一种检测半导体电子器件的装置及方法发明专利

专利名称：一种检测半导体电子器件的装置及方法

专利类型：发明专利

专利申请号：CN202111110155.7

专利申请（专利权）人：王红珍
权利人地址：湖北省武汉市洪山区白沙洲大道张家湾鑫宇花园

专利发明（设计）人：请求不公布姓名

专利摘要：本发明对热反射测量技术实现一种多光束信号采集方法，对热反射测量技术中的探测光入射光路组件和探测反射光采集组件进行一定的光路设计，在仅设置一个公用的平衡放大探测器的情形下，实现对两种不同波长段的热反射信号进行采集，平衡放大探测器对信号噪声的处理能力优于带放大功能的光电探测器，从而增加测试精度，使用同一个探测器使得信号采集和处理过程更为简化。

主权利要求：
1.一种检测半导体电子器件的装置，包括探测光入射组件，探测反射光采集组件和平衡放大探测器，其特征在于，所述平衡放大探测器具有两个输入端口，输入端口1和输入端口2，所述探测光入射组件包括探测激光器，分束镜组件和1/4波片；所述探测激光器发出偏振连续激光，所述分束镜组件包含立方偏振分束器，所述分束镜组件将通过的偏振连续激光中s光部分进行反射，p光部分进行透射，从分束镜组件分离出来的s光经过光路引导组件导入到平衡放大探测器的输入端口1；分束镜组件分离出的p光经过1/4波片转变为圆偏振光，上述圆偏振光被后续光路组件导向样品表面后形成反射光；所述探测反射光采集组件用于引导该反射光最终被平衡放大探测器输入端口2接收；探测光入射光路组件包含两套光路，产生两束不同波长段的连续激光，第一探测激光和第二探测激光，第一探测激光聚焦到金属材料表面，在表面反射形成反射光，第二探测激光聚焦到宽禁带半导体表面，在表面反射形成反射光；所述探测反射光采集组件共用探测光入射光路组件中的1/4波片和分束镜组件中的立方偏振分束器，所述探测反射光采集组件还包括凸透镜，滤波片，二向色性滤波片；凸透镜将反射光光束聚焦；滤波片用于滤掉同时反射的少量脉冲激光；二向色性滤波片使得原本不在一条光路上的两种不同波长的探测反射光被导向同一路经，最终都能进入平衡放大探测器同一个输入端口2。
2.根据权利要求1所述的一种检测半导体电子器件的装置，其特征在于，从样品表面反射的圆偏振光返回经过1/4波片，形成s偏振光，再经过分束镜组件后被全反射，被全反射的s偏振光与探测入射光在分束镜分离出的s光呈180°，与探测入射光呈90°。
3.根据权利要求1‑2任一所述的一种检测半导体电子器件的装置，其特征在于，所述分束镜组件还合有1/2波片，所述1/2波片具有将通过的偏振连续激光中的p光和s光按0∶100至100∶0比例进行调节的功能。
4.根据权利要求1‑2任一所述的一种检测半导体电子器件的装置，其特征在于，所述光路引导组件包括凸透镜、滤光片和二向色性滤波片；分束镜组件分离出的s光依次经过凸透镜，滤光片和二向色性滤波片，最终被导入平衡放大探测器的输入端口1。
5.根据权利要求4所述的一种检测半导体电子器件的装置，其特征在于，所述滤光片为连续可变中性密度滤光片。
6.根据权利要求5所述的一种检测半导体电子器件的装置，其特征在于，所述二向色性滤光片为长波通或短波通二向色性滤光片。
7.一种检测半导体电子器件的方法，其特征在于，采用了权利要求1‑6任一所述的装置进行检测。 说明书 : 一种检测半导体电子器件的装置及方法技术领域[0001] 本发明涉及一种热反射测量技术，尤其涉及一种共用平衡放大探测器的半导体电子器件的装置和方法。背景技术[0002] 申请专利《一种检测宽禁带半导体电子器件的装置》提到一种热反射测试装置，兼具检测表面为金属和表面为宽禁带半导体的材料导热性质的功能。该装置包括加热光组件，探测光入射组件，光路引导组件，探测反射光采集组件和样品表面监测组件(如图1)。