原位实时探测薄膜生长状况的光反射差装置和方法制造方法及图纸

一种原位实时探测薄膜生长状况的光反射差装置，包括：激光器（１）、起偏器（５）、光偏振调制器（６）、光电探测器（１５）、滤波电路（１６）、放大器（１７）和数据采集处理系统（１８）；其特征在于：还包括电光调制器件（７）和检偏器（１４）；其中激光器１输出光的前方安置一个起偏器（５），起偏器（５）出射的偏振光经过前方的光路上安置一光偏振调制器（６），输出光路上安置一电光调制器件（７），经过调制的输出光入射外延室窗口（１０）后，入射到被探测的外延基片（１２）表面，经外延层膜表面反射后的光从外延室窗口（１３）输出，通过检偏器（１４）后输出到探测器（１５）；探测器（１５）、滤波电路（１６）、放大器（１７）和数据采集处理系统（１８）电联接，其中滤波电路（１６）的一个电阻并联在探测器（１５）的输出端，另一个电阻并联在放大器（１７）的输入端。（*该技术在2023年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种光学仪器，特别是涉及一种光学原位实时探测薄膜外延生长状况的专用装置和方法。
技术介绍
薄膜技术以其独特的优点和特性，已成为探索新材料和制备各种高性能器件的重要手段，薄膜科学已成为最活跃的前沿学科之一。人为控制原子尺度外延生长薄膜材料的组分、结构和特性，是制备高性能优质外延薄膜和人为设计新型功能材料及进行其相应物理化学等基础研究的基础，是凝聚态物理和材料科学方面最引人注目和感兴趣的领域。要外延生长特殊结构和特性的高质量薄膜材料，对于薄膜外延生长过程的原位实时探测与监控是至关重要的。目前原位实时探测和监控薄膜外延生长状况的主要工具之一，是采用反射式高能电子衍射仪和椭偏测量仪；由于应用这两种仪器来探测和监控薄膜外延生长状况时，存在对于工作气压和温度等条件要求苛刻的缺点，因此它们的应用范围十分有限。我们已授权的中国专利号97104431.7；专利技术名称探测与监控薄膜外延生长和热退火的光反射差法及装置的组成如图1所示。它由激光器、透镜、反射镜、调制器、平面平行玻片、光电探测器、放大器和数据采集处理系统组成。但上述专利是通过采集倍频信号来得到薄膜外延生长状况的光反射差振荡信号。而不能同时监测基频和倍频两路信号，如果能同时监测基频和倍频两路信号，将得到更多的信息和结果。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服原有的实时探测与监控薄膜外延生长的光反射差法及装置的缺陷；为了能够同时探测基频和倍频信号，而观察到更多薄膜表面结构和氧化状态的实时信息，进一步探测薄膜的成膜过程，以制备更为理想的薄膜材料，从而提供一种用于原位实时探测薄膜层状外延生长状况的光反射差装置和方法。本专利技术的目的是这样完成的本专利技术的原位实时探测薄膜生长状况的光反射差装置包括激光器1、起偏器5、光偏振调制器6、光电探测器15、滤波电路16、放大器17和数据采集处理系统18；其特征在于还包括电光调制器件7和检偏器14；其中激光器1输出光的前方安置一个起偏器5，起偏器5出射的偏振光经过前方的光路上安置一光偏振调制器6，输出光路上安置一电光调制器件7，经过调制的输出光入射外延室窗口10后，入射到被探测的外延基片表面，经外延层膜表面反射后的光从外延室窗口13输出，通过检偏器14后输出到探测器15，滤波电路16的一个电阻并联在探测器的输出端，另一个电阻并联在放大器的输入端；探测器15、放大器17和数据采集处理系统18电联接；即探测信号经滤波电路16滤波后输入放大器17放大，然后将放大后的信号输入到数据采集处理系统18。所述的滤波电路16采用л型滤波，选用两个10K电阻和一个0.1μ的陶瓷电容，把电容的两端分别和一个电阻连接，把两个电阻和电容不连接的一端连接在一起并接地。为了满足实际需要，还包括在激光器输出光的前方光路中需要改变光束方向的任何位置安放反射镜，或者在电光调制器件输出光的前方光路中安放一光栏，以达到限制与隔离杂散光，使实验取得更好的效果。为了提高探测的灵敏度在本专利技术的专用装置中还包括在电光调制器件与光栏之间的光路上安置一透镜，其作用是减小激光束的发散度。所述的光电探测器是光电二极管、锑镉汞、热释电、光电倍增管或光电转换探测器。