專利名稱：用于原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實用新型涉及一種光學(xué)儀器，特別是涉及一種光學(xué)原位實時探測薄膜外延生長狀況的專用裝置。
背景技術(shù)：
薄膜技術(shù)以其獨特的優(yōu)點和特性，已成為探索新材料和制備各種高性能器件的重要手段，薄膜科學(xué)已成為最活躍的前沿學(xué)科之一。人為控制原子尺度外延生長薄膜材料的組分、結(jié)構(gòu)和特性，是制備高性能優(yōu)質(zhì)外延薄膜和人為設(shè)計新型功能材料及進(jìn)行其相應(yīng)物理化學(xué)等基礎(chǔ)研究的基礎(chǔ)，是凝聚態(tài)物理和材料科學(xué)方面最引人注目和感興趣的領(lǐng)域。要外延生長特殊結(jié)構(gòu)和特性的高質(zhì)量薄膜材料，對于薄膜外延生長過程的原位實時探測與監(jiān)控是至關(guān)重要的。
目前原位實時探測和監(jiān)控薄膜外延生長狀況的主要工具之一，是采用反射式高能電子衍射儀和橢偏測量儀；由于應(yīng)用這兩種儀器來探測和監(jiān)控薄膜外延生長狀況時，存在對于工作氣壓和溫度等條件要求苛刻的缺點，因此它們的應(yīng)用范圍十分有限。我們已授權(quán)的中國專利號97104431.7；發(fā)明名稱探測與監(jiān)控薄膜外延生長和熱退火的光反射差法及裝置的組成如

圖1所示。它由激光器、透鏡、反射鏡、調(diào)制器、平面平行玻片、光電探測器、放大器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)組成。但上述專利是通過采集倍頻信號來得到薄膜外延生長狀況的光反射差振蕩信號。而不能同時監(jiān)測基頻和倍頻兩路信號，如果能同時監(jiān)測基頻和倍頻兩路信號，將得到更多的信息和結(jié)果。

發(fā)明內(nèi)容
本實用新型的目的在于克服原有的實時探測與監(jiān)控薄膜外延生長的光反射差法及裝置的缺陷；為了能夠同時探測基頻和倍頻信號，而觀察到更多薄膜表面結(jié)構(gòu)和氧化狀態(tài)的實時信息，進(jìn)一步探測薄膜的成膜過程，以制備更為理想的薄膜材料，從而提供一種用于原位實時探測薄膜層狀外延生長狀況的光反射差裝置。
本實用新型的目的是這樣完成的本實用新型的原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置包括激光器1、起偏器5、光偏振調(diào)制器6、光電探測器15、濾波電路16、放大器17和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)18；其特征在于還包括電光調(diào)制器件7和檢偏器14；其中激光器1輸出光的前方安置一個起偏器5，起偏器5出射的偏振光經(jīng)過前方的光路上安置一光偏振調(diào)制器6，輸出光路上安置一電光調(diào)制器件7，經(jīng)過調(diào)制的輸出光入射外延室窗口10后，入射到被探測的外延基片表面，經(jīng)外延層膜表面反射后的光從外延室窗口13輸出，通過檢偏器14后輸出到探測器15，濾波電路16的一個電阻并聯(lián)在探測器的輸出端，另一個電阻并聯(lián)在放大器的輸入端；探測器15、放大器17和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)18電聯(lián)接；即探測信號經(jīng)濾波電路16濾波后輸入放大器17放大，然后將放大后的信號輸入到數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)18。
所述的濾波電路采用л型濾波，選用兩個10K電阻和一個0.1μ的陶瓷電容，把電容的兩端分別和一個電阻連接，把兩個電阻和電容不連接的一端連接在一起并接地。
為了滿足實際需要，還包括在激光器輸出光的前方光路中需要改變光束方向的任何位置安放反射鏡，或者在電光調(diào)制器件輸出光的前方光路中安放一光欄，以達(dá)到限制與隔離雜散光，使實驗取得更好的效果。
為了提高探測的靈敏度在本實用新型的專用裝置中還包括在電光調(diào)制器件與光欄之間的光路上安置一透鏡，其作用是減小激光束的發(fā)散度。
所述的光電探測器是光電二極管、銻鎘汞、熱釋電、光電倍增管或光電轉(zhuǎn)換探測器。
本實用新型的專用裝置中安放一起偏器的目的是用來精確確定初始線偏振光的振動方向。
