一種生長薄膜光致發光光譜的原位檢測裝置及方法與流程
2023-04-23 03:58:09 3
本發明涉及光學檢測設備，尤其涉及一種生長薄膜光致發光光譜的原位檢測裝置及方法，屬於半導體材料製造設備技術領域。。
背景技術：
光致發光技術是研究固體中電子狀態、電子躍遷過程和電子-晶格相互作用等物理問題的一種常用方法，具有靈敏度高、無樣品製備和數據採集簡單、對樣品的破壞性小等優點。其基本原理是：半導體材料受到光的激發時，電子產生由低能級向高能級的躍遷，產生電子-空穴對，形成非平衡載流子。這種處於激發態的電子在半導體中運動一段時間後，又回復到較低的能量狀態，並發生電子-空穴對的複合。非平衡電子可以直接越過禁帶與價帶空穴複合，也可以在被禁帶中的定域態俘獲後再與空穴複合。複合可以是輻射複合即發光，或者非輻射的表面複合、俄歇複合和發射多聲子的複合。複合過程中，電子-空穴對如果以光的形式釋放出多餘的能量就稱為光致發光。
光致發光光譜是研究材料光學性質及微結構的手段，可以滿足生物、醫學製藥、化學、食品、寶石學和半導體等行業的不同應用。其測量原理是，當短波長的光照射到材料上，處於低能級上的電子在吸收光子的能量後被激發到高能級。而處於高能級上的電子向低能級躍遷並釋放出光子，即出現螢光。釋放的光子能量由高低能級的能量差決定。因此，通過分析材料的光致發光譜就可以得到材料內部能級的分布情況。一個示例來自半導體光伏行業，通過對半導體材料光致發光譜的分析，可以獲得半導體本徵性質和與缺陷有關的性質，如測量材料的帶隙、發光效率、材料的組分、雜質能級，缺陷類型、薄層厚度（如量子阱厚度）等。
儘管過去十年間相關領域有一些重要的進步，但是現有的測量光致發光的裝置通常無法提供複雜異質結構生長環境（基片高速旋轉，高溫）過程中的實時信息。光致發光信號強度低，為提高檢測的靈敏度，必須最大限度降低背景源，同時儘可能提高信號的採集效率。
技術實現要素：
為了克服現有技術存在的不足，本發明所要解決的技術問題為：提供一種結構簡單，操作方便，靈敏度高的生長薄膜光致發光光譜的原位檢測裝置。
為了解決上述技術問題，本發明採用的技術方案為：一種生長薄膜光致發光光譜的原位檢測裝置，包括薄膜生長反應室，所述薄膜生長反應室內設置有用於承載基片的石磨盤，所述石磨盤下設置有旋轉軸；還包括：脈衝雷射模塊：包含脈衝雷射器及其控制電路，用於發出雷射；
光學組件：用於接收脈衝雷射器發出的雷射，使其入射到基片表面；以及接收經基片表面反射的光，使其入射到光譜儀；
光電開關模塊：包括光電開關和擋片，所述擋片設置在旋轉軸上，所述光電開關設置在擋片兩側；所述光電開關模塊用於在擋片經過光電開關時，產生擋光信號並發送給數據計算單元；
光譜儀：用於接收基片表面反射的光，形成光譜數據並傳輸給數據計算單元，所述光譜儀光譜採集頻率為脈衝雷射器開關頻率的兩倍；
數據計算單元：輸入端與光譜儀和光電開關模塊電連接，輸出端與脈衝雷射器和光譜儀電連接；用於接收光電開關模塊發送的擋光信號，並根據擋光信號，分別輸出信號給所述脈衝雷射器和光譜儀，控制所述脈衝雷射器在對準基片起始位置時開始周期性發光，以及控制所述光譜儀與脈衝雷射器同步開始採集光譜；還用於接收光譜儀傳輸的光譜數據，並對光譜數據進行識別及處理。
所述的一種生長薄膜光致發光光譜的原位檢測裝置，還包括工作信號電路和ad/da轉換電路，所述數據計算單元的輸出端通過ad/da轉換電路和工作信號電路後分別與光譜儀和脈衝雷射模塊電連接，所述光電開關模塊通過所述ad/da轉換電路與所述數據計算單元連接；所述工作信號電路用於將數據計算單元輸出的控制信號分別轉化為第一工作信號發送給所述脈衝雷射器，以及轉化為第二工作信號發送給所述光譜儀，所述ad轉換電路用於將光電開關模塊的擋光信號轉化為數位訊號並發送給數據計算單元，並將數據計算單元發送的控制信號轉換為模擬信號發送給工作信號電路。
