Лазерная автоматизированная станция для бесконтактного измерения внутренних механических напряжений и контроля локальных оптических неоднородностей

Предлагаемая полезная модель для бесконтактного измерения внутренних механических напряжений и контроля локальных оптических неоднородностей относится к области электроники и может быть использована в полупроводниковой промышленности, а также в приборо- и радиостроении.

Заявленное техническое решение направлено на создание высокоскоростной лазерной автоматизированной станции для бесконтактного измерения внутренних механических напряжений и контроля локальных оптических неоднородностей в оптически прозрачных телах в режиме реального времени.

Для решения указанной задачи лазерная автоматизированная станция оснащена платформой, на которой компактно размещены источник оптического излучения, привод сканирования и компоненты оптико-электрической системы. Источник оптического излучения выполнен одномодовым с малой расходимостью. Компоненты оптико-электрической системы конструктивно объединены в блоки: поляризационно-модулирующий блок в составе поляризатора и ячейки Поккельса, драйвер двухполярного переменного напряжения и оптическая головка в составе короткофокусного микрообъектива, анализатора, собирающей линзы и фотоприемника с арсенид-галлиевым фотодиодом. Привод сканирования оснащен двигателями со скоростью движения не менее 10 мм/с, система управления и цифровой обработки оснащена многоканальным аналого-цифровым преобразователем с частотой преобразования не менее 1 МГц, встроенным в управляющий компьютер.

Предлагаемая полезная модель для бесконтактного измерения внутренних механических напряжений и контроля локальных оптических неоднородностей относится к области электроники и может быть использована в полупроводниковой промышленности, а также в приборо- и радиостроении.

Известно устройство (автоматизированный комплекс «Полярон-2») для измерения внутренних напряжений в пластинах GaAs [1]. Известное устройство принято в качестве аналога.

Устройство содержит источник поляризованного монохроматического излучения (He-Ne-лазер модели ЛГ-79-2 с длиной волны 1,15 мкм), механический модулятор, четвертьволновую пластинку, вращающийся анализатор, объектив, фотоприемник, сканатор с электрическим приводом, электронный блок, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и электронно-вычислительную машину (ЭВМ). Исследуемая полупроводниковая пластина помещается между четвертьволновой пластинкой /4 и вращающимся анализатором.

Недостатком данного технического решения является блок-схема, построенная на основе механического модулятора с низким быстродействием, вращающегося анализатора и электронного блока с низкоскоростным АЦП и малопроизводительной ЭВМ. Поэтому известное устройство характеризуется низкой экспрессностью и высокой трудоемкостью процесса измерений (экспрессность определяется скоростью измерений или числом отсчетов в секунду и скоростью сканирования полупроводниковой пластины относительно оси источника излучения).

Другой недостаток известного решения заключается в применении оптической системы с многомодовым источником излучения и длиннофокусным объективом. В дополнение к этому, конструктивно завышен отрезок оптического пути, проходимого лучом до контролируемого объекта и от контролируемого объекта до фотоприемного устройства. В результате данная оптическая система формирует размер пятна фокусировки, а, следовательно, размер анализируемого участка поверхности, в пределах, существенно превышающих ~100 мкм. Столь низкое пространственное разрешение ограничивает возможности известного устройства, т.к. не позволяет выявлять локальные оптические неоднородности с микронными и субмикронными размерами и проводить измерения с высокой плотностью (плотность измерений q, определяемая по минимальному размеру анализируемого участка поверхности как число измерений (или отсчетов) на единицу поверхности, для аналога составляет ~10² измерений/мм²). Использование лазера с длиной волны 1,15 мкм усложняет и ограничивает возможности известного решения при анализе кремниевых материалов, из-за весьма малой прозрачности кремния для этой длины волны.

Наиболее близким к заявленному техническому решению является установка для определения остаточных напряжений в монокристаллических материалах поляризационно-оптическим методом измерением разности фаз монохроматического светового луча [2], принятая в качестве прототипа.

Известная установка содержит источник излучения (He-Ne-лазер модели ЛГ-125), оптико-электрическую систему с модулятором-компенсатором, электрически связанного с генератором и высоковольтным трансформатором, привод сканирования на шаговых двигателях, селективный усилитель, блок электронного управления с платами электропитания, управления приводом сканирования, коммутации, усилителей и фильтров, вычислительное устройство в составе аналого-цифрового преобразователя и персонального компьютера.

Недостатком данного технического решения является усложненная многозвенная блок-схема, построенная на основе модулятора-компенсатора с генератором и высоковольтным трансформатором, формирующих два сигнала, низкочастотный и тестовый сигналы, и содержащая блок электронного управления с платами усилителей и фильтров и коммутации обмоток высоковольтного трансформатора и малопроизводительные аналого-цифровой преобразователь и персональный компьютер (Pentium III). Эта блок-схема ограничена режимом поточечного измерения сигнала с остановкой в каждой точке, что обуславливает низкую экспрессность (~0,5 измерений/с) и высокую трудоемкость (участок поверхности площадью 10 мм² и плотностью измерений q~40 измерений/мм² сканируется за 30 минут).

