一种碳化硅内部激光聚焦平面检测方法及系统
阅读说明：本技术 一种碳化硅内部激光聚焦平面检测方法及系统 (Method and system for detecting laser focusing plane inside silicon carbide ) 是由 王振宇 李娟� 王添瑜 于 2021-07-21 设计创作，主要内容包括：本申请公开了一种碳化硅内部激光聚焦平面检测方法及系统。该系统包括位移台和光束耦合的皮秒脉冲激光和共聚焦拉曼发生器,通过皮秒激光聚焦对待检测碳化硅内部形成损伤,并得到标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置；调整待检测碳化硅在Z轴上的位置得到多个拉曼采样点的拉曼信号；根据采样点的拉曼峰位置与标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置相比得到采样点的拉曼峰位移；进而通过双轴模型计算得到每个拉曼采样点的拉曼残余应力,根据拉曼残余应力最大时所对应的采样点位置确定真实聚焦平面位置。本申请可以实现小范围短时间内对拉曼残余应力的原位检测,快速测量皮秒脉冲激光的实际聚焦平面的位置,计算与设定聚焦平面的误差。(The application discloses a method and a system for detecting a laser focusing plane in silicon carbide. The system comprises a displacement table and a picosecond pulse laser and confocal Raman generator coupled with a light beam, wherein a damage is formed inside silicon carbide to be detected through picosecond laser focusing, and a Raman peak position of a standard silicon carbide Raman spectrum is obtained; adjusting the position of the silicon carbide to be detected on the Z axis to obtain Raman signals of a plurality of Raman sampling points; comparing the Raman peak position of the sampling point with the Raman peak position of the standard silicon carbide Raman spectrum to obtain the Raman peak displacement of the sampling point; and further calculating by using a double-axis model to obtain the Raman residual stress of each Raman sampling point, and determining the position of a real focusing plane according to the position of the corresponding sampling point when the Raman residual stress is maximum. The method and the device can realize in-situ detection of the Raman residual stress in a short time in a small range, quickly measure the position of the actual focusing plane of the picosecond pulse laser, and calculate and set the error of the focusing plane.)
技术领域
本发明涉及无损检测领域，特别涉及一种碳化硅内部激光聚焦平面检测方法及系统。
背景技术
宽禁带的碳化硅是继单晶硅之后发展起来的第三代高性能半导体，被广泛的应用于新能源、通讯、照明等领域。当碳化硅衬底朝着更宽、更薄方向发展时，晶圆切割工艺成为提高衬底良率的重要步骤。传统的金刚石线锯切割技术在切割更大更薄的晶圆时会造成巨大的材料损失和表面粗糙度。
超快脉冲激光可以进行材料的精细加工，超快脉冲激光具有脉宽短、峰值能量高、光斑面积小、无污染等优点，现阶段纳秒脉冲激光和飞秒脉冲激光切割晶圆的工艺已比较成熟。与飞秒脉冲激光昂贵的成本和纳秒脉冲激光巨大的热应力相比，皮秒脉冲激光具有相对廉价的优势。