所述第一工作信號為周期t0=t/(n0*m)，佔空比為1:1的周期性脈衝信號；所述t為擋光信號周期即為石磨盤旋轉周期，所述m為石磨盤上基片數量；n0為大於零的正整數，表示每個基片上採集的光致發光光譜數量；所述數據計算單元還用於根據擋光信號周期和擋光時刻，確定石磨盤的旋轉周期t，並結合擋片的位置，計算得到脈衝雷射出光口對準任一基片邊緣的時刻，從而使第一工作信號和第二工作信號的起始時刻為脈衝雷射出光口對準某一基片邊緣的時刻。
所述光電開關模塊的擋光時刻為脈衝雷射對準任一基片的邊緣時刻，所述第一工作信號的起始時刻與所述擋光信號的擋光時刻同步。
數據計算單元對光譜數據進行識別與處理具體是指：
數據計算單元以光譜儀每採集兩次光譜數據為一個檢測周期，將每個檢測周期的前一個光譜數據與後一個光譜數據相減，得到的光譜數據記為基片的光致發光光譜數據；
將工作信號與擋光信號進行相位對比，並結合擋片的位置，識別出每個光致發光光譜分別對應的基片。
所述光學組件包括：分束鏡、第一聚光透鏡、帶通濾波片、第二聚光透鏡、光纖接口、光纖，脈衝雷射器發出的脈衝雷射經分束鏡發射後入射到第一聚光透鏡，第一聚光透鏡將脈衝雷射會聚後垂直入射到基片表面，基片表面反射的光經第一聚光透鏡後形成平行光入射到分束鏡，經分束鏡透射後入射到帶通濾波片，經帶通濾波片濾除掉雜散光後入射到第二聚光透鏡，經第二聚光透鏡會聚後入射到光纖接口，通過光纖入射到光譜儀接收。
本發明還提供了一種生長薄膜光致發光光譜的原位檢測裝置的檢測方法，包括以下步驟：
s01、通過光電開關模塊測量擋片的擋光信號，並發送到所述數據計算單元；
s02、所述數據計算單元根據擋光信號，計算出石磨盤的旋轉周期以及第一工作信號的頻率，並結合擋片位置和基片位置，發送控制信號給所述工作信號電路，使所述工作信號電路分別發送第一工作信號給所述脈衝雷射器，並發送第二工作信號給所述光譜儀；同時將光譜儀的光譜採集頻率設置為脈衝雷射器的開關頻率的兩倍；
s03、當脈衝雷射器正好對準一基片邊緣位置時，工作信號電路同時發出第一工作信號和第二工作信號給所述脈衝雷射器和光譜儀；起始時刻，第一工作信號為高電平，脈衝雷射器發光，光譜儀開始記錄數據，經歷半個周期後，第一工作信號為低電平，脈衝雷射器停止發光，光譜儀再一次開始記錄數據；如此循環，待石墨盤旋轉一周，脈衝雷射器經歷所有基片後，停止發光，光譜儀停止採集光譜，並將光譜發送到數據計算單元；。
s04、數據計算單元以光譜儀每採集兩次光譜數據為一個檢測周期，將每個檢測周期的前一個光譜數據與後一個光譜數據相減，得到的光譜數據記為基片的光致發光光譜數據，並根據光譜記錄時間，確定每個光譜數據對應的基片。
所述第一工作信號的周期為t0=t/m，所述步驟s03中，每個檢測周期雷射經歷一個基片。
本發明與現有技術相比具有以下有益效果：本發明通過光電模塊採集擋光信號並傳輸到數據計算單元，數據計算單元可以得到薄膜生長反應室的轉速信息及相位信息，並通過工作信號電路發送同步不同頻率的工作信號給光譜儀和脈衝雷射器，實現了實時控制檢測過程以及數據採集過程的目的；並且，通過對光電模塊採集到的相位信息，還可以對採集到的光致發光光譜進行識別。此外，通過對擋光信號進行數據處理分析，還可以對光譜儀和脈衝雷射器的工作頻率進行控制，不但使數據採集數量少，檢測周期時間大大縮短，大大提高了光致發光光譜信號採集的效率，而且，還可以控制每個採集周期內，脈衝雷射器對準的是同一個基片，提高了數據採集的準確性。
