE分光模块后分为多束光同时穿过硅片样品，分别入射1/4波片后变为圆偏振光，再经第二DOE分光模块后被分为四束平行光，被光电探测器模块接收后，经放大及模数信号转换模块后将数据信号传至计算机，使用偏振成像算法对其进行数据处理，最后得到主应力差值图，以此分析硅片样品的损伤情况。本发明结构设计合理，使用方便，具有硅片应力检测中的多通道快速扫描的优势。技术研发人员：陆健,黄泽天,张宏超受保护的技术使用者：南京理工大学技术研发日：技术公布日：2024/9/12