一种基于红外傅里叶光谱仪的反射各向异性光谱装置制造方法及图纸

一种基于红外傅里叶光谱仪的反射各向异性光谱装置，包括由傅里叶光谱仪发射的干涉光，沿着干涉光前进的方向依次置有聚焦反射镜，干涉光经聚焦反射镜反射，通过线偏振器起偏，输入到置在步进马达转轴上的样品上，经样品反射产生一束信号光，再经聚焦反射镜聚焦，然后由探测器探测。本装置结构简单，测量方便，适合于半导体材料禁带宽度能量之下表面与界面特性的测量，及薄膜材料生长实时监控分析。（*该技术在2009年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术涉及红外傅里叶光谱仪的反射各向异性光谱装置。随着外延薄膜生长技术的发展，薄膜的表面与界面特性日益受到重视，人们不但希望能表征静态表面与界面结构，而且希望能监测各种材料处理环境中动态表面、界面过程。现有的表面诊断技术如电子衍射等仅有有限的穿透深度，只能探测到几个纳米厚覆盖层的界面。然而随着外延厚度的增加，由于应力释放等原因，界面特性会发生变化。现有的表面诊断技术对掩埋在表面以下几百纳米的界面已无能为力，光学方法因其具有更大的穿透深度而得到考虑，其中反射各向异性光谱方法是至今为止应用最成功的一种光谱方法。反射各向异性光谱，也称反射差分光谱，是通过测量正入射时样品表面内两正交偏振方向反射系数相对差值随入射光能量的变化来研究材料特性的光学方法。在红外波段，早在15年前就有关于Si(111)和Ge(111)表面在近红外波段的反射各向异性光谱研究。主要有两种方法一种是反射率差值光谱方法(Differential Reflectivity)，即先在超高真空下测量样品表面的反射，然后将样品暴露在空气中氧化后测量其反射率，通过两者差值来获取有关信息。具体参见Phys.Rev.Lett.，1984，(52)1145。该种方法测量繁琐，采用单色光测量速度慢，能量弱；另一种是光热位移光谱(Photothermal Displacement Spectroscopy)，采用可调红外激光泵浦(可调能量范围0.3-0.7eV)，通过He-Ne激光探测实验信号。具体参见Phys.Rev.Lett.，1984，(52)1148和Phys.Rev.B，1984，(29)7048。然而现有的红外激光不可能在较大能量范围进行调节，因此它仅能测量非常有限能量范围。本技术的目的在于提供一种能在较大能量范围内进行调节，测量简单，具有较大膜厚的红外探测能力，能获得光学禁带宽度能量之下更有兴趣的表面与界面态的反射各向异性光谱装置。本技术通过如下技术方案实现由红外傅里叶光谱仪发射的红外干涉光1，通过置在三维调节架10上的聚焦反射镜2反射，经线偏振器4起偏，入射到置在步进马达6转轴上的样品5上，经样品5反射，产生一束信号光，然后由置在三维调节架11上的聚焦反射镜3会聚，由探测器7探测。样品的入射光与出射光夹角为2θ。θ角可通过调整三维调节架改变聚焦反射镜2和3的反射方位角及改变步进马达与其相离的距离进行调节。θ角最小可调节至近似于0°。所说的探测器7与红外傅里叶光谱仪的信号输入口8相连；所说的步进马达6与红外傅里叶光谱仪的马达驱动口9相接；所说的聚焦反射镜2和3用于改变傅里叶光谱仪的干涉光的传播方向，便于从光谱仪中取出和返回干涉光；所说的置在步进马达6转轴上的样品5，其目的是通过步进马达6的旋转改变入射在样品的线偏振光的入射方位角；所说的线性偏振器4是反射式或透射式线偏振器；该装置原理图如图1所示。其测量原理是由于样品表面与界面对称性降低，出现各向异性。可通过菲涅尔公式导出样品各向异性表达式如下R//-R⊥R=8πdnaλIm(ϵ//-ϵ⊥ϵs-ϵa),---(1)]]>这里R∥和R⊥代表样品两正交方向的反射率，R＝(R∥+R⊥)/2是样品平均反射率，ε∥和ε⊥为表面或薄膜的两正交介电函数参量，εs和εa分别为体材料和环境介质的介电函数， 为环境介质折射率，d为薄膜厚度，λ是光的波长，Im为复数虚部。该装置具有以下特点(一)由式(1)可知，红外波段对应于半导体等材料的禁带宽度能量之下，此时体的吸收最小，εs接近纯实数，各向异性光谱获取的表面与界面态信息更具有意义，因为它不象可见光波段的各向异性光谱那样，受到体吸收的影响。