然而现有利用皮秒脉冲激光在加工碳化硅的过程中可能会存在聚焦平面具有误差的问题。
发明内容
基于此，本申请实施例提供了一种碳化硅内部激光聚焦平面检测方法及系统，可以利用损伤区域拉曼残余应力最大关系，可辅助皮秒激光器调整自聚焦平面，减小加工误差。
第一方面，提供了一种碳化硅内部激光聚焦平面检测方法，该方法包括：
对待检测碳化硅进行检测得到标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置ω0；
通过皮秒激光聚焦对所述待检测碳化硅内部形成损伤得到所述待检测碳化硅的损伤区域；
通过固定所述待检测碳化硅在X-Y平面的位置，调整所述待检测碳化硅在Z轴上的位置，得到所述待检测碳化硅在不同Z轴位置上的多个拉曼采样点的拉曼信号；其中，所述拉曼采样点在所述损伤区域内，所述X-Y平面平行于皮秒激光与共聚焦拉曼的聚焦平面，所述Z轴垂直于皮秒激光与共聚焦拉曼的聚焦平面；
确定其中每个拉曼采样点的碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置ωi，与标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置ω0得到每个拉曼采样点的拉曼峰位移Δωi，其中i＝1,2…n；
根据所述每个拉曼采样点的拉曼峰位移Δωi通过双轴模型计算得到所述每个拉曼采样点的拉曼残余应力，根据拉曼残余应力最大时所对应的拉曼采样点确定真实聚焦平面。
可选地，所述方法还包括：
调整所述待检测碳化硅在X轴或Y轴上的位置，并使得所述皮秒激光聚焦对所述待检测碳化硅内部形成连续损伤得到新损伤区域，其中所述X轴与Y轴平行于拉曼光谱仪的内部聚焦平面；
根据所述待检测碳化硅的新损伤区域对聚焦平面进行重新确定。
可选地，所述通过皮秒激光聚焦对所述待检测碳化硅内部形成损伤得到所述待检测碳化硅的损伤区域，包括：
通过预设皮秒脉冲激光器的峰值能量、脉冲宽度，在保证碳化硅固定不动的情况下，将所述皮秒激光聚焦在所述待检测碳化硅内部设定的聚焦平面处，对所述待检测碳化硅内部形成损伤，得到所述待检测碳化硅的损伤区域。
可选地，所述确定其中每个拉曼采样点的碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置ωi，与标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置ω0得到每个拉曼采样点的拉曼峰位移Δωi，包括：
将所述每个拉曼采样点的碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置ωi减去所述标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置ω0得到每个拉曼采样点的拉曼峰位移Δωi。
可选地，所述根据所述每个拉曼采样点的拉曼峰位移Δωi通过双轴模型计算得到所述每个拉曼采样点的拉曼残余应力，包括根据第一公式得到所述每个拉曼采样点的拉曼残余应力，所述第一公式包括：
其中，σ(MPa)表示拉曼残余应力，Δω表示当前所计算拉曼采样点的拉曼峰位移，a'表示声子形变势能。
可选地，所述根据拉曼残余应力最大时所对应的拉曼采样点确定真实聚焦平面位置，包括：
对获得的每个拉曼采样点进行空间标注，得到拉曼残余应力空间分布图，其中拉曼残余应力最大的地方表示真实聚焦平面位置。
可选地，所述调整所述待检测碳化硅在Z轴上的位置，包括：
所述待检测碳化硅设置于位移台上，通过固定位移台在X-Y水平面的位置，调整所述位移台在Z轴方向的位置，从而调整所述待检测碳化硅在Z方向的位置。
可选地，所述调整所述待检测碳化硅在Z轴上的位置，还包括：
通过调整所述位移台上待检测碳化硅在X轴和Y轴上的位置，从而调整所述待检测碳化硅中损伤区域的位置；所述X轴和Y轴平行于皮秒激光与共聚焦拉曼的聚焦平面。
第二方面，提供了一种碳化硅内部激光聚焦平面检测系统，该系统包括：
位移台，用于通过自身位移带动放置在所述位移台上的待检测碳化硅进行移动；
光束耦合的皮秒脉冲激光和共聚焦拉曼发生器，用于对待检测碳化硅进行检测得到标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置；
通过皮秒激光聚焦对所述待检测碳化硅内部形成损伤得到所述待检测碳化硅的损伤区域；
通过固定所述待检测碳化硅在X-Y平面的位置，调整所述待检测碳化硅在Z轴上的位置，得到所述待检测碳化硅在不同Z轴位置上的多个拉曼采样点的拉曼信号；
确定其中每个拉曼采样点的碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置，与标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置得到每个拉曼采样点的拉曼峰位移；
