CN118243274A - 一种衬底残余应力的光学无损检测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种衬底残余应力的光学无损检测系统及方法，系统包括光源、调制模块、分光镜、样品台、解调模块、图像采集模块；光源、调制模块和分光镜沿着直线A依次布置，分光镜、解调模块和图像采集模块沿着直线B依次布置，直线A垂直于直线B，样品台与分光镜的连线同时垂直于直线A和直线B。测量时，光源发出的激光经过调制模块、分光镜、待测材料和解调模块后到达图像采集模块，被采集形成一系列干涉图像，通过光强信号、光学元器件参数与等倾角和相位差的关系，计算出衬底残余应力的方向和大小。本发明通过垂直入射式反射光弹光路检测系统，改进现有的反射式光弹系统因小角度入射引起的系统误差，实现衬底残余应力的高精度检测。
Description
技术领域
本发明涉及光学检测技术领域，尤其涉及一种衬底残余应力的光学无损检测系统及方法。
背景技术
目前实现衬底残余应力光学无损检测的常用方法大致有Stoney曲率法、拉曼光谱法、X射线衍射法和光弹性法等。
Stoney曲率法通过测量衬底镀膜前后的曲率变化，结合曲率与残余应力之间的力学模型间接测量得到衬底的整体应力分布，一般适用于衬底加单层镀膜的结构，并且对于局部应力和小尺寸件精度有所折损。拉曼光谱法通过测量样品在残余应力影响下的拉曼光谱峰值的移动来推断样品残余应力的分布情况，可以实现对样品单点应力的在线监测，该方法空间分辨率较高，但需逐点扫描，检测时间长，且对温度反应敏感，穿透深度最多只有10微米。X射线衍射法精度高，速度快，在残余应力测量，物相分析等领域被广泛使用，但穿透深度不高。光弹性法利用衬底的光弹效应获得干涉图像，并通过相移技术得到因应力引起的相位差分布图和主应力方向分布图。其中光弹效应是指一束光入射到具有双折射效应的光弹模型中各自产生两束偏振光，其中不同偏振态的两束光经由模型上表面同一点出射并在检偏镜产生干涉的现象。而相移法是指通过旋转光学系统中某些光学元件的角度，获得若干张含不同相位差的干涉图像，从而通过方程组获得等倾线相位和等差线相位的技术。在传统反射光弹系统中采用了小角度入射的形式，目前现行的国家标准GB/T 30020-2023更是采用了45度入射角检测玻璃缺陷。所述反射光弹系统中，当入射角度不为0时会导致入射到材料表面的圆偏振光发生相位延迟从而变成椭圆偏振光；并且小角度入射会引起薄膜干涉从而造成误差影响检测精度。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术中反射式光弹系统会因小角度入射带来误差的问题。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种衬底残余应力的光学无损检测系统，包括光源、调制模块、分光镜、样品台、解调模块和图像采集模块；
光源、调制模块和分光镜沿着直线A依次布置，分光镜、解调模块和图像采集模块沿着直线B依次布置，直线A垂直于直线B，样品台与分光镜的连线同时垂直于直线A和直线B；光源发出的激光经过调制模块和分光镜后到达放置于样品台的待测材料，待测材料反射光经过分光镜和解调模块后到达图像采集模块，被采集形成光弹图像。
优选的，所述调制模块包括第一线偏振片和第一波片，光源、第一线偏振片、第一波片和分光镜沿着直线A依次布置。
优选的，所述解调模块包括有第二波片和第二线偏振片，分光镜、第二波片、第二线偏振片和图像采集模块沿着直线B依次布置。
优选的，第一波片和第二波片均为1/4波片
优选的，图像采集模块包括一个相机和一个配套镜头，所述相机采用CCD相机或CMOS相机。
本发明还提供一种衬底残余应力的光学无损检测方法，基于以上任一所述的光学无损检测系统，包括以下步骤：
布置光学无损检测系统，将待测材料放置于样品台；
光源发射激光，激光到达待测材料并反射到图像采集模块形成光弹图像；
从光弹图像中提取相位差和等倾角；
根据相位差和等倾角计算主应力差的大小和主应力方向。
优选的，所述布置检测系统，具体为：
所述调制模块包括第一线偏振片和第一波片，光源、第一线偏振片、第一波片和分光镜沿着直线A依次布置；
所述解调模块包括有第二波片和第二线偏振片，分光镜、第二波片、第二线偏振片和图像采集模块沿着直线B依次布置，设置第一线偏振片的起偏角度α和第一波片的快轴角度ζ，第一波片的快轴角度ζ为第一波片的快轴与参考轴的夹角，所述参考轴垂直于检测光传播方向并平行于桌面；
设置第二线偏振片的检偏角度β初始值和第二波片的快轴角度γ初始值，第二波片的快轴角度γ为第二波片的快轴与参考轴的夹角；
设置第二线偏振片和第二波片的旋转速度。