加热光组件设置一个共用的脉冲加热激光；探测光入射组件包含两套光路，产生两束不同波长段的连续激光，即第一探测激光和第二探测激光。第一探测激光聚焦到金属材料表面，在表面反射形成反射光(即金属热反射信号)；相似地，第二探测激光聚焦到宽禁带半导体表面，在表面反射形成反射光(即宽禁带半导体热反射信号)。相应地，探测反射光采集组件也包含两套光路，分别对金属热反射信号和宽禁带半导体热反射信号进行采集(如说明书附图1)，特别地，采用了两种不同的带放大功能的光电探测器分别对两种热反射信号进行接收。然而，带放大功能的光电探测器的测试结果中通常具有较大噪声信号，难以处理。另外，使用多种不同的光电探测器使得信号采集和处理过程复杂。发明内容[0003] 本发明对热反射测量技术实现一种多光束信号采集方法。对热反射测量技术中的探测光入射光路组件和探测反射光采集组件进行一定的光路设计，在仅设置一个公用的平衡放大探测器的情形下，实现对两种不同波长段的热反射信号进行采集。平衡放大探测器对信号噪声的处理能力优于带放大功能的光电探测器，从而增加测试精度。另外，使用同一个探测器使得信号采集和处理过程更为简化。[0004] 本发明的技术方案如下：[0005] 一种检测半导体电子器件的装置，包括探测光入射组件，探测反射光采集组件和平衡放大探测器，其特征在于，所述平衡放大探测器具有两个输入端口，输入端口1和输入端口2，所述探测光入射光路组件包括探测激光器，分束镜组件和1/4波片；所述探测激光器发出偏振连续激光，所述分束镜组件包含立方偏振分束器，所述分束镜组件将通过的偏振连续激光中s光部分进行反射，p光部分进行透射，从分束镜组件分离出来的s光经过光路引导组件导入到平衡放大探测器的输入端口1；分束镜组件分离出的p光经过1/4波片转变为圆偏振光，上述圆偏振光被后续光路组件导向样品表面后形成反射光；所述探测反射光采集组件用于引导该反射光最终被平衡放大探测器输入端口2接收。[0006] 进一步地，所述探测光入射组件含有一套以上，对应的探测反射光采集组件为一套以上。[0007] 进一步地，所述探测反射光采集组件共用探测光入射光路组件中的1/4波片和分束镜组件中的立方偏振分束器；从样品表面反射的圆偏振光返回经过1/4波片，形成s偏振光，再经过分束镜组件后被全反射，该光与探测入射光在分束镜分离出的s光呈180°,与探测入射光呈90°。[0008] 进一步地，所述分束镜组件还含有1/2波片，所述1/2波片具有将通过的偏振连续激光中的p光和s光按0:100至100:0比例进行调节的功能。[0009] 进一步地，所述光路引导组件包括凸透镜、滤光片和二向色性滤波片；分束镜组件分离出的s光依次经过凸透镜,滤光片和二向色性滤波片，最终被导入平衡放大探测器的输入端口1。[0010] 进一步地，所述滤光片为连续可变中性密度滤光片。[0011] 进一步地，所述探测光反射采集组件还包括凸透镜，滤波片，二向色性滤波片；凸透镜将反射光光束聚焦；滤波片用于滤掉同时反射的少量脉冲激光；二向色性滤波片使得原本不在一条光路上的两种不同波长的探测反射光被导向同一路经，最终都能进入平衡放大探测器同一个输入端口2。[0012] 进一步地，所述二向色性滤光片为长波通或短波通二向色性滤光片。[0013] 本发明还要求保护一种检测半导体电子器件的方法，采用了本发明上述的装置进行检测。[0014] 本发明进一步地详细技术内容如下：[0015] 探测光入射光路组件包含两套光路，产生两束不同波长段的连续激光，即第一探测激光和第二探测激光。第一探测激光聚焦到金属材料表面，在表面反射形成反射光(即金属热反射信号)。相似地，第二探测激光聚焦到宽禁带半导体表面，在表面反射形成反射光(即宽禁带半导体热反射信号)。