一种薄膜外延生长在线实时表征装置制造方法及图纸

本发明专利技术公开了一种薄膜外延生长在线实时表征装置，利用拉曼光谱信号对MOCVD设备中薄膜外延生长过程中的纳米材料微观结构进行实时、直接表征。激发光被第一分光镜反射后，由平凸透镜聚焦，通过MOCVD反应腔顶部的观察窗口，将聚焦点照射在外延片上；聚焦点照射区域被激发的拉曼光谱信号由于是在平凸透镜的聚焦点，因此绝大部分拉曼光谱信号是被平凸透镜收集到，通过第一分光镜后，汇聚在聚焦透镜的焦点上，此时该焦点处有一个共焦针孔，起到空间滤波、抑制杂散光的作用。激发光与探测光即拉曼光谱信号的光路前端单元是共用的，能够尽可能地缩小探头体积，克服反应室观察窗口的空间限制。

【技术实现步骤摘要】
一种薄膜外延生长在线实时表征装置
本专利技术属于在线监测
，更为具体地讲，涉及一种针对MOCVD设备中薄膜外延生长的在线实时表征装置。
技术介绍
金属有机化学气相沉积(MOCVD,Metal Organic Chemical Vapour Deposition)方法由于技术成熟、外延生长质量好，在纳米材料的生长中越来越得到广泛引用，尤其在GaN基LED异质外延生长中是必不可少的工具。MOCVD是利用金属有机化合物(MO)和氢化物，通过在高温反应室中进行裂解、合成等化学反应，以气相形式在外延片上进行薄膜外延生长。随着MOCVD外延材料生长的结构越来越复杂，生长中要求控制的组分、原子层厚度以及成膜质量越来越高，在MOCVD系统中在线实时监测材料沉积过程中各种物性的变化，可以揭示生长率、材料质量、表面原子重构等的相互关系，从而方便调整生长参数，实现结构生长最优化，使高性能薄膜的生长具有重复性精度。因此，薄膜材料生长在线监测已成为MOCVD系统的重要部分。然而由于MOCVD技术的特殊性，极大地限制了在线监测中各种表征技术的应用。1、反应环境中充满了各种组分、各种浓度的反应气体，就极大地限制了以发射电子方式工作的表征技术，如反射高能电子衍射(RHEED)、扫描电子显微镜(SEM)等等。2、有限的反应室空间以及快速旋转的衬底基片，都限制了以变掠角扫描或变波长扫描方式进行工作的X射线衍射谱(XRD)技术。目前，MOCVD中的薄膜外延生长在线监测，有以下几监测方法:1、生长温度监测生长温度的测量原理是，首先，采用热辐射计测量物体热辐射光谱中，波长为950nm的红外光强度；然后，以相同950nm波长红外光入射，测量薄膜对该波长光的吸收率，根据基尔霍夫热辐射定律，薄膜热辐射中950nm波长红外光的发射率与所测吸收率应相等，通过两次测量结果对薄膜的温度进行修正，得到更准确的温度。然而在MOCVD中，薄膜生长质量的影响因素较多，如气体流量的稳定性、掺杂浓度、生长速度、温度控制精度等等，在线生长温度测量只是控制薄膜生长质量的重要指标之一。2、反射各向异性谱反射各向异性谱(RAS)，也称为偏振差分反射光谱(RDS)，其原理为利用光的不同偏振分量反射比作差，消去体相产生的各向同性信号，能够敏感地反映出样品在垂直于入射光传播方向的平面内，两个相互垂直的方向上的振幅反射系数的细微差异，即平面内光学各向异性。RAS主要针对立方晶系半导体(如I1-VI族、II1-V族半导体材料)，尽管理论上立方晶系材料是各向同性的，但在薄膜外延过程中，由于表面重构和弛豫，将引起的表面非对称性。因此利用RAS可以非常敏感地反映出立方晶系半导体表面重构的各向异性信息，并能进一步分析外延表面的生长质量，例如，量子阱界面质量。