附圖說明
圖1為本發明實施例提供的在線實時檢測基片生長的裝置的原理示意圖；
圖2為本發明實施例提供的在線實時檢測基片生長的裝置的光學組件及光學原理示意圖；
圖3為本發明實施例提供的在線實時檢測基片生長裝置的石墨盤上基片的排列方式結構示意圖。
具體實施方式
為使本發明實施例的目的、技術方案和優點更加清楚，下面將對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例；基於本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有作出創造性勞動前提下所獲得的所有其他實施例，都屬於本發明保護的範圍。
參見附圖1，本發明實施例1提供的用於生產半導體器件薄膜生長的在線檢測裝置，包括薄膜生長反應室1、脈衝雷射模塊2、光學組件4、光譜儀3、ad/da轉換電路5、數據計算單元6、工作信號電路7以及光電開關模塊11，脈衝雷射模塊包括脈衝雷射器以及其控制電路，脈衝雷射器產生的脈衝雷射，通過光學組件4後入射到薄膜生長反應室1內的基片上，基片受雷射照射，產生的光致發光光信號經光學組件3後，進入光譜儀4進行採集，光譜儀4將採集到的光譜傳輸到數據計算單元6進行數據處理。數據計算單元6的輸出端通過ad/da轉換電路5和工作信號電路7後分別與光譜儀和脈衝雷射模塊電連接。
具體地，薄膜生長反應室1內從下至上依次是加熱器10、石墨盤9、基片8，薄膜生長反應室1上部由石英玻璃密封后形成觀察窗口，薄膜生長反應室1處於真空環境中，石磨盤9底部設置有電機控制的旋轉軸12，石磨盤9在旋轉軸的控制下在薄膜生長反應室內的在其中，參見附圖3，為石墨盤9上基片8的排列方式結構示意圖。加熱器10對石墨盤9進行加熱控溫，石墨盤9再加熱基片8。
具體地，光電開關模塊11包括光電開關14和擋片13，其中，所述擋片13設置在在薄膜生長反應室中旋轉軸12上，所述光電開關14設置在擋片13兩側；所述光電開關模塊11用於在擋片周期性經過光電開關時，產生周期性的擋光信號並發送給ad/da轉換電路5；ad/da轉換電路5將該周期性擋光信號轉化為數位訊號後傳輸給數據計算單元6，數據計算單元6根據該周期性擋光信號，不僅可以計算得到薄膜生長反應室1內石磨盤旋轉周期，還可以根據擋片位置，得到擋光信號起始點時，與脈衝雷射對準的基片。數據計算單元6對擋光信號進行分析計算後，通過ad/da轉換電路5，工作信號電路7，發送控制信號給脈衝雷射器和光譜儀，控制所述脈衝雷射器在對準基片起始位置時開始周期性發光，以及控制所述光譜儀與脈衝雷射器同步開始採集光譜，其中，光譜儀的光譜採集頻率為脈衝雷射器開關頻率的兩倍；同時，數據計算單元6還用於接收光譜儀傳輸的光譜數據，並對光譜數據進行識別及處理。
其中，所述工作信號電路用於將數據計算單元輸出的控制信號分別轉化為第一工作信號發送給所述脈衝雷射器，以及轉化為第二工作信號發送給所述光譜儀，所述ad轉換電路用於將光電開關模塊的擋光信號轉化為數位訊號並發送給數據計算單元，並將數據計算單元發送的控制信號轉換為模擬信號發送給工作信號電路。
此外，光譜儀4採集到光譜信號傳輸到數據計算單元6後，數據計算單元6將工作信號與擋光信號進行相位比對，即可以對光譜儀記錄的光譜數據進行識別，即識別出每個光譜數據對應的基片。
其中，脈衝雷射器可選為三倍頻nd：yag脈衝雷射器，波長為355nm，可以為納秒（ns）級脈寬。光譜儀3波段需包含led發光波段，且解析度足夠高，一般選用響應波段為200~1100nm的光譜儀。