根据所述每个拉曼采样点的拉曼峰位移通过双轴模型计算得到所述每个拉曼采样点的拉曼残余应力，根据拉曼残余应力最大所对应的拉曼采样点确定真实聚焦平面。
可选地，所述光束耦合的皮秒脉冲激光和共聚焦拉曼发生器，包括皮秒脉冲激光器、二色分光镜和拉曼光谱仪，其中：
所述皮秒脉冲激光器，用于向所述待检测碳化硅发出聚焦后的皮秒激光；
所述二色分光镜，用于反射所述皮秒脉冲激光，并透射所述拉曼激光，使反射后的脉冲激光与透射后的拉曼激光光束耦合；
所述拉曼光谱仪，具体包括：
共聚焦拉曼发生器，用于向所述待检测碳化硅发出聚焦后的拉曼激光；
物镜，用来聚焦所述皮秒激光或所述拉曼激光；
共聚焦针孔，用于滤除聚焦平面以外的杂散信号；
分光光谱仪，用于分离不同波长的拉曼信号；
CCD探测器，用于根据所述拉曼信号的强度输出碳化硅拉曼光谱；
光谱分析模块，用于根据所述碳化硅拉曼光谱进行峰位提取以及拉曼残余应力计算。
本申请实施例提供的技术方案地有益效果在于：
基于共聚焦拉曼光谱仪的检测方法，避免了对于碳化硅材料的物理损伤，可以无损原位检测皮秒脉冲激光在碳化硅内部的聚焦平面所在位置，辅助激光器调整聚焦平面，实现在加工过程中实时纠正误差；此外，共聚焦拉曼平均每立方微米的检测时间为0.2s，可以实现小范围短时间内对拉曼残余应力的检测，快速测量皮秒脉冲激光的实际聚焦平面的位置，计算与设定聚焦平面的误差。
附图说明
图1为本申请实施例提供的一种碳化硅内部激光聚焦平面检测方法的流程图；
图2为本申请实施例提供光束耦合的皮秒脉冲激光和共聚焦拉曼发生器；
图3为本申请实施例提供的一种加工示意图；
图4为本申请实施例提供的碳化硅拉曼光谱示意图；
图5为本申请实施例提供拉曼采样局部示意图；
图6为本申请实施例提供拉曼峰(即E2(TO)峰)偏移示意图；
图7为本申请实施例提供拉曼残余应力分布示意图。
具体实施方式
为使本申请的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本申请实施方式作进一步地详细描述。
本申请的实施例是基于脉冲激光在去除材料的过程中会伴随高能粒子的扩散、材料的蒸发与凝固，并在材料内部留下大量残余应力。通过拉曼峰位移可以反映分子结构形变的原理，将拉曼峰位移作为连接应力与应变的桥梁，利用双轴模型计算碳化硅内部拉曼信号拉曼采样点的残余应力，利用激光聚焦平面损伤处拉曼残余应力最大关系，辅助皮秒激光器调整自聚焦平面，减小加工误差。
请参考图1，其示出了本申请实施例提供的一种碳化硅内部激光聚焦平面检测方法的流程图，该方法可以包括以下步骤：
步骤101，对待检测碳化硅进行检测得到标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置ω0。
在实际测量中，不同品种不同纯度的碳化硅的拉曼光谱会有区别，从而拥有不同的碳化硅拉曼光谱，在本申请实施例中需要首先对待检测碳化硅进行检测得到标准碳化硅拉曼光谱。
其中，如图2所示，在本申请实施例中通过光束耦合的皮秒脉冲激光和共聚焦拉曼发生器对待检测碳化硅进行检测，光束耦合的皮秒脉冲激光和共聚焦拉曼发生器包括皮秒脉冲激光器、二色分光镜和拉曼光谱仪。
具体的，通过拉曼光谱仪中共聚焦拉曼激光光源向待检测碳化硅发出聚焦后的拉曼激光激发出待检测碳化硅拉曼信号，从而得到标准碳化硅拉曼光谱。
步骤102，通过皮秒激光聚焦对待检测碳化硅内部形成损伤得到待检测碳化硅的损伤区域。
在本申请的一个实施例中，设置共聚焦拉曼光谱仪中皮秒脉冲激光器的峰值能量、脉冲宽度，在保证碳化硅固定不动的情况下，将皮秒激光聚焦在待检测碳化硅内部设定的聚焦平面处，对待检测碳化硅内部形成损伤。
具体的，如图3所示位移台不动，打开皮秒脉冲激光器，设置好激光器的峰值能量、脉冲宽度，在保证碳化硅固定不动的情况下，将皮秒激光聚焦在碳化硅内部设定的聚焦平面处，对碳化硅材料形成损伤，关闭皮秒脉冲激光器。
设置共聚焦针孔或狭缝的直径或宽度≤200μm,保证共聚焦拉曼光谱仪的Z向空间分辨能力，选择40-60倍长工作距离物镜,数值孔径NA＝0.5,设置光谱扫描范围为600cm-1-1000cm-1，采集碳化硅的E2(TO)峰所在位置，如图4，包括了E2(TO)与A1(LO)等拉曼峰，在本申请实施例中统一采用E2(TO)峰作为实现发明所用的拉曼峰。
步骤103，调整待检测碳化硅在Z轴上的位置，得到待检测碳化硅在不同Z轴位置上的多个拉曼采样点的拉曼信号。
其中，Z轴垂直于拉曼光谱仪的聚焦平面。
具体地，固定待检测碳化硅在X-Y平面的位置，以设定的皮秒脉冲激光聚焦平面深度为Z＝0，由于损伤中心晶格被破坏，拉曼信号已经不是碳化硅拉曼信号，因此位移台可以向X方向移动2μm，避开损伤中心，所以本申请中的损伤区域包括了皮秒脉冲激光所聚焦区域以及损伤中心附近小于等于3μm区域，之后，设置共聚焦拉曼光谱仪的光斑聚焦在Z＝0处。
在本申请实施例中，如图5，将位移台向z负方向移动10um，此时共聚焦拉曼光谱仪的光斑聚焦在Z＝10um处，开始进行拉曼信号采样，位移台每次向上移动2um,直至采样到Z＝-8um，共采样10个点，关闭拉曼激光器。