优选的，所述激光到达待测材料并反射到图像采集模块形成光弹图像，具体为：图像采集模块在一定时间内连续采集光弹图像，形成光弹图像序列。
优选的，所述从光弹图像中提取相位差和等倾角，具体为：
采集六张光弹图像，对每一张光弹图像提取光强信号，得出关于光强信号与相位差δ和等倾角θ的关系如下:
其中，Ii表示第i张图像的光强。
优选的，所述根据相位差和等倾角计算残余应力主应力，包括：
通过应力圆模型将等倾角转换为主应力方向；通过应力-光学定理将相位差转换为主应力差，表示为：
其中，d为待测材料厚度；(c1-c2)为应力光学常数，由待测材料决定；Δ表示光程差，δ表示相位差，λ为光源所发射的激光波长。本发明具有如下有益效果：
(1)采用垂直入射、反射的光弹光路，避免了现有反射式光弹系统因小角度入射引起的系统误差，实现衬底残余应力的高精度检测；
(2)本发明提出的垂直入射式反射光弹系统可以避免其他测试系统带来的负面影响，对于待测材料不具有损伤性，能够全场表征材料应力分布情况，特别适用于半导体衬底的应力测试。
以下结合附图及实施例对本发明作进一步详细说明，但本发明不局限于实施例。
附图说明
图1为本发明实施例的系统结构图；
图2为本发明实施例的方法步骤图。
具体实施方式
参见图1所示，为本发明实施例的系统结构图，包括：包括光源、调制模块、分光镜、样品台、解调模块、图像采集模块，其中，样品台用于放置待测材料；光源、调制模块和分光镜沿着直线A依次布置，分光镜、解调模块和图像采集模块沿着直线B依次布置，直线A垂直于直线B，样品台与分光镜的连线同时垂直于直线A和直线B；光源发出的激光经过调制模块、分光镜、待测材料和解调模块后到达图像采集模块，被采集形成光弹图像。
具体的，调制模块包括起偏器P和第一1/4波片QP，光源发射的激光先透过起偏器P线偏振光，再经过第一1/4波片QO得到圆偏振光，所述圆偏振光即为调制后光线，用来测量待测样品的衬底残余应力。
具体的，解调模块包括第二1/4波片QA和检偏器A；调制后光线到达待测材料后反射并通过分光镜B后进入解调模块，具体为先透过第二1/4波片QA，还原调制模块中第一1/4波片QP引入的90°相位差，再通过检偏器A完成解调功能，得到解调后光线。
具体的，图像采集模块包括相机和配套镜头，本实施例采用CCD相机；解调后光线经过配套镜头扩大视场后被CCD相机采集到光弹图像。
参见图2所示，为本发明实施例的方法步骤图，包括以下步骤：
具体的，S202所述图像采集模块采集光弹图像，本实施例以所述第二1/4波片QA和检偏S201，布置检测系统，将待测材料放置于样品台；
S202，光源发射激光，激光到达待测材料并反射到图像采集模块形成光弹图像；
S203，从光弹图像中提取相位差和等倾角；
S204，根据相位差和等倾角计算主应力差大小和主应力方向。
具体的，S201所述布置检测系统包括将起偏器P起偏角度α设定为90度，第一1/4波片QP快轴与参考轴之间的夹角ζ设定为45度，衬底因应力产生的光轴与参考轴之间的夹角θ，第二1/4波片QA快轴与参考轴之间的夹角γ设定初始值为0度，检偏器A检偏角度β设定初始值为0度。按照常速率比-0.5旋转所述第二1/4波片QA和检偏镜A，即所述第二1/4波片QA和检偏镜A分别按照常量-π/12(弧度/帧)和π/6(弧度/帧)旋转，则所述相机能够记录一系列随时间变化的干涉图像。此时相机输出的光强信号是在曝光时间内对所述瞬时光强有关所述检偏镜旋转角度的积分，所述积分的上下限为曝光时间内所述检偏镜的初始角度和终止角度。
镜A共旋转2π为一个采集周期，则所述相机在一个采集周期内需收集6张图像，每个图像都有各自的输出光强等式。
具体的，S203中根据光强信号、第一线偏振片的起偏角度α、第一波片的快轴角度ζ、第二线偏振片的检偏角度β和第二波片的快轴角度γ，得出关于光强信号与相位差和等倾角的方程式，其中，每一张光弹图像所对应的第二线偏振片检偏角度β和第二波片快轴角度γ根据初始设置的第二线偏振片的检偏角度β初始值、第二波片的快轴角度γ初始值、第二线偏振片旋转速度、第二波片旋转速度以及该光弹图像采集时刻计算得出。则其中的未知数仅为待测材料因应力引起的相位差和干涉图像等倾角，将光弹图像序列的所有光弹图像对应的光强等式组成超定方程组，并带入已知参数，最终获得方程组表示为
其中，Ii表示第i张图像的光强，Ia表示经过起偏器后的光强，Ib表示环境光强，δ表示待测材料应力引起的相位差，θ表示等倾角。
通过该方程组可以解得所述待测材料因应力引起的相位差和干涉图像等倾角与所述一个采集周期内6张图像的输出光强之间的关系如下:
具体的，S204中，等倾角θ可通过应力圆模型转换为待测材料残余应力主应力方向，所述相位差δ可以通过应力-光学定理转换为所述待测材料主应力差。