本专利技术的专用装置中安放一起偏器的目的是用来精确确定初始线偏振光的振动方向。本专利技术的专用装置中的光偏振调制器是一台光弹调制器，设置它的目的是可将单一方向偏振的激光束调制成偏振方向由P到S，再由S到P，调制频率可由几十Hz到几万Hz偏振方向连续改变的调制激光束。本专利技术的专用装置中的电光调制器件是一个普克盒，可以通过改变施加在普克盒上的电压来改变P偏振光和S偏振光之间的相移，电压从0伏到2000伏连续可调。本专利技术的利用上述的专用装置进行薄膜外延生长状况的实时监测的方法，包括如下步骤1.先打开激光器，输出的激光入射到起偏器，从起偏器出射的偏振光通过前方的光偏振调制器，光偏振调制器将输入的单一偏振方向的激光调制为以一定频率在S偏振和P偏振之间连续变化的调制光；2.被调制的激光通过光路上的电光调制器件，改变施加在电光调制器件上的电压，可以改变P偏振与S偏振光之间的相移，起到基频信号调零的作用；然后把被调制的光从与基片法线夹角为30～87°的角度由外延室窗口入射到外延室内的外延基片上，基片反射出的光从外延室窗口射出；3.反射光从外延室窗口出射以后入射到检偏器，调节检偏器与P偏振方向的夹角，使倍频信号调零；从检偏器出射的光入射到光电探测器，光电探测器把光信号转变成电信号，信号经滤波电路滤波后输入到放大器(锁相放大器)，放大后的信号输入到常规的数据采集处理系统，经过处理后得到实验结果，再由探测结果分析并反过来监控薄膜的外延生长。本专利技术与原有的方法区别如下增加了电光调制器件，用来在实验开始阶段将基频信号调零，这样能够探测基频信号；使用检偏器代替平面镜组来将倍频信号调零。本专利技术的优点在于本专利技术的装置独立安置在薄膜外延生长系统之外，使用时不受温度、气压影响。由于该装置中增加了电光调制器件，用来在实验开始阶段将基频信号调零，这样能够探测基频信号；使用检偏器代替平面镜组来将倍频信号调零，可达到同时探测基频信号和倍频信号的目的，从而得到更多的关于薄膜在外延过程中的状态信息。并且可探测与监控原子尺度精度的薄膜外延生长，应用范围广，使用方便简单。附图说明下面结合附图及实施例对本专利技术进行详细地说明图1是已有的光反射差装置组成示意图。图2是本专利技术的光反射差装置组成示意图。图3(a)是本专利技术的一种实施例生长膜厚约为1/4探测光波长的光反射差振荡曲线，点划线代表基频信号，实线代表倍频信号。图3(b)是用本专利技术的方法测得的对应于外延每一个原胞层的振荡信号。图面说明如下1---激光器； 2，3---反射镜； 4，9---光栏；5---起偏器； 6---光偏振调制器； 7---电光调制器件；8---透镜； 10，13---外延室窗口；11---外延室；12---外延基片；14---检偏器；15---光电探测器；16---滤波电路；17---放大器；18---数据采集处理系统；具体实施方式实施例1按图2制作一本专利技术的原位实时探测薄膜生长状况的光反射差装置，参考图2，图中激光器1用输出偏振光波长632.8nm的He-Ne激光器；激光器1输出光的前方安置一个从New Focus购买的5524型偏振器5，起偏器5出射的偏振光经过前方的光路上安置一用美国Hinds公司生产的PEM90型光弹调制器6，输出光路上安置一电光调制器件7，该电光调制器件7使用Cleveland Crystals公司生产的IMPACT10型普克盒，经过调制的输出光入射外延室窗口10后，入射到被探测的外延基片表面，经外延层膜表面反射后的光从外延室窗口13输出，通过检偏器14后输出到探测器15，光电探测器15(用美国Newport-Klinger公司生产的818-B8-40型硅光电二极管)、放大器17和数据采集处理系统18电联接；即探测信号经滤波电路16滤波后输入放大器17放大，然后将放大后的信号输入到数据采集处理系统18。检偏器14使用CVI Laser公司CPAD-10.0-425-675型号的偏振器；放大器17用Stanford Research Systems的SR830DSP型本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：费义艳，吕惠宾，朱湘东，陈正豪，周岳亮，金奎娟，程波林，杨国桢，
申请(专利权)人：中国科学院物理研究所，
类型：发明
国别省市：