步骤104，确定其中每个拉曼采样点的碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置ωi，与标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置ω0得到每个拉曼采样点的拉曼峰位移Δωi，其中i＝1,2…n。
在本申请实施例中，如图6，获得不同空间位置拉曼采样点的E2(TO)峰所在位置ωi，减去标准E2(TO)峰所在位置ω0后得到空间中各个拉曼采样点的拉曼峰位移Δωi(cm-1)；
步骤105，根据每个拉曼采样点的拉曼峰位移Δωi通过双轴模型计算得到每个拉曼采样点的拉曼残余应力，根据拉曼残余应力最大所对应的拉曼采样点确定真实聚焦平面位置。
在本申请的一个实施例中，根据每个拉曼采样点的拉曼峰位移Δωi通过双轴模型计算得到每个拉曼采样点的拉曼残余应力，包括根据第一公式得到，每个拉曼采样点的拉曼残余应力，第一公式包括：
其中，σ(MPa)表示拉曼残余应力，Δω表示当前所计算拉曼采样点的拉曼峰位移，a'表示声子形变势能。
为实现拉曼原位采样，用同一组共聚焦物镜组将皮秒激光光束和共聚焦拉曼激光光束耦合，皮秒激光与拉曼激光交替工作。
根据拉曼残余应力最大所对应的拉曼采样点确定真实聚焦平面位置，包括：
如图7，对获得的每个拉曼采样点进行空间标注，得到拉曼残余应力空间分布图，其中拉曼残余应力最大的地方表示真实聚焦平面位置。
在本申请一个可选的实施例中，在实现上述步骤后，还包括：
步骤106，调整待检测碳化硅在X轴或Y轴上的位置，并使得皮秒激光聚焦对待检测碳化硅内部形成连续损伤，根据待检测碳化硅的新损伤区域对聚焦平面进行重新确定。
其中X轴与Y轴平行于共聚焦拉曼光谱仪的聚焦平面
具体地，校准好皮秒激光器聚焦平面后，打开皮秒脉冲激光器，位移台沿x方向以100mm/s的速度运动，保证在碳化硅内部形成连续损伤。一段时间后，位移台停止运动，关闭激光器，测量皮秒脉冲激光器聚焦平面的误差并校正，重复步骤102至步骤105，直至加工完成。
本发明所述方法具有以下优点：
基于共聚焦拉曼光谱仪的检测方法，避免了对于碳化硅材料的物理损伤，可以无损原位检测皮秒脉冲激光在碳化硅内部的聚焦平面所在位置，辅助激光器调整聚焦平面，实现在加工过程中实时纠正误差；此外，共聚焦拉曼平均每立方微米的检测时间为0.2s，可以实现小范围短时间内对拉曼残余应力的检测，快速测量皮秒脉冲激光的实际聚焦平面的位置，计算与设定聚焦平面的误差。
本申请实施例提供的一种碳化硅内部激光聚焦平面检测系统，包括所采用的仪器为进行光束耦合的皮秒脉冲激光和共聚焦拉曼发生器，以及可以移动的位移台，具体地：
位移台，用于通过自身位移带动放置在位移台上的待检测碳化硅进行移动；
光束耦合的皮秒脉冲激光和共聚焦拉曼发生器，用于对待检测碳化硅进行检测得到标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置；
通过皮秒激光聚焦对所述待检测碳化硅内部形成损伤得到所述待检测碳化硅的损伤区域；
通过固定待检测碳化硅在X-Y平面的位置，调整待检测碳化硅在Z轴上的位置，得到待检测碳化硅在不同Z轴位置上的多个拉曼采样点的拉曼信号；
确定其中每个拉曼采样点的碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置，与标准碳化硅拉曼光谱的拉曼峰位置得到每个拉曼采样点的拉曼峰位移；
根据所述每个拉曼采样点的拉曼峰位移通过双轴模型计算得到所述每个拉曼采样点的拉曼残余应力，根据拉曼残余应力最大所对应的拉曼采样点确定真实聚焦平面。
其中，光束耦合的皮秒脉冲激光和共聚焦拉曼发生器，包括皮秒脉冲激光器、二色分光镜和拉曼光谱仪，
皮秒脉冲激光器包括以Nd:YVO4为光源的皮秒脉冲激光，用于向所述待检测碳化硅发出聚焦后的皮秒激光；
二色分光镜，用于反射所述皮秒脉冲激光，并透射所述拉曼激光；
拉曼光谱仪，具体包括共聚焦拉曼激光光源、共聚焦针孔或狭缝、分光光谱仪、位移台、物镜、CCD探测器以及光谱分析软件，其中
共聚焦拉曼发生器(即共聚焦拉曼激光光源)，用于向待检测碳化硅发出聚焦后的拉曼激光，即确定聚焦平面并激发样品的拉曼信号；
物镜，用来聚焦皮秒激光或拉曼激光；
共聚焦针孔，共聚焦针孔或狭缝作为空间滤波器，用于滤除聚焦平面以外的杂散信号；
分光光谱仪，用于分离不同波长的拉曼信号；
CCD探测器，用于根据拉曼信号的强度输出碳化硅拉曼光谱；
光谱分析模块，用于根据碳化硅拉曼光谱进行峰位提取以及拉曼残余应力计算。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对申请专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
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