[0016] 探测光入射光路组件包括探测激光器，1/2波片，立方偏振分束器。[0017] 进一步地，所述探测激光器发出偏振连续激光，该偏振光可表示为水平偏振光(p光)和垂直偏振光(s光)的矢量和。[0018] 进一步地，所述1/2波片具有将通过的偏振连续激光中的p光和s光按0:100至100:0比例进行调节的功能。[0019] 进一步地，所述立方偏振分束器将通过的偏振连续激光中s光部分进行反射，p光部分进行透射。[0020] 探测光入射光路组件还包括凸透镜,连续可变中性密度滤光片，二向色性滤波片，平衡放大探测器。[0021] 平衡放大探测器具有两个输入端口，其中一个端口(输入端口1)接收从立方偏振分束器分离出来的s光，另一个端口(输入端口2)接收从样品表面反射的热反射信号；凸透镜对从立方偏振分束器分离出来的s光进行聚焦；连续可变中性密度滤光片对s光提供线性可调的衰减；二向色性滤波片使得原本不在一条光路上的两种不同波长的探测光被导向同一路经，最终都能进入平衡放大探测器同一个输入端口(输入端口1)。[0022] 从立方偏振分束器分离出来的s光依次经过凸透镜,连续可变中性密度滤光片和二向色性滤波片，最终被导入平衡放大探测器的输入端口1。[0023] 探测光入射光路组件还包括1/4波片。从立方偏振分束器分离出来的p光经过1/4波片转变为圆偏振光。[0024] 上述圆偏振光被后续光路组件导向样品表面后形成反射光，探测反射光采集组件用于引导该反射光最终被平衡放大探测器输入端口2接收。[0025] 探测反射光采集组件共用探测光入射光路组件中的1/4波片和立方偏振分束器。[0026] 从样品表面反射的圆偏振光返回经过1/4波片，形成s偏振光，再经过立方偏振分束器后被全反射，该光与探测入射光在立方偏振分束器分离出的s光呈180°,与探测入射光呈90°。[0027] 组合使用1/2波片，立方偏振分束器和1/4波片起到两个关键作用：一是能对探测入射光按比例分离出两束光，一束光输入到平衡放大探测器的输入端口1，另一束光探测样品表面的热反射；二是能使探测反射光路径和入射光路径在立方偏振分束器处分离进而输入到平衡放大探测器输入端口2。[0028] 进一步地，探测光反射组件还包括凸透镜，滤波片，二向色性滤波片；凸透镜将反射光光束聚焦；滤波片用于滤掉同时反射的少量脉冲激光；二向色性滤波片使得原本不在一条光路上的两种不同波长的探测反射光被导向同一路经，最终都能进入平衡放大探测器同一个输入端口2。[0029] 本发明地平衡放大探测器工作原理：输出电压信号与两个光输入信号产生的光电流(I1,I2)之差成正比。[0030] I1由探测入射光中分离出的s光信号形成，s光强度可通过可变中性密度滤光片进行连续调节，因此I1可进行连续调节。I2由两部分光信号形成，包括探测反射光的基准信号(I2`)和热反射信号(I2``)，其中，基准信号可以理解为在没有任何热反射信号时，由探测反射光自身形成的信号。在热反射测试过程中，调节可变中性密度滤光片，使得I1和I2`相等，根据平衡放大探测器工作原理，输出信号仅为热反射过程产生的信号。[0031] 本发明采用该数据采集方式最大可能地消除了基准信号带来的噪音，从而增加测试精度。此外，使用同一个探测器使得对两种不同热反射信号的采集和处理过程更为简化。[0032] 本发明采用公用的平衡放大探测器的设置，能够有效的精简装置结构，可以使一个探测器充分利用，节约制备装置的成本，具有重要的工业价值。附图说明[0033] 图1为一种宽禁带半导体热反射测试装置示意图，该装置使用两种不同的带放大功能的光电探测器。[0034] 图2为实施例的光学系统示意图，仅使用一个平衡放大探测器。[0035] 图3为平衡放大探测器工作示意图。