(二)可表征各种压力生长环境下样品表面与界面特性。常规表面表征技术如反射高能电子衍射(RHEED)等在非超高真空环境下已无能为力，但该装置能适合在金属有机物气相外延(MOVPE)等常规条件下的表面表征。并且由于红外光大的穿透深度，能探测到各种环境下的界面特性。具体来说可采用以下两种配置1.当入射角θ很小时，光线接近正入射至样品5表面，当样品5旋转改变其方位角时，探测器上信号变化为ΔV(t)/V=Re(Δr/r)cos(2ωt)=12ΔRRcos(2ωt),----(2)]]>其中ω为步进马达旋转圆频率。Δr/r为正入射时样品表面两正交偏振方向反射系数差。由于体材料是各向同性的，Δr/r直接反映出界面结构εxx≠εyy各向异性；2.当入射角度θ较大时，由于光波是横波，式(2)中信号包含生长方向的信息，即εxx＝εyy≠εzz的有关信息。(三)可适用薄膜材料生长实时监控分析。我们可将反射镜2反射的光方便的引入到生长样品的表面，经其反射由反射镜3会聚到探测器7，光线接近正入射。对于在薄膜技术中最常见的材料结构，即在衬底上生长一层薄膜材料结构，我们可采取三相模型(环境/薄膜/衬底)来分析。此时样品反射系数r＝(Zrso+roa)/(1+Zrsoroa)，(3)这里Z＝exp(4πinod/λ)，no是薄膜复折射率，d为薄膜厚度，λ是光的波长，roa和rso分别是薄膜—环境和衬底—薄膜边界的反射系数。在式(3)中，有三个变量可能具有各向异性roa，rso，no。通过偏微分计算，我们能得到下列表达式Δrr=A-1(ΔroaroaB+ΔrsorsoC+ΔnoC4πidλ),----(4)]]>其中A＝(1+Zrsoroa)(Zrso+roa)， (5a)B＝roa(1-Zrso)(1+Zrso)，(5b)C＝Zroa(1-roa)(1+roa). (5c)我们分别称Δroa/roa和Δrso/rso为表面和界面的各向异性。从物理意义来讲，roa，rso和no不是独立变量，均是薄膜介电响应的函数。然而，式(4)用于确定可观察的各向异性由哪一种过程引起的是有用的即是表面还是界面的反射，或是通过薄膜传输引起的。在通常情况下，我们可忽略no的各向异性，这样通过测量两不同薄膜厚度d1和d2两次差分信号，便能获得两个有兴趣的物理量Δroa/roa和Δrso/rso，即分离出表面和界面的各向异性。这里需要强调的是以上处理方法没有涉及任何参数拟合过程，因此它能同时监控表面与界面特性，能实时提供表面的化学与结构和界面的电子与结构等重要信息，在材料生长过程实时监控具有重要意义。 附图说明图1一种基于红外傅里叶光谱仪的反射各向异性光谱原理装置。实施例本专利技术可在伯乐公司红外傅里叶光谱仪(Bio-Rad FTS-65A)上实现，具体参见图1。在光谱仪中加入聚焦反射镜2和3，样品5粘贴在步进马达6转轴上，步进马达6水平或垂直安装在光谱仪的外面，在光谱仪外入射样品光路中添加KRS5红外线偏振器4，用于产生线偏振光。来自傅里叶光谱仪的红外干涉光1通过聚焦反射镜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于红外傅里叶光谱仪的反射各向异性光谱装置，包括红外傅里叶光谱仪、聚焦反射镜、线偏振器、样品、步进马达、探测器，其特征在于：由红外傅里叶光谱仪发射的红外干涉光（１）前进的方向上依次置有带三维调节架（１０）的聚焦反射镜（２）、线偏 振器（４）、置在步进马达（６）的转轴上的样品（５）、带三维调节架（１１）的聚焦反射镜（３）、探测器（７）；红外干涉光（１）经聚焦反射镜（２）反射，通过线偏振器（４）起偏，入射至样品（５），经其反射，至聚焦反射镜（３）反射会聚，输入探测器 （７）；所说的探测器（７）与红外傅里叶光谱仪的信号输入口（８）相连；所说的步进马达（６）与傅里叶光谱仪的马达驱动口（９）相接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：黄志明，褚君浩，张展竑，
申请(专利权)人：中国科学院上海技术物理研究所，
类型：实用新型
国别省市：31[中国|上海]