基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测的制作方法

本发明涉及一种半导体材料的缺陷检测技术，主要是通过可调谐波长的激光诱发二次谐波，对半导体材料的界面特性或氧化层质量做测量或监测。

背景技术：

1、二次谐波是一种非线性效应，是指在一定条件下材料能发射出频率为入射光频率的两倍的光。目前许多论文已经发现了二次谐波在对本征材料反演对称被破坏的表面/界面的质量检测上有着较高的灵敏度，尤其是在以硅基半导体为主的质量检测领域作为定性分析方法有着独特的应用价值。目前的二谐波测量方法是使用固定波长的激光源激发二次谐波，这种方法最大的优点在于光路设计方便，需要调节的参数较少，易于完成测量和数据分析，但其缺点是应用领域的局限性。这是因为当被测材料的禁带宽度较宽时，束缚电子需要吸收更多的光子才能发生电离，这会导致二谐波信号的转换效率大大降低，信号强度降低，影响测量结果的准确性。

2、本发明有部分内容涉及申请号为202210328447.6的专利《一种基于二次谐波测量半导体多层结构的方法和装置》，以下称为专利1。

技术实现思路

1、本发明解决的根本问题是因不同禁带宽度的材料的检测需求不同而导致的检测范围的局限性问题，为此本发明提出了基于可调谐波长激光源的二谐波测量技术，并解决了实现该技术的障碍。以下，具体地阐述了本发明所解决的实现该技术时遇到的困难。

2、如果直接将固定波长的激光源替换成可调谐波长的激光源，因为被测样品产生的二谐波的波长是入射光的一半，将导致接收到的二谐波信号的波长也会随着入射光的波长发生变化。因为该波长的变化范围较大，如此一来，出射光路的设计以及信号曲线的理论计算也要随之改变，这将使得光路的稳定性和测量计算的准确性难以得到保证。

3、因此，本发明提出了双光源结构(即一个用于诱发二次谐波的可调谐波长的激发光源和另一个探测光源的组合；当两个光源的波长都可调谐时，波长变化范围不同，且该探测光源在调谐后的测量过程中波长保持恒定)，以保证采集到的二谐波的波长是固定的。但是双光源结构的光路设计在实现的过程中也有困难。首先，是双光源的光斑校准问题。由于双光源的入射光路是不重合的，因此要使得双光源的光斑完全重合本身就是很困难的；其次，光斑的尺寸和光强密度会随着激光器的波长调节而发生变化，这也使得要保持光斑的重合更加困难，同时光强密度的变化会加大二谐波分析的难度。此外，由于目前的二谐波理论知识主要是针对固定波长激光源诱发二谐波的情况，对于可变波长的激发光如何诱发二谐波以及如何处理数据等领域还没有较深入的研究。目前已有的专利或文献中，通常将单激光器发出的激光分成两束分光入射到样品表面，由其中功率较高的分光激发电子空穴对，而功率较低的分光激发二次谐波。这种方案虽然减少了光路设计上的难点，但因与单光源激发二谐波本质上并没有什么区别，失去了双入射光路的意义。其利用的是低功率的探测光源很快地达到饱和，从而实现对初始值的测量；但事实上，使用较低功率的单光源也可以实现该初始值的测量。在初始值的测量过程中，电荷发生的重新分配很快就达到了饱和。因此，当使用较大的功率进行测量时，会看到随时间变化的二谐波信号。但本发明提出的双光源二谐波则是利用较低能量的光子不会诱发电荷的重新分配，从而使得二谐波初始值不发生变化，因此无论使用多大功率的探测光源，都不会产生随时间变化的二谐波。

4、为了克服前述的困难，实现基于可调谐波长激光源的二谐波测量，本专利从以下五个方面分别给出了实施方案：

5、第一方面，本发明实施例提出一种基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测装置：

6、该装置的光源包括探测光源和激发光源；

7、该探测光源发出的是探测入射光；该探测入射光的波长为探测入射波长；该探测光源的探测入射光路中包括汇聚透镜，该汇聚透镜用于调节该探测入射光的光斑形貌；

8、该激发光源是可调谐波长激光源，发出的是激发入射光；该激发入射光的波长为激发入射波长；该激发入射光的光子能量等于或大于该半导体材料的该电子电离所需的能量，且不小于该电子从该半导体材料的价带到达该绝缘材料的导带所需克服的最低能量的1/3；该激发光源的激发入射光路中包括整形器，用于该激发入射光的均匀化；该激发光源形成的激发光斑应当能够覆盖该探测光源发出的探测光斑；

9、该探测入射光和该激发入射光的入射路径不重合；

10、信号接收系统单独接收该探测入射光激发出的探测二谐波信号。

11、在一些实施例中，本发明提供的一种基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测装置：

12、该探测入射光的光子能量低于该探测样品中任意材料的禁带宽度。

13、在一些实施例中，本发明提供的一种基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测装置：

14、该探测光源的探测入射光路中还包括1/2波片，用于改变该探测入射光的偏振方向；该二谐波信号通过分光镜的分离成为偏振信号p和偏振信号s；该信号接收系统包括信号接收系统p和信号接收系统s，分别接收该偏振信号p和该偏振信号s。

15、在一些实施例中，本发明提供的一种基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测装置：

16、该激发入射光的该入射角是0°

17、在一些实施例中，本发明提供的一种基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测装置：该激发入射光路中还包括光补偿器。