[0036] 其中说明书附图的标识如下：紫外脉冲激光器‑1000、扩束镜‑1100、第一探测激光器‑2300、第一1/2波片‑2500、第一立方偏振分束器‑2600、第一1/4波片‑2700、第二探测激光器‑2900、第二1/2波片‑3100、第二立方偏振分束器‑3200、第二1/4波片‑3300、短波通二向色性滤光片‑1200、第一反射镜‑2800、第二反射镜‑3400、长波通二向色性滤光片‑1300、聚焦镜‑1700、光束采样镜‑1400、第一凸透镜‑3500、第一滤波片‑3600、第一光电探测器‑3700、第二凸透镜‑3800、第二滤波片‑3900、第二光电探测器‑4000、示波器‑4200、第三凸透镜‑1500、CCD相机‑1600、白光光源‑1900、4500‑反射镜、4600‑反射镜、4700‑凸透镜、4800‑连续可变中性密度滤光片、4900‑长波通二向色性滤光片、5000‑平衡放大探测器、5100‑凸透镜、5200‑滤波片、5300‑长波通二向色性滤光片、5400‑反射镜、5500‑凸透镜、5600‑连续可变中性密度滤光片、5700‑反射镜、5800‑凸透镜、5900‑滤波片。具体实施方式[0037] 下面结合附图和实施例对本发明的技术方案进行详细地说明，应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，本文对某些参数给定了取值范围，而对某些参数给定了确切值，但应理解这些确切值是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。另外，如无特殊说明，所选光/电部件都适用所用激光波长段，保证能量不受较大损失，以及不因波长不适合导致光/电部件损坏。[0038] 半导体测试装置本身包括多个组件，本实施例仅对与本发明发明关键的探测光入射组件和探测反射光采集组件进行介绍。[0039] 说明书附图2为实施例的示意图。探测光入射组件包含两条光路，光路一：[0040] 第一探测激光器‑2300，用于产生第一探测光(A)，偏振且连续，波长在限定为532nm，A可表示为水平偏振光(p光)和垂直偏振光(s光)的矢量和；第一1/2波片‑2500，调节第一1/2波片2500使A中p光和s光部分呈一定比例；第一立方偏振分束器‑2600，将通过的A中s光部分进行反射形成A1光，p光部分进行透射形成A2光；第一1/4波片‑2700，将A2光(p* *光)转变为圆偏振光A2；反射镜‑2800,用于对A2进行导向。其中,A1光被后续的平衡放大探*测器其中一个输入接口接收，A2作为热反射测试所需的探测光被后续光路引导至聚焦在样品表面。[0041] 探测光入射组件还包括：反射镜‑4500，反射镜‑4600，凸透镜‑4700,连续可变中性密度滤光片‑4800，长波通二向色性滤波片‑4900，平衡放大探测器‑5000。反射镜4500和反射镜4600用于将A1光进行导向；凸透镜4600用于将A1光束聚焦；连续可变中性密度滤光片4800可对A1光提供线性可调的衰减；长波通二向色性滤波片4900，截止波长在320nm‑532nm范围内某值，A1光经过4900后透射；平衡放大探测器‑5000，其输入端口1接收A1光信号。[0042] 探测光入射组件光路二，和光路一布置相似，组件包括：第二探测激光器‑2900，用于产生第二探测光(B)，偏振且连续，波长在限定为320nm，B可表示为水平偏振光(p光)和垂直偏振光(s光)的矢量和；第二1/2波片‑3100，通过调节第二1/2波片3100使B中p光和s光部分呈一定比例；第二立方偏振分束器‑3200，将通过的B中s光部分进行反射形成B1光，p光部*分进行透射形成B2光；第二1/4波片‑3300，将B2光(p光)转变为圆偏振光B2；反射镜‑3400,* *用于对B2 进行导向。