本實用新型的專用裝置中的光偏振調(diào)制器是一臺光彈調(diào)制器，設(shè)置它的目的是可將單一方向偏振的激光束調(diào)制成偏振方向由P到S，再由S到P，調(diào)制頻率可由幾十Hz到幾萬Hz偏振方向連續(xù)改變的調(diào)制激光束。
本實用新型的專用裝置中的電光調(diào)制器件是一個普克盒，可以通過改變施加在普克盒上的電壓來改變P偏振光和S偏振光之間的相移，電壓從0伏到2000伏連續(xù)可調(diào)。
本實用新型的優(yōu)點在于本實用新型的裝置獨立安置在薄膜外延生長系統(tǒng)之外，使用時不受溫度、氣壓影響。由于該裝置中增加了電光調(diào)制器件，用來在實驗開始階段將基頻信號調(diào)零，這樣能夠探測基頻信號；使用檢偏器代替平面鏡組來將倍頻信號調(diào)零，可達(dá)到同時探測基頻信號和倍頻信號的目的，從而得到更多的關(guān)于薄膜在外延過程中的狀態(tài)信息。該進(jìn)行薄膜外延生長狀況的實時監(jiān)測的方法，可探測與監(jiān)控原子尺度精度的薄膜外延生長，應(yīng)用范圍廣，方法簡單。
以下結(jié)合附圖及實施例對本實用新型進(jìn)行詳細(xì)地說明圖1是已有的光反射差裝置組成示意圖。
圖2是本實用新型的光反射差裝置組成示意圖。
圖3(a)是本實用新型的一種實施例生長膜厚約為1/4探測光波長的光反射差振蕩曲線，點劃線代表基頻信號，實線代表倍頻信號。
圖3(b)是用本實用新型的方法測得的對應(yīng)于外延每一個原胞層的振蕩信號。
圖面說明如下1---激光器； 2，3---反射鏡；4，9---光欄；5---起偏器； 6---光偏振調(diào)制器； 7---電光調(diào)制器件；8---透鏡； 10，13---外延室窗口； 11---外延室；12---外延基片； 14---檢偏器； 15---光電探測器；16---濾波電路； 17---放大器； 18---數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)；具體實施方式
實施例1按圖2制作一本發(fā)明的原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，參考圖2，圖中激光器1用輸出偏振光波長632.8nm的He-Ne激光器；激光器1輸出光的前方安置一個從New Focus購買的5524型偏振器5，起偏器5出射的偏振光經(jīng)過前方的光路上安置一用美國Hinds公司生產(chǎn)的PEM90型光彈調(diào)制器6，輸出光路上安置一電光調(diào)制器件7，該電光調(diào)制器件7使用Cleveland Crystals公司生產(chǎn)的IMPACT10型普克盒，經(jīng)過調(diào)制的輸出光入射外延室窗口10后，入射到被探測的外延基片表面，經(jīng)外延層膜表面反射后的光從外延室窗口13輸出，通過檢偏器14后輸出到探測器15，光電探測器15(用美國Newport-Klinger公司生產(chǎn)的818-B8-40型硅光電二極管)、放大器17和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)18電聯(lián)接；即探測信號經(jīng)濾波電路16濾波后輸入放大器17放大，然后將放大后的信號輸入到數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)18。檢偏器14使用CVI Laser公司CPAD-10.0-425-675型號的偏振器；放大器17用Stanford Research Systems的SR830DSP型號的鎖相放大器；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)18由數(shù)據(jù)采集卡和電腦組成。
濾波電路16采用自制的л型濾波，選用兩個10K電阻和一個0.1μ的陶瓷電容，把電容的兩端分別和一個電阻連接，把兩個電阻和電容不連接的一端連接在一起并接地。一個電阻并聯(lián)在探測器的輸出端，另一個電阻并聯(lián)在放大器的輸入端。