Другой недостаток заключается в применении многомодового лазера с высокой расходимостью и длиннофокусного объектива, фокусирующего излучение в пятно с размерами более ~100 мкм, что, как и в аналоге, обуславливает низкое пространственное разрешение и не позволяет выявлять локальные оптические неоднородности с микронными и субмикронными размерами, а также проводить измерения с высокой плотностью (например, с q>10³ измерений/мм²). Кроме этого применение лазера с длиной волны 1,15 мкм усложняет конструкцию известного устройства и ограничивает области его применения при анализе кремниевых материалов, коэффициент прозрачности которого на этой длине волны не велик.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в создании высокоскоростной лазерной автоматизированной станции для бесконтактного измерения внутренних механических напряжений и контроля локальных оптических неоднородностей в оптически прозрачных телах в режиме реального времени.

Данная задача достигается за счет того, что лазерная автоматизированная станция включает платформу для компактного размещения источника оптического излучения, привода сканирования и компонентов оптико-электрической системы, конструктивно объединенных в блоки, при этом источник оптического излучения выполнен одномодовым с малой расходимостью, оптико-электрическая система содержит поляризационно-модулирующий блок в составе поляризатора и ячейки Поккельса, драйвер двухполярного переменного напряжения, оптическую головку в составе короткофокусного микрообъектива, анализатора, собирающей линзы и фотоприемника с арсенид-галлиевым фотодиодом, привод сканирования оснащен двигателями со скоростью движения не менее 10 мм/с, система управления и цифровой обработки оснащена многоканальным аналого-цифровым преобразователем с частотой преобразования не менее 1 МГц, встроенным в управляющий компьютер.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является снижение трудоемкости измерений и расширение областей применения станции за счет повышения экспрессности измерений, пространственного разрешения и плотности измерений.

Сущность технического решения поясняется рисунком (фиг.1), на котором показана блок-схема описываемого устройства.

Лазерная автоматизированная станция содержит одномодовый He-Ne-лазер 1 с длиной волны 1,342 мкм и расходимостью менее ~1,5 мрад, оптико-электрическую систему в составе поляризационно-модулирующего блока 3, драйвера 10 и оптической головки 6, двухкоординатный привод сканирования 5 со скоростью перемещения не менее 10 мм/с, фотоприемное устройство 7 с фотоприемником на основе арсенид-галлиевого фотодиода и предусилителем, встроенный многоканальный АЦП 8 с частотой преобразования 1 МГц, управляющий компьютер 9.

Компоненты и устройства оптико-электрической системы, конструктивно объединены в отдельные блоки: поляризационно-модулирующий блок 3 в составе поляризатора и ячейки Поккельса (не показаны на рисунке), драйвер ячейки Поккельса 10 в виде отдельного прибора, оптическая головка 6 в составе короткофокусного микрообъектива, анализатора, фокусирующей линзы и фотоприемника с арсенид-галлиевым фотодиодом (не показаны на рисунке) фотоприемного устройства 7.

Лазер 1 и поляризационно-модулирующий блок 3 размещены на левой стойке платформы 2 (фиг.1). На правой стойке платформы 2 (фиг.1) размещена оптическая головка 6. Оптические оси перечисленных устройств и блоков находятся на одной прямой линии. Между левой и правой стойками платформы 2 расположен привод сканирования 5, на котором закреплен образец 4. Такое расположение оптических устройств и образца позволяет сократить размеры оптического пути лазерного пучка и снизить влияние расходимости излучения на размеры анализируемого участка образца, а также упростить котировочные работы.

Лазерная автоматизированная станция работает следующим образом.