其中,B1光被后续的平衡放大探测器其中一个输入接口接收，B2作为热反射测试所需的探测光被后续光路引导至聚焦在样品表面。[0043] 探测光入射组件还包括：反射镜‑5400，凸透镜‑5500,连续可变中性密度滤光片‑5600，长波通二向色性滤波片‑4900，平衡放大探测器‑5000。反射镜5400用于将B1光进行导向；凸透镜5500用于将B1光束聚焦；连续可变中性密度滤光片5600可对B1光提供线性可调的衰减；B1光经过长波通二向色性滤波片4900发生全反射；平衡放大探测器‑5000，其输入端口1接收B1光信号。[0044] 探测反射光采集组件：如图2，第一探测圆偏振光(A2*)从样品表面反射后形成A3光，被反射镜2800导向至第一1/4波片2700；经2700后，圆偏振光A3转变为s偏振光，该偏振*光到达第一立方偏振分束器2600后全反射形成A3。[0045] 组合使用1/2波片2500，第一立方偏振分束器2600和第一1/4波片2700起到两个关键作用：一是能对第一探测入射光(A)按比例分离出两束光(A1和A2)，A1最终输入到平衡放*大探测器5000的输入端口1，A2用于探测样品表面的热反射；二是能使探测反射光(A3)和入射光(A)在立方偏振分束器2600处分离,进而输入到平衡放大探测器5000输入端口2。[0046] 探测光采集组件还包括凸透镜‑5100，滤波片‑5200，长波通二向色性滤波片‑5300*和平衡放大探测器‑5000。凸透镜5100用于将A3光束聚焦；滤波片5200，为带通滤波片，中心波长在532nm，该滤波片用于滤掉其他波长的干扰光；长波通二向色性滤波片5300，截止*波长在320nm‑532nm范围内某值，A3 光经过5300后透射；平衡放大探测器‑5000，其输入端*口2接收A3光信号。[0047] 第二探测反射光采集组件光路和第一探测反射光的光路相似，第二探测光(B2*)从样品表面反射后形成B3光，被反射镜3400导向至第二1/4波片3300；经3300后，圆偏振光*B3转变为s偏振光，该偏振光到达第二立方偏振分束器3200后全反射形成B3。探测光组件还包括反射镜‑5700,凸透镜‑5800，滤波片‑5900，长波通二向色性滤波片‑5300和平衡放大* *探测器‑5000。反射镜5700用于B3 光束导向；凸透镜5800用于将B3光束聚焦；滤波片5900，*为带通滤波片，中心波长在320nm，该滤波片用于滤掉其他波长的干扰光；B3光经过长波通*二向色性滤波片5300发生全反射；平衡放大探测器‑5000，其输入端口2接收B3光信号。[0048] 平衡放大探测器5000工作原理：输出电压信号与两个光输入信号产生的光电流(I1,I2)之差成正比。[0049] I1由探测入射光中分离出的s光信号(A1或B1)形成，s光强度可通过可变中性密度滤光片进行连续调节，因此I1可进行连续调节。如说明书附图3所示，I2由两部分光信号形* *成，包括探测反射光(A3 或B3)的基准信号(I2`)和热反射信号(I2``)，其中，基准信号I2`可以理解为在没有任何热反射信号时，由探测反射光自身形成的信号。在热反射测试过程中，调节可变中性密度滤光片，使得I1和I2`相等，根据平衡放大探测器工作原理，输出信号仅为热反射过程产生的信号，如说明书附图3。[0050] 以上实施例仅用于说明本发明的技术方案，并非对本发明保护范围的限制，本领域的普通技术人员应当理解，任何对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，均属于本发明技术方案的实质保护范围。

专利地区：湖北

专利申请日期：2021-09-18

专利公开日期：2024-06-18

专利公告号：CN113834783B