面内各向异性晶体晶轴定向方法及设备

摘要

本公开提供一种面内各向异性晶体材料晶轴定向方法及设备，包括：步骤A：在被测晶体的被测表面上设置基准方位线；步骤B：利用偏振光照射被测晶体的被测表面并接收反射光；步骤C：改变偏振光的偏振角度，利用不同偏振角度下的反射光强度计算不同偏振角度下的反射差分信号强度；步骤D：利用曲线对不同偏振角度下的反射差分信号强度进行拟合；以及步骤E：根据拟合曲线得出晶轴方向与基准方位线之间的夹角。本公开提供的面内各向异性晶体晶轴定向方法及设备将光学反射差分技术用于晶轴方向的确定，能够有效缓解现有技术中的晶轴定向方法测试流程复杂，精度低，使用条件严格的技术问题。

说明书

技术领域

本公开涉及表面光学表征技术领域，尤其涉及一种面内各向异性晶体晶轴定向方法及设备。

背景技术

基于晶体结构具有空间排列上的三维周期性，每个晶体品种都能为它自身提供一套天然合理的包含三个晶轴的晶轴系。由于晶体的各向异性，即晶体沿不同晶向的物理性质各不相同，因此晶轴方向的确定是晶体加工和半导体器件制作过程中的一项重要的工作。

晶体定向方法分为两大类，机械法和光学法。机械法通常对晶体有较大的破坏性，因此现有技术中一般采用光学方法测量晶轴方向。现有技术中测量晶轴方向的光学方法主要包括：测角法、蚀象法、光象法、偏振显微法和x射线法等。

然而，本申请发明人在实现本公开的过程中发现，现有技术的光学测量方法通常存在着测试流程复杂，精度低，适用条件严格等缺点。

发明内容

(一)要解决的技术问题

基于上述技术问题，本公开提供一种面内各向异性晶体晶轴定向方法及设备，以缓解现有技术中的晶轴定向方法精度低，使用条件严格的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供一种面内各向异性晶体晶轴定向方法，包括：步骤A：在被测晶体的被测表面上设置基准方位线；步骤B：利用偏振光照射被测晶体的被测表面并接收反射光；步骤C：改变偏振光的偏振角度，利用不同偏振角度下的反射光强度计算不同偏振角度下的反射差分信号强度；步骤D：利用曲线对不同偏振角度下的反射差分信号强度进行拟合；以及步骤E：根据拟合曲线得出晶轴方向与基准方位线之间的夹角。

在本公开的一些实施例中，所述步骤C包括：步骤C1：推导反射光强度与反射差分信号强度的解算关系；以及步骤C2：改变偏振光的偏振角度，根据反射光强度与反射差分信号强度的解算关系，计算不同偏振角度下的反射差分信号强度。

在本公开的一些实施例中，所述步骤C1包括：通过设置光路结构，使反射光强度与偏振光的相位延迟满足如下关系：

I＝I₀(1+cos²δ+2Ncosδ-Csin²δ)

其中，I表示反射光强度，I0表示背景光强，δ表示偏振光的相位被调制的程度，Φ和Δ是被测晶体的椭偏参数；通过改变偏振光的相位被调制的程度δ，求出N和C的值，并带入如下关系式，得出反射差分信号强度：