具体的，通过应力-光学定理将相位差转换为主应力差，表示为：
其中，d为待测材料厚度；(c1-c2)为应力光学常数，由待测材料决定；Δ表示光程差，δ表示相位差，λ为光源所发射的激光波长。
由此可得到所述待测材料的主应力差分布和主应力方向分布。
可见，本发明的垂直入射式反射光弹光路检测系统，可以改进现有的反射式光弹系统因小角度入射引起的系统误差，实现衬底残余应力的高精度检测。
以上仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种衬底残余应力的光学无损检测系统，其特征在于，包括光源、调制模块、分光镜、样品台、解调模块和图像采集模块；
光源、调制模块和分光镜沿着直线A依次布置，分光镜、解调模块和图像采集模块沿着直线B依次布置，直线A垂直于直线B，样品台与分光镜的连线同时垂直于直线A和直线B；光源发出的激光经过调制模块和分光镜后到达放置于样品台的待测材料，待测材料反射光经过分光镜和解调模块后到达图像采集模块，被采集形成光弹图像。
2.根据权利要求1所述的衬底残余应力的光学无损检测系统，其特征在于，所述调制模块包括第一线偏振片和第一波片，光源、第一线偏振片、第一波片和分光镜沿着直线A依次布置。
3.根据权利要求2所述的衬底残余应力的光学无损检测系统，其特征在于，所述解调模块包括有第二波片和第二线偏振片，分光镜、第二波片、第二线偏振片和图像采集模块沿着直线B依次布置。
4.根据权利要求3所述的衬底残余应力的光学无损检测系统，其特征在于，第一波片和第二波片均为1/4波片。
5.根据权利要求1所述的衬底残余应力的光学无损检测系统，其特征在于，图像采集模块包括一个相机和一个配套镜头，所述相机采用CCD相机或CMOS相机。
6.一种衬底残余应力的光学无损检测方法，采用权利要求1至5任一所述的光学无损检测系统，其特征在于，包括以下步骤：
布置光学无损检测系统，将待测材料放置于样品台；
光源发射激光，激光到达待测材料并反射到图像采集模块形成光弹图像；
从光弹图像中提取相位差和等倾角；
根据相位差和等倾角计算主应力差的大小和主应力方向。
7.根据权利要求6所述的衬底残余应力的光学无损检测方法，其特征在于，所述布置检测系统，具体为：
所述调制模块包括第一线偏振片和第一波片，光源、第一线偏振片、第一波片和分光镜沿着直线A依次布置；
所述解调模块包括有第二波片和第二线偏振片，分光镜、第二波片、第二线偏振片和图像采集模块沿着直线B依次布置，设置第一线偏振片的起偏角度α和第一波片的快轴角度ζ，第一波片的快轴角度ζ为第一波片的快轴与参考轴的夹角，所述参考轴垂直于检测光传播方向并平行于桌面；
设置第二线偏振片的检偏角度β初始值和第二波片的快轴角度γ初始值，第二波片的快轴角度γ为第二波片的快轴与参考轴的夹角；
设置第二线偏振片和第二波片的旋转速度。
8.根据权利要求7所述的衬底残余应力的光学无损检测方法，其特征在于，所述激光到达待测材料并反射到图像采集模块形成光弹图像，具体为：图像采集模块在一定时间内连续采集光弹图像，形成光弹图像序列。
9.根据权利要求8所述的衬底残余应力的光学无损检测方法，其特征在于，所述从光弹图像中提取相位差和等倾角，具体为：
采集六张光弹图像，对每一张光弹图像提取光强信号，得出关于光强信号与相位差δ和等倾角θ的关系如下:
其中，Ii表示第i张图像的光强。
10.根据权利要求8所述的衬底残余应力的光学无损检测方法，其特征在于，所述根据相位差和等倾角计算残余应力主应力，包括：
通过应力圆模型将等倾角转换为主应力方向；通过应力-光学定理将相位差转换为主应力差，表示为：
其中，d为待测材料厚度；(c1-c2)为应力光学常数，由待测材料决定；Δ表示光程差，δ表示相位差，λ为光源所发射的激光波长。
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Cited By (1)
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|---|---|---|---|---|
| CN118408952A (zh) * | 2024-07-01 | 2024-07-30 | 高视科技(苏州)股份有限公司 | 用于硅基衬底模组边缘检测的检测装置及其系统和方法 |
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- 2024-04-30 CN CN202410536212.5A patent/CN118243274A/zh active Pending
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