但是，RAS只是对最外层的信息敏感，因此在目前MOCVD在线实时监测中，很少使用该技术。3、基于Fabry-Perot干涉振荡的反射谱Fabry-Perot干涉是基于固定波长入射光在外延层表面、薄膜外延层内部、衬底界面三者之间产生的多次反射、折射，总的反射光强是这些最终从外延层表面反射回来的光束叠加，由于各光束之间存在相位差，反射光强度将随着外延层厚度的变化，出现周期性振荡反射谱。反射谱中不仅包含了生长率、薄膜厚度信息，而且从反射谱曲线的振幅及其变化趋势中能提取出的折射率、吸收率、表面质量信息，因此外延层的特征参数，如组分、应力、表面态、渗杂浓度变化等，可以在建立相应材料的光学模型前提下，通过测量反射谱的变化从而间接计算得到。但由于是间接获取的信息，必然存在较大误差和不确定性。4、外延层表面翘曲度外延层表面曲率的测量原理如图2所示，两束(或两束以上)平行激光直接照射在外延片表面，根据反射光斑的间距变化就可以推算出外延片的表面曲率。外延片产生弯曲是由异质外延层的晶格常数及热膨胀系数不匹配引起，通过在线表面曲率测量，能够对掺杂诱导应力的形成过程，以及掺杂程度对应力松驰以及位错湮灭的机制进行研究。外延层表面翘曲度在线测量虽然能实时反映异质外延层的应力形成与变化过程，但是翘曲度改变的根本原因是由晶格常数及热膨胀系数失配引起位错所造成的，在线表面翘曲度测量属于由宏观现象推断微观特征，同样也存在误差和不确定性。综上所述，目前还没有技术或产品能够在MOCVD中实时、直接表征纳米材料微观结构、晶体状况、掺杂组分和浓度等特性。现有的在线监测技术都只能材料生长完成后，取出反应腔，利用常规离线表征技术，如SEM、XRD、透射电子显微镜(TEM)、原子力显微镜(AFM)、拉曼光谱等来进行验证与校准。
技术实现思路
本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供一种MOCVD设备中薄膜外延生长的在线实时表征装置，以实现实时、直接表征纳米材料薄膜外延生长的特性。为实现上述专利技术目的，本专利技术薄膜外延生长的在线实时表征装置，其特征在于，包括光源、探头以及傅里叶变换光谱仪；所述的探头包括第一分光镜、平凸透镜、第一聚焦透镜、共焦针孔、第一准直透镜以及第二聚焦透镜；光源发出单色的激发光被第一分光镜反射后，由平凸透镜聚焦，通过MOCVD反应腔顶部的观察窗口，将聚焦点照射在外延片上；外延片聚焦点照射区域被激发的拉曼光谱信号被平凸透镜收集并通过第一分光镜透射后，经第一聚焦透镜汇聚，在第一聚焦透镜的焦点处为共焦针孔，被激发的拉曼光谱信号经过共焦针孔经过空间滤波抑制杂散光后，经第一准准直透镜变为平行光以及第二聚焦透镜聚焦进入第一光纤耦合器，然后经过光纤传输到傅里叶变换光谱仪；傅里叶变换光谱仪将接收的拉曼光谱信号的亮度谱在时间域作展开，再有傅里叶变换将时间域亮度谱变换为在空间域色散的谱，提取出光谱。本专利技术的目的是这样实现的:拉曼光谱是当单色光被物质散射时，散射光中不仅存在与入射光同频率的谱线(瑞利散射光)，还存在频率向正负方向发生相同位移且强度只有瑞利散射强度的10_3?IO-6的谱线。拉曼频移与物质分子的转动和振动能级有关，利用拉曼光谱可以对纳米材料进行分子结构分析、键态特征分析和定性鉴定等进行表征。本专利技术薄膜外延生长的在线实时表征装置利用拉曼光谱信号对MOCVD设备中薄膜外延生长过程中的纳米材料微观结构进行实时、直接表征，并针对MOCVD工艺及反应室结构的特殊性，采用激发光与光谱探测系统反射式共焦，单平面收集光谱信号。