其中，定义为反射差分信号强度，Δr是晶体表面两个正交轴(x，y)方向上的复反射系数的差值，r是这两个复反射系数的平均值，i表示虚数单位。

在本公开的一些实施例中，其中，通过改变偏振光的相位调制的程度δ，求出N和C的值包括：步骤100：获取M个相位调制程度δ₁…δ_n，M≥3；以及

步骤200：使用最小二乘法求解如下超定方程式：

其中，I₁I₂…I_n分别为相位调制程度为δ₁δ₂…δ_n时所对应的反射光光强。

在本公开的一些实施例中，其中：所述步骤D包括：将不同偏振角度下的反射差分信号强度按照如下曲线进行拟合：

其中，S(θ)为偏振角θ下的反射差分信号强度，为拟合曲线的振幅；所述步骤E包括：求得拟合曲线中的θ₀即为晶轴方向与基准方位线的夹角。

根据本公开的另一个方面，还提供一种晶轴定向设备，包括：光源，用于发射准直单色光；光束处理装置，与所述光源连接，用于将所述光源发出的光束调制为不同偏振角度的偏振光，改变所述偏振光的相位延迟，并接收照射在被测晶体上并反射的光束；以及光束接收装置，沿反射光路设置在所述光束处理装置的下游，用于接收经过所述光束处理装置的反射光束，并执行如下操作：步骤a：利用反射光强度推算不同偏振角度下的反射差分信号强度；步骤b：利用曲线对不同偏振角度下的反射差分信号强度进行拟合；以及步骤c：根据拟合曲线得出晶轴的方向。

在本公开的一些实施例中，其中：出射光路和反射光路部分重合，所述光束接收装置沿反射光路设置在所述光束处理装置的下游；所述晶轴定向设备还包括：分束器，设置在所述光源的出射光路和所述反射光路的分界点，用于改变出射光束的方向；其中：所述出射光路中：光束从所述光源发出，依次通过所述分束器和所述光束处理装置到达被测晶体表面；所述反射光路中：光束从所述被测晶体表面发出，依次通过所述光束处理装置和所述分束器到达所述光束接收装置。

在本公开的一些实施例中，所述光束处理装置包括：线性偏振器，沿所述光源的出射光路设置，用于将所述光源发出的光束调制为线性偏振光；液晶相位延迟器，沿所述光源的出射光路设置在所述线性偏振器下游，与所述线性偏振器在被测晶体表面上的投影呈45°夹角，用于改变偏振光的相位延迟；以及旋转台，与所述线性偏振器和所述液晶相位延迟器连接，用于驱动所述线性偏振器和所述液晶相位延迟器以所述光源的出射光路为轴线转动。

在本公开的一些实施例中，还包括：物镜，沿所述光源的出射光路设置在所述光束处理装置和所述被测晶体之间，用于寻找被测晶体和辅助接收反射光束；其中，所述物镜的放大倍数不大于五倍，所述物镜的数值孔径不大于0.15。

在本公开的一些实施例中，所述光束接收装置包括：CCD相机或CMOS感光元件。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本公开提供的面内各向异性晶体晶轴定向方法及设备具有以下有益效果其中之一或其中一部分：

(1)将反射差分技术用于晶轴方向的确定，不仅在传统的体状态各向异性晶体晶轴方向的测定上效果显著，而且在新兴的二维各向异性材料晶轴方向的确定中同样适用；

(2)使用曲线拟合的方法来确定晶轴方向，而不是通过寻找极值来判断波峰波谷的位置，保证在测试点较少的情况下也具有足够的精度；

(3)使用光学的方法对晶轴方向进行检测，测量过程中设备与被测晶体没有机械接触，对晶体表面没有损伤；

(4)通过最小二乘法求解超定方程组的方式得到未知数N、C的值，能够有效减小误差，实现测量结果的优化；

(5)出射光路和入射光路部分重合，实现光路优化设计，能够有效减小设备的整体体积；

(6)测量过程中，通过旋转台能够得到被测晶体表面上0°-360°各个偏振角度上的反射差分信号，通过选择步进角度的大小，可以从测量速度和测量的精度这两个方面进行选择和权衡。