18、第二方面，本发明实施例提出应用如第一方面所述的基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测装置的材料禁带宽度已知的样品的固定波长二谐波测量方法，该固定波长二谐波测量方法包括：

19、第一阶段：只打开该探测光源，使得该信号接收系统接收到的该探测二谐波信号是恒定的，称为初始态；

20、第二阶段：保持该探测光源开启，同时打开该激发光源，并根据待检测样品的禁带宽度确定所需的该激发入射波长，并保持该激发入射波长不变，此时该样品的电荷分布随之发生变化，与此同时，该信号接收系统接收到的该探测二谐波信号也相应发生变化，称为激发态；当该电荷分布最终达到新的动态平衡时，该探测二谐波信号也最终趋于稳定。

21、在一些实施例中，本发明提供的应用如第一方面所述的基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测装置的材料禁带宽度已知的样品的固定波长二谐波测量方法，该固定波长二谐波测量方法还包括：

22、第三阶段：保持该探测光源开启，关闭该激发光源，被俘获的电子重新回到衬底层发生复合，与此同时，该信号接收系统接收到的该探测二谐波信号逐步恢复，称为恢复态；当恢复的时间足够长时，该探测二谐波信号恢复至该初始态。

23、第三方面，本发明实施例提出应用如第一方面所述的基于可调谐波长激光源诱发二次谐波的缺陷检测装置的材料禁带宽度未知的样品的可调谐波长二谐波测量方法，该可调谐波长二谐波测量方法包括：

24、第一阶段：只打开该探测光源，使得该信号接收系统接收到的该探测二谐波信号是恒定的，称为初始态；保持该探测入射波长恒定；

25、第二阶段：该激发入射波长在测试过程中是可调谐的，从长到短逐渐减小；保持该探测光源开启，同时打开该激发光源；当该样品的最小该禁带宽度和该激发光源的该光子能量相同时，该探测二谐波信号发生临界变化，称此时的该激发入射波长为禁带宽度波长，并保持该激发入射波长不变；当该电荷分布最终达到新的动态平衡时，该探测二谐波信号也最终趋于稳定；

26、第三阶段：选取两个以上的该禁带宽度波长附近的波长，称为测试禁带宽度波长，依次将该激发入射波长设置为各测试禁带宽度波长，并按照如第二方面所述的该二谐波测量方法进行测量，接收该探测二谐波信号，得到逐次的测试禁带宽度波长下的测试结果；每次设置该激发入射波长后，应确保该激发光斑的尺寸和光强密度相同；

27、对得到的逐次的该特定波长测试结果，进行如下处理：

28、对该激发态的探测二谐波信号曲线使用如下的公式1拟合：

29、

30、其中，a0，a1，a2为常数；τ1是与电子激发过程对应的时间变量；τ2是与空穴激发过程对应的时间变量；i2ω为该探测二谐波的光强密度；

31、影响31的因素可用如下的公式2描述：

32、

33、其中，为该激发入射光的光子的能量；n为自然数，用于表示多光子吸收过程中吸收的光子数量；kn为n光子吸收系数；iω为激发入射光的光强密度；

34、通过公式2可以得到相应组数的数据从而得到吸收光子数与对应光子能量的数据图，从该数据图中选取最接近的整数作为n1；

35、则，该电子从该半导体材料的价带到达该绝缘材料的导带所需克服的最低能量可用如下的公式3表示：

36、egap＝n1e1

37、对该恢复态的探测二谐波信号曲线使用如下的公式4拟合：

38、

39、其中，其中a4，a5为常数，而τ3为与电荷复合相关的时间常数。

40、第四方面，本发明实施例提出一种电子设备，包括：

41、至少一个处理器；以及

42、与该至少一个处理器通信连接的存储器；其中，

43、该存储器存储有可被该至少一个处理器执行的指令，该指令被该至少一个处理器执行，以使该至少一个处理器能够执行如第二方面和第三方面所述的方法。

44、第五方面，本发明实施例提出一种存储有计算机指令的非瞬时计算机可读存储介质，该计算机指令用于使该计算机执行如第二方面和第三方面所述的方法。

45、本发明的有益效果是：

46、本发明针对样品缺陷检测提供了一种基于可调谐波长激光诱发二谐波的测量装置和方法。本发明相比在此之前的单光源激发二谐波系统有着巨大的提升。

47、首先，就是适用范围的提升。由于单光源激光能量固定，其适用的材料也必然受限，而本发明的双光源系统不仅能对材料的能带结构做精确测量，而且能够针对性调节激发光的波长，这使得本发明适用的材料范围更大。

48、其次，测量参数的增多。单光源结构中，当激光关掉后，虽然电子依然在复合，但无法探测到其复合过程。而本发明的双光源结构，当激发光关闭后，依然能够使用探测光对其进行检测，能够观测到其复合的过程，从而可对载流子寿命以及扩散长度做分析。

49、最后，将激发光斑的形貌从高斯光斑优化为平顶光斑，并且使圆形激发光斑的直径大于椭圆形探测光斑的长轴，使激发光斑完全覆盖探测光斑，能够确保探测光斑所探测到的区域的能量分布是均匀一致的，更加符合理论公式中的假设前提，提升了测量的准确性。

50、总而言之，本发明提供的测量方法和测量装置，提高了样品检测的全面性和准确性，对现有的二谐波检测系统具有重大的提升。