激发光被第一分光镜反射后，由平凸透镜聚焦，通过MOCVD反应腔顶部的观察窗口，将聚焦点照射在外延片上；聚焦点照射区域被激发的拉曼光谱信号由于是在平凸透镜的聚焦点，因此绝大部分拉曼光谱信号是被平凸透镜收集到，通过第一分光镜后，汇聚在聚焦透镜的焦点上，此时该焦点处有一个共焦针孔，起到空间滤波、抑制杂散光的作用。这样，由于采用反射式共焦系统中，激发光与探测光即拉曼光谱信号的光路前端单元是共用的，能够尽可能地缩小探头体积，克服反应室观察窗口的空间限制。此外，不仅聚焦区域以外的杂散光能够被很好地抑制，而且聚焦区域的拉曼光谱信号将被闻效地收集，从而大大提闻[目噪比。【附图说明】图1是MOCVD生长原理示意图；图2是表面曲率测量原理示意图；图3是本专利技术薄膜外延生长在线实时表征装置一种【具体实施方式】原理图；图4是本专利技术薄膜外延生长在线实时表征装置另一种【具体实施方式本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜外延生长在线实时表征装置，其特征在于，包括光源、探头以及傅里叶变换光谱仪；所述的探头包括第一分光镜、平凸透镜、第一聚焦透镜、共焦针孔、第一准直透镜以及第二聚焦透镜；光源发出单色的激发光被第一分光镜反射后，由平凸透镜聚焦，通过MOCVD反应腔顶部的观察窗口，将聚焦点照射在外延片上；外延片聚焦点照射区域被激发的拉曼光谱信号被平凸透镜收集并通过第一分光镜透射后，经第一聚焦透镜汇聚，在第一聚焦透镜的焦点处为共焦针孔，被激发的拉曼光谱信号经过共焦针孔经过空间滤波抑制杂散光后，经第一准直透镜变为平行光以及第二聚焦透镜聚焦进入第一光纤耦合器，然后经过光纤传输到傅里叶变换光谱仪；傅里叶变换光谱仪将接收的拉曼光谱信号的亮度谱在时间域作展开，再有傅里叶变换将时间域亮度谱变换为在空间域色散的谱，提取出光谱。

【技术特征摘要】
1.一种薄膜外延生长在线实时表征装置，其特征在于，包括光源、探头以及傅里叶变换光谱仪； 所述的探头包括第一分光镜、平凸透镜、第一聚焦透镜、共焦针孔、第一准直透镜以及第二聚焦透镜；光源发出单色的激发光被第一分光镜反射后，由平凸透镜聚焦，通过MOCVD反应腔顶部的观察窗口，将聚焦点照射在外延片上；外延片聚焦点照射区域被激发的拉曼光谱信号被平凸透镜收集并通过第一分光镜透射后，经第一聚焦透镜汇聚，在第一聚焦透镜的焦点处为共焦针孔，被激发的拉曼光谱信号经过共焦针孔经过空间滤波抑制杂散光后，经第一准直透镜变为平行光以及第二聚焦透镜聚焦进入第一光纤耦合器，然后经过光纤传输到傅里叶变换光谱仪； 傅里叶变换光谱仪将接收的拉曼光谱信号的亮度谱在时间域作展开，再有傅里叶变换将时间域亮度谱变换为在空间域色散的谱，提取出光谱。2.根据权利要求1所述的在线实时表征装置，其特征在于，在所述的激发光的光路中加入第二分光镜，光源发出单色的激发光经过第三光纤耦合器进入探头、然后由第二准直透镜变为平行光，经过第二分光镜透射后使激发光进入共焦光路即被第一分光镜反射，由平凸透镜聚焦的光路，同时第二分光镜将包括反射光谱、热辐射光谱的反射光束反射传送到探测器进行采集、分析；其中，所述的反射传送为反射光束经第二分光镜反射后进入第三聚焦透镜汇聚进入第二光纤耦合器，然后由光纤传送至探测器中，...

【专利技术属性】
技术研发人员：王超，陈磊，伍思昕，张晨贵，梁莹林，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：