附图说明

图1为本公开实施例面内各向异性晶体晶轴定向方法的步骤示意图。

图2为本公开实施例提供的面内各向异性晶体晶轴定向方法中拟合曲线示意图。

图3为本公开实施例提供的晶轴定向设备的结构示意图。

图4为本公开实施例提供的晶轴定向设备中线性偏振器和液晶相位延迟器在被测晶体表面的投影示意图。

【附图中本公开实施例主要元件符号说明】

10-被测晶体；20-光源； 30-光束处理装置；

40-光束接收装置；50-分束器； 60-物镜；

11-基准方位线；31-线性偏振器； 32-液晶相位延迟器。

具体实施方式

本公开实施例提供的面内各向异性晶体晶轴定向方法及设备中，将反射差分技术用于晶轴方向的确定，不仅提高了测量的准确性，并且还提高了本方法的适用范围。

为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。

图1为本公开实施例面内各向异性晶体晶轴定向方法的步骤示意图。图2为本公开实施例提供的面内各向异性晶体晶轴定向方法中拟合曲线示意图。

根据本公开的一个方面，提供一种晶轴定向方法，如图1-图2所示，包括：步骤A：在被测晶体10的被测表面上设置基准方位线11；步骤B：利用偏振光照射被测晶体的被测表面并接收反射光；步骤C：改变偏振光的偏振角度，利用不同偏振角度下的反射光强度计算不同偏振角度下的反射差分信号强度；步骤D：利用曲线对不同偏振角度下的反射差分信号强度进行拟合；以及步骤E：根据拟合曲线得出晶轴方向与基准方位线之间的夹角。

本公开提供的晶轴定向方法将反射差分技术用于晶轴方向的确定，不仅在传统的体状态各向异性晶体晶轴方向的测定上效果显著，而且在新兴的二维各向异性材料晶轴方向的确定中同样适用；使用曲线拟合的方法来确定晶轴方向，而不是通过寻找极值来判断波峰波谷的位置，保证在测试点较少的情况下也具有足够的精度；使用光学的方法对晶轴方向进行检测，测量过程中设备与被测晶体没有机械接触，对晶体表面没有损伤。

在本公开的一些实施例中，步骤C包括：步骤C1：推导反射光强度与反射差分信号强度的解算关系；以及步骤C2：改变偏振光的偏振角度，根据反射光强度与反射差分信号强度的解算关系，计算不同偏振角度下的反射差分信号强度。

在本公开的一些实施例中，步骤C1包括：通过设置光路结构，使光束从光源发出后，依次经过线性偏振器31-液晶相位延迟器32照射到被测晶体10的被测表面上，再使反射光线依次通过液晶相位延迟器32-线性偏振器31后被光束接收装置40接收，并且保证线性偏振器31和液晶相位延迟器32在被测晶体10的被测表面上的投影的夹角为45°，使反射光强度与偏振光的相位延迟满足如下关系：

I＝I₀(1+cos²δ+2Ncosδ-Csin²δ)

其中，I表示反射光强度，I₀表示背景光强，δ表示偏振光的相位被调制的程度，Φ和Δ是被测晶体的椭偏参数；通过改变偏振光的相位被调制的程度δ，求出N和C的值，并带入如下关系式，得出反射差分信号强度：

其中，定义为反射差分信号强度，Δr是晶体表面两个正交轴(x，y)方向上的复反射系数的差值，r是这两个复反射系数的平均值，i表示虚数单位。

在本公开的一些实施例中，其中，通过改变偏振光的相位调制程度δ，求出N和C的值包括：步骤100：通过改变加在液晶相位延迟器的电压获取M个相位调制程度δ₁…δ_n，M≥3；以及步骤200：使用最小二乘法求解如下超定方程式：

其中，I₁I₂…I_n分别为液晶相位延迟器的相位调制程度为δ₁δ₂…δ_n时所对应的反射光光强，通过最小二乘法求解超定方程组的方式得到未知数N、C的值，能够有效减小误差，实现测量结果的优化。

在本公开的一些实施例中，如图2所示，其中：步骤D包括：将不同偏振角度下的反射差分信号强度按照如下曲线进行拟合：

其中，S(θ)为偏振角θ下的反射差分信号强度(此处S(θ)仅选取反射差分信号的实部)，ΔR/R为拟合曲线的振幅；步骤E包括：求得拟合曲线中的θ₀即为晶轴方向与基准方位线11的夹角。