首先打開激光器1，輸出的偏振光可以通過光欄4入射到起偏器5，也可以偏振光直接入射到起偏器5，通過起偏器的光進(jìn)入光偏振調(diào)制器6，通過調(diào)制的光再通過光路上的電光調(diào)制器件7，改變施加在電光調(diào)制器件7上的電壓可調(diào)節(jié)P偏振與S偏振光之間的相移，起到基頻信號調(diào)零的作用；從電光調(diào)制器件出射的光可以通過透鏡8或者是直接在30°-87°的入射角度范圍從外延室窗口10入射到外延室內(nèi)的外延基片12上，基片12反射的光從外延室窗口13射出入射到檢偏器14，改變檢偏器14和P偏振之間的夾角可以達(dá)到倍頻信號調(diào)零的目的。通過檢偏器14的光由光電探測器15接收，光電探測器15把光信號轉(zhuǎn)變成電信號，電信號經(jīng)濾波電路16濾波后，輸入到放大器17，經(jīng)放大后的信號再輸入到常規(guī)的數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)18，經(jīng)過處理后得到結(jié)果，再將結(jié)果反過來控制外延生長。
實施例2參考圖2，激光器1使用輸出波長632.8nm、5mW、輸出偏振光的He-Ne激光器，反射鏡2和3改變光束方向，按照實驗和實際需要，可以在光路中需要改變光束方向的任何位置安放反射鏡，光欄4和9限制與隔離雜散光，起偏器5用來精確確定初始線偏振光的振動方向。光偏振調(diào)制器6是一臺光彈調(diào)制器，它可將單一方向偏振的激光束調(diào)制成偏振方向由P到S，再由S到P，調(diào)制頻率可由幾十Hz到幾萬Hz偏振方向連續(xù)改變的調(diào)制激光束。電光調(diào)制器件7是一個普克盒，可以通過改變施加在普克盒上的電壓來改變P偏振光和S偏振光之間的相移，電壓從0伏到2000伏連續(xù)可調(diào)。透鏡8的作用是減小激光束的發(fā)散度。檢偏器14放置在出射窗口之后，透光軸與P偏振方向有定的夾角。在實驗開始階段，調(diào)節(jié)普克盒上的電壓和檢偏器與P偏振之間的夾角大小來將基頻和倍頻信號分別調(diào)零。因此，從激光器1輸出的偏振光，通過反射鏡2和3后，再經(jīng)過起偏器5，入射到光彈調(diào)制器6，考慮到放大器的響應(yīng)頻率，我們將調(diào)制器的頻率調(diào)為50KHz，初始的P偏振光經(jīng)過調(diào)制后，變成為頻率50KHz由P到S、由S到P偏振的偏振調(diào)制光束。通過電光調(diào)制器件7后，光以30°-87°的入射角從外延室窗口10入射到外延室11內(nèi)的外延基片12表面。經(jīng)基片12反射后從窗口13射出，出射光經(jīng)過出射窗口后的檢偏器14后，由光電探測器15接收，并將光信號轉(zhuǎn)變成電信號，探測器15的輸出端與濾波電路16輸入端連接，濾波電路可以是T型或л型濾波，目的是濾掉一些由電源或振動等產(chǎn)生的低頻噪聲，從而提高信號的分辨率和靈敏度。經(jīng)濾波后的信號與鎖相放大器17的輸入端連接，放大器17的輸出端與數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)18連接，由數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)18采集數(shù)據(jù)并輸出實驗結(jié)果。實驗過程中只要我們微調(diào)普克盒7上的電壓和檢偏器14與P偏振方向的夾角，就可獲得最佳的結(jié)果。
本實施例中反射鏡2、3用Newport公司出售的直徑25.4mm的He-Ne激光介質(zhì)膜反射鏡；光欄4、9用大恒公司生產(chǎn)的可調(diào)孔徑光欄；起偏器5是從New Focus購買的5524型偏振器；光偏振調(diào)制器6用美國Hinds公司生產(chǎn)的PEM90型光彈調(diào)制器；電光調(diào)制器件7使用Cleveland Crystals公司生產(chǎn)的IMPACT10型普克盒；透鏡8川自制的直徑φ30mm、厚3mm、焦距400mm的石英透鏡；檢偏器14使用CVI Laser公司CPAD-10.0-425-675型號的偏振器；光電探測器15用美國Newport-Klinger公司生產(chǎn)的818-B8-40型硅光電二極管；濾波電路16采用自制的л型濾波，也就是在一個0.1μ的電容兩端各接一個10K的電阻，把兩個10K電阻的另外兩端連接并接地，然后把一個電阻的兩端與探測器的輸出端連接，把另一個電阻的兩端與放大器的輸入端連接；放大器17用Stanford Research Systems的SR830 DSP型號的鎖相放大器；數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)18由數(shù)據(jù)采集卡和電腦組成。