具體地，數據計算單元根據光電開關模塊發送的擋光信號對光譜數據進行識別與處理具體是指：數據計算單元以光譜儀每採集兩次光譜數據為一個檢測周期，將每個檢測周期的前一個光譜數據與後一個光譜數據相減，得到的光譜數據記為基片的光致發光光譜數據；數據計算單元將工作信號與擋光信號進行相位對比，並結合擋片的位置，識別出n組光致發光光譜分別對應的基片。
具體地，所述第一工作信號為周期t0=t/(n0*m)，f=n0*m/t，佔空比為1:1的周期性脈衝信號；所述t為擋光信號周期即為石磨盤旋轉周期，所述m為石磨盤上基片數量；n0為大於零的正整數，表示每個基片上採集的光致發光光譜數量；所述數據計算單元還用於根據擋光信號周期和擋光時刻，確定石磨盤的旋轉周期t，並結合擋片的位置，計算得到脈衝雷射出光口對準任一基片邊緣的時刻，從而使第一工作信號和第二工作信號的起始時刻為脈衝雷射出光口對準某一基片邊緣的時刻。第一工作信號的頻率f=n0*m/t，則可以使每個採集周期，脈衝雷射不會跨度到多個基片進行入射，最多經歷一個基片，而且，第一工作信號和第二工作信號的起始時刻為脈衝雷射出光口對準某一基片邊緣的時刻，可以使每個採集周期的均對準一個基片，則採集到的光譜數據更加準確。
舉例說明，假設反應室中石墨盤9上一圈排列有5片基片，如圖3所示，石墨盤轉速為240rpm，則工作信號的頻率可以設置為20hz，40hz，或80hz……等等，則對應地，脈衝雷射器的開關頻率為20hz，40hz或80hz……，光譜儀採集光譜的頻率為40hz，80hz或160hz……，以脈衝雷射器開關頻率20hz，光譜儀採集光譜的頻率40hz為例，即脈衝雷射器開關一次周期為50ms，光譜儀採集數據的周期為25ms，石磨盤每圈歷時250ms，忽略基片間隙，每個基片經歷雷射時間為50ms，剛好每個基片採集2次光譜數據，一次為雷射器開，採集的是基片的光致發光光譜加背景光譜的和，一次為雷射器關，採集的是背景光譜，兩次數據相減，即可以得到該基片的光致發光光譜，去除了測量光譜中的背景數據，大大提高了光致發光光譜的測量靈敏度；假設脈衝雷射器開關頻率為40hz，光譜儀採集光譜的頻率80hz，即脈衝雷射器開關一次周期為25ms，光譜儀採集數據的周期為12.5ms，石磨盤每圈歷時250ms，忽略基片間隙，每個基片經歷雷射時間為50ms，剛好每個基片採集4次光譜數據，第一次和第三次為雷射器開，採集的是基片的光致發光光譜加背景光譜的和，第二次和第四次為雷射器關，採集的是背景光譜，相鄰兩次數據相減後去平均，即可以得到該基片的光致發光光譜；工作信號的周期數最小設置為n=5，即5個檢測周期（250ms）即可以實現所有基片的光致發光光譜數據採集。因此，數據採集過程快，無效數據少，大大提高了光致發光光譜的檢測效率。
進一步地，可以對光電開關模塊的位置進行具體設置，使所述光電開關模塊的擋光時刻為脈衝雷射對準任一基片的邊緣時刻，所述第一工作信號的起始時刻與所述擋光信號的擋光時刻同步。則通過擋片位置可以知道，擋光發生時刻脈衝雷射器對準的基片是哪一片，即第一工作信號或第二工作信號的起始時刻測量的也是該基片反射的光譜，即光譜儀採集的第一組光譜對應的基片可以被識別，再根據信號採集周期及石磨盤旋轉周期等信息，即可以對每一組光譜對應的基片進行識別。此外，第一工作信號的起始時刻也可以與擋光時刻也可以不同步，只需要對兩個信號進行相位對比，同樣可以對每一組光譜對應基片進行識別。
具體地，數據計算單元對光譜數據進行識別與處理具體是指：數據計算單元以光譜儀每採集兩次光譜數據為一個檢測周期，將每個檢測周期的前一個光譜數據與後一個光譜數據相減，得到的光譜數據記為基片的光致發光光譜數據；然後將第一工作信號與擋光信號進行相位對比，並結合擋片的位置，識別出每個光致發光光譜分別對應的基片。