图3为本公开实施例提供的晶轴定向设备的结构示意图。

根据本公开的另一个方面，如图3所示，还提供一种晶轴定向设备，包括：光源20，用于发射准直单色光；光束处理装置30，与光源20连接，用于将所述光源发出的光束调制为不同偏振角度的偏振光，改变偏振光的相位延迟，并接收照射在被测晶体上并反射的光束；以及光束接收装置40，沿反射光路设置在所述光束处理装置的下游，用于接收经过光束处理装置30的反射光束，并执行如下操作：步骤a：利用反射光强度推算不同偏振角度下的反射差分信号强度；步骤b：利用曲线对不同偏振角度下的反射差分信号强度进行拟合；以及步骤c：根据拟合曲线得出晶轴的方向。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，其中：出射光路和反射光路部分重合，光束接收装置40沿反射光路设置在光束处理装置30的下游。

晶轴定向设备还包括：分束器50，设置在光源20的出射光路和反射光路的分界点，用于改变出射光束的方向；

其中，如图3所示：

出射光路中：光束从光源20发出，依次通过分束器50和光束处理装置30到达被测晶体10表面；

反射光路中：光束从被测晶体10表面发出，依次通过光束处理装置30和分束器50到达光束接收装置40，出射光路和入射光路部分重合，实现光路优化设计，能够有效减小设备的整体体积。

在本公开的一些实施例中，如图3-图4所示，光束处理装置30包括：线性偏振器31、液晶相位延迟器32以及旋转台。

线性偏振器31，沿光源20的出射光路设置，用于将所述光源发出的光束调制为线性偏振光。

液晶相位延迟器32，沿光源20的出射光路设置在所述线性偏振器下游，与线性偏振器31在被测晶体10表面上的投影呈45°夹角，通过改变加载在液晶相位延迟器32上的电压，能够改变液晶相位延迟器32的相位延迟，进而改变通过液晶相位延迟器32的偏振光的相位延迟。

旋转台，与线性偏振器31和液晶相位延迟器32连接，用于驱动线性偏振器31和液晶相位延迟器32以光源20的出射光路为轴线转动。

在本公开的一些实施例中，如图3所示，还包括：物镜60，沿光源20的出射光路设置在光束处理装置30和被测晶体10之间，用于寻找被测晶体10和辅助接收反射光束；其中，物镜60的放大倍数不大于五倍，物镜60的数值孔径不大于0.15。

在本公开的一些实施例中，光束接收装置40包括：CCD相机或CMOS感光元件。

至此，已经结合附图对本公开实施例进行了详细描述。需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换。

依据以上描述，本领域技术人员应当对本公开提供的面内各向异性晶体晶轴定向方法及设备有了清楚的认识。

综上所述，本公开提供的面内各向异性晶体晶轴定向方法及设备将反射差分技术用于晶轴方向的确定，不仅提高了测量的准确性，并且还提高了本方法的适用范围。

还需要说明的是，实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向，并非用来限制本公开的保护范围。贯穿附图，相同的元素由相同或相近的附图标记来表示。在可能导致对本公开的理解造成混淆时，将省略常规结构或构造。

并且图中各部件的形状和尺寸不反映真实大小和比例，而仅示意本公开实施例的内容。另外，在权利要求中，不应将位于括号之间的任何参考符号构造成对权利要求的限制。

类似地，应当理解，为了精简本公开并帮助理解各个公开方面中的一个或多个，在上面对本公开的示例性实施例的描述中，本公开的各个特征有时被一起分组到单个实施例、图、或者对其的描述中。然而，并不应将该公开的方法解释成反映如下意图：即所要求保护的本公开要求比在每个权利要求中所明确记载的特征更多的特征。更确切地说，如下面的权利要求书所反映的那样，公开方面在于少于前面公开的单个实施例的所有特征。因此，遵循具体实施方式的权利要求书由此明确地并入该具体实施方式，其中每个权利要求本身都作为本公开的单独实施例。

以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。