После включения станции электропитание (~220/50 В/Гц) подается на входы лазера 1, привода сканирования 5, фотоприемного устройства 7, АЦП 8, управляющего компьютера 9, драйвера 10. На приводе сканирования 5 закрепляется образец 4. С клавиатуры компьютера открывается управляющая программа, по команде которой запускается лазер 1, привод сканирования 5, драйвер 10, фотоприемное устройство 7. Оптико-электрическая система преобразует исходное частично поляризованное излучение лазера 1 в эллиптически поляризованный луч, модулированный по частоте и амплитуде. Для этого исходный луч направляется в поляризационно-модулирующий блок 3, в котором поляризатор выделяет плоскополяризованную компоненту луча, а при прохождении ячейки Поккельса, с помощью драйвера 10, который подает на ячейку Поккельса двухполярное модулирующее напряжение U_мод в диапазоне от - 1000 В до +1000 В и частотой 10 кГц, луч приобретает эллиптическую поляризацию. Эллиптически поляризованный луч проходит анализируемый образец 4, где за счет внутренних механических напряжений возникает дополнительная разность фаз, изменяющая параметры эллиптически поляризованного луча: происходит пропорциональное механическим напряжениям и толщине образца увеличение или уменьшение компонент вектора эллипсоида поляризации. Луч, прошедший образец 4 поступает в оптическую головку 6, в которой микрообъектив выделяет сечение луча размером ~0,6-5 мкм, анализатор выделяет компоненту, плоскость поляризации которой совпадает с плоскостью поляризации анализатора, а собирающая линза фокусирует луч на поверхность арсенид-галлиевого фотодиода фотоприемного устройства 7. Фотоприемное устройство 7 регистрирует оптический луч в виде электрического сигнала, усиливает его и направляет на один из каналов в АЦП 8 для оцифровки. Одновременно с оцифровкой сигнала с фотоприемника 7, другой канал АЦП 8 проводит оцифровку модулирующего напряжения на драйвере 10. Оба сигнала одновременно обрабатывает и анализирует управляющий компьютер 9 с помощью программных средств. Причем оцифрованный сигнал с фотоприемника 7 компьютер 9 анализирует по экстремальному значению, при достижении которого фиксируется величина модулирующего напряжения U_k на драйвере 10. Величина этого напряжения является основой для проведения расчетов: она подставляется в формулу (1) для расчета разности фаз ₀ и последующего расчета разность главных напряжений по формуле (2).

Формулы для вычислений [3]:

- разность фаз ₀, определяется как

,

где U_k - модулирующее напряжение на драйвере, соответствующее моменту времени, при котором сигнал на фотоприемнике достигает экстремального значения;

U₀ - модулирующее напряжение на драйвере, при котором в отсутствии образца наблюдается разность фаз, характеризующая свойства кристалла ячейки Поккельса;

U_/2 - полу волновое напряжение;

- разность главных напряжений определяется как;

где - длина волны используемого света, 1,342 мкм;

C - фотоупругая постоянная, зависящая от кристаллографической ориентации исследуемого кристалла относительно луча света и, например, для кремния, равная 1,71·10^-6 см ²/кг; h - толщина образца, например, 0,35 мм.

Результаты обработки и расчета для каждой точки измерения в сканируемой области измеряемого образца выводятся на экран монитора в 2D- или 3D-формате. После окончания цикла измерений, полученные результаты сохраняются в памяти компьютера.

Оценки показывают, что при измерениях образца или детали размером 10×10 мм для заданной плотности измерений q=2,5·10³ измерений/мм ² (диаметр фокусного пятна 5 мкм, шаг 20 мкм) и при перемещении привода сканирования с минимальной скоростью, равной 10 мм/с, продолжительность измерений составит ~8,33 минуты, что в 3,6 раза превосходит прототип по времени измерений и в 62,5 раза по плотности измерений.

Таким образом, заявленная установка с предложенной блок - схемой обеспечивает высокоскоростные измерения с пространственным разрешением и высокой плотностью измерений существенно более высокими по сравнению с прототипом, при этом конструкция установки значительно упростилась, а технические возможности возросли.

Источники информации:

1. Автоматизированный комплекс для измерения внутренних напряжений в пластинах GaAs. Оксанич А.П., Притчин С.Э., Краскевич В.Е., Батареев В.В. Складнi системи i процеси. 2, 2006 г. с.40-50., г.Кременчуг, Украина.

2. Патент РФ 2240501 МПК⁷ G01B 90/00. Способ и установка для определения остаточных напряжений в монокристаллических материалах поляризационно-оптическим методом. Бюл. 32. 20.11.2004.

3. Нарасимхамурти Т. Фотоупругие и электрооптические свойства кристаллов. - М.: Мир, 1984, 662 с.

Лазерная автоматизированная станция для бесконтактного измерения внутренних механических напряжений и контроля локальных оптических неоднородностей в оптически прозрачных деталях и полуфабрикатах поляризационно-оптическим методом по разности фаз монохроматического луча, содержащая источник оптического излучения, оптико-электрическую систему, привод сканирования, систему управления и цифровой обработки, характеризующаяся тем, что лазерная автоматизированная станция включает платформу для компактного размещения источника оптического излучения, привода сканирования и компонентов оптико-электрической системы, конструктивно объединенных в блоки, при этом источник оптического излучения выполнен одномодовым с малой расходимостью, оптико-электрическая система содержит поляризационно-модулирующий блок в составе поляризатора и ячейки Поккельса, драйвер двухполярного переменного напряжения, оптическую головку в составе короткофокусного микрообъектива, анализатора, собирающей линзы и фотоприемника с арсенид-галлиевым фотодиодом, привод сканирования оснащен двигателями со скоростью движения не менее 10 мм/с, система управления и цифровой обработки оснащена многоканальным аналого-цифровым преобразователем с частотой преобразования не менее 1 МГц, встроенным в управляющий компьютер.