具體地，如圖1～2所示，光學組件包括：分束鏡a01、第一聚光透鏡a02、帶通濾波片a03、第二聚光透鏡a04、光纖接口a05和光纖，脈衝雷射器發出的脈衝雷射經分束鏡a01發射後入射到第一聚光透鏡a02，第一聚光透鏡a02將脈衝雷射會聚後垂直入射到基片表面，基片表面反射的光經第一聚光透鏡a02後形成平行光入射到分束鏡a01，經分束鏡a01透射後入射到帶通濾波片a03，經帶通濾波片a03濾除掉雜散光後入射到第二聚光透鏡a04，經第二聚光a04透鏡會聚後入射到光纖接口a05，通過光纖入射到光譜儀3接收。
本發明實施例還提供了一種生長薄膜光致發光光譜的原位檢測方法，包括以下步驟：
s01、通過光電開關模塊測量擋片的擋光信號，並發送到所述數據計算單元；
s02、所述數據計算單元根據擋光信號，計算出石磨盤的旋轉周期以及第一工作信號的頻率，並結合擋片位置和基片位置，發送控制信號給所述工作信號電路，使所述工作信號電路分別發送第一工作信號給所述脈衝雷射器，並發送第二工作信號給所述光譜儀；同時將光譜儀的光譜採集頻率設置為脈衝雷射器的開關頻率的兩倍；
s03、當脈衝雷射器正好對準一基片邊緣位置時，工作信號電路同時發出第一工作信號和第二工作信號給所述脈衝雷射器和光譜儀；起始時刻，第一工作信號為高電平，脈衝雷射器發光，光譜儀開始記錄數據，經歷半個周期後，第一工作信號為低電平，脈衝雷射器停止發光，光譜儀再一次開始記錄數據；如此循環，待石墨盤旋轉一周，脈衝雷射器經歷所有基片後，停止發光，光譜儀停止採集光譜，並將光譜發送到數據計算單元；。
s04、數據計算單元以光譜儀每採集兩次光譜數據為一個檢測周期，將每個檢測周期的前一個光譜數據與後一個光譜數據相減，得到的光譜數據記為基片的光致發光光譜數據，並根據光譜記錄時間，確定每個光譜數據對應的基片。
由於光譜儀的信號採集頻率為脈衝雷射器開關頻率的兩倍，則脈衝雷射器的開關周期為光譜儀的採集周期的兩倍，即，脈衝雷射器每個開關周期內，光譜儀採集兩次數據，第一次為脈衝雷射器開時，採集的數據為光致發光光譜與背景光譜之和，第二次為脈衝雷射器關，採集的數據為背景光譜，因此，將脈衝雷射器每個周期內採集的數據進行相減，可以得到真正的光致發光光譜。測量數據準確，精度高。
進一步地，所述第一工作信號的周期為t0=t/m，所述步驟s03中，每個基片經歷一個檢測周期。則可以正好每個基片採集一組光致發光光譜，提高了光譜採集的效率。
為保證光譜儀數據採集頻率、脈衝雷射器雷射開關頻率、薄膜生長反應室的轉速等參數協調一致，本發明通過光電模塊採集擋光信號並傳輸到數據計算單元，數據計算單元可以得到薄膜生長反應室的轉速信息及相位信息，採用工作信號電路4及軟體控制並用的方式，及通過控制工作信號電路發送同步不同頻率的工作信號給光譜儀和脈衝雷射器，實現了實時控制檢測過程以及數據採集過程的目的；並且，通過對光電模塊採集到的相位信息，還可以對採集到的光致發光光譜進行識別。此外，通過對擋光信號進行數據處理分析，還可以對光譜儀和脈衝雷射器的工作頻率進行控制，不但使數據採集數量少，檢測周期時間大大縮短，大大提高了光致發光光譜信號採集的效率，而且，還可以控制每個採集周期內，脈衝雷射器對準的是同一個基片，提高了數據採集的準確性。
最後應說明的是：以上各實施例僅用以說明本發明的技術方案，而非對其限制；儘管參照前述各實施例對本發明進行了詳細的說明，本領域的普通技術人員應當理解：其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分或者全部技術特徵進行等同替換；而這些修改或者替換，並不使相應技術方案的本質脫離本發明各實施例技術方案的範圍。