圖3是采用圖2所示裝置應(yīng)用在激光分子束外延過程中，和采用本發(fā)明的方法觀測到的連續(xù)外延生長時的光反射差振蕩信號。光反射差法得到的信號是薄膜界面反射信號和表面原胞層生長過程中反射信號的疊加，圖3(a)是生長膜厚約為1/4探測光波長的光反射差振蕩曲線，點劃線代表基頻信號，實線代表倍頻信號。光反射差信號一個大的振蕩周期對應(yīng)于外延生長的膜厚為1/4探測光的波長。若探測光用波長為632.8nm的He-Ne激光器，每一個大的周期對應(yīng)的膜厚約是158.2nm。如圖3(a)所示，基頻信號比倍頻信號的峰值位置超前1/4周期。若把大的振蕩周期展開，就可觀測到如圖3(b)所示的對應(yīng)于外延每一個原胞層的振蕩信號。而且大周期不同位置對應(yīng)的原胞層振蕩的幅度是不同的。對于不同折射率的外延材料，得到光反射差信號周期是不同的。間歇式外延生長條件下，基頻信號的形狀和倍頻信號的形狀不同，表明兩個信號探測到的表面信息不同。因此，我們的實驗結(jié)果也表明，用光反射差法探測與監(jiān)控薄膜的外延生長過程是一種靈敏度高、獲取信息多、應(yīng)用范圍廣、非常實用的薄膜外延生長原位實時監(jiān)測方法。
實施例3本實施例的裝置按實施例2制作做，只是檢偏器14用一塊以上的平面平行玻片代替，本實施例用兩塊。
實施例4本實施例的裝置按實施例2制作做，只是電光調(diào)制器件7使用克爾盒。
實施例5本實施例的裝置按實施例2制作做，只是激光器1選用半導(dǎo)體激光器。
實施例6本實施例的裝置按實施例2制作做，只是放大器17選用自制差分放大器。
實施例7本實施例的裝置按實施例2制作做，只是光偏振調(diào)制器6用一個高速旋轉(zhuǎn)的半波片代替光彈調(diào)制器。
實施例8本實施例的裝置按實施例2制作做，只是數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)18選用函數(shù)記錄儀直接繪出曲線。
實施例9本實施例的裝置按實施例2制作做，只是光電探測器15用一個快響應(yīng)熱釋電探測器代替光電二極管。
權(quán)利要求1.一種用于原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，包括激光器(1)、起偏器(5)、光偏振調(diào)制器(6)、光電探測器(15)、濾波電路(16)、放大器(17)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(18)；其特征在于還包括電光調(diào)制器件(7)和檢偏器(14)；其中激光器1輸出光的前方安置一個起偏器(5)，起偏器(5)出射的偏振光經(jīng)過前方的光路上安置一光偏振調(diào)制器(6)，輸出光路上安置一電光調(diào)制器件(7)，經(jīng)過調(diào)制的輸出光入射外延室窗口(10)后，入射到被探測的外延基片(12)表面，經(jīng)外延層膜表面反射后的光從外延室窗口(13)輸出，通過檢偏器(14)后輸出到探測器(15)；探測器(15)、濾波電路(16)、放大器(17)和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)(18)電聯(lián)接，其中濾波電路(16)的一個電阻并聯(lián)在探測器(15)的輸出端，另一個電阻并聯(lián)在放大器(17)的輸入端。
2.按權(quán)利要求1所述的用于原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，其特征在于還包括在激光器(1)輸出光的前方光路中安放一塊反射鏡(2)，或者順序安放兩塊反射鏡(2)或(3)。
3.按權(quán)利要求1所述的用于原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，其特征在于還包括在電光調(diào)制器件(7)輸出光路上安置一透鏡(8)。
4.按權(quán)利要求3所述的用于原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，其特征在于還包括在電光調(diào)制器件(7)輸出光光路中安放一光欄(4)，或者還在電光調(diào)制器件(7)與透鏡(8)之間的光路上安置一光欄(9)。
5.按權(quán)利要求1所述的用于原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，其特征在于所述的光偏振調(diào)制器是一臺光彈調(diào)制器、半波片或起偏器。
6.權(quán)利要求1所述的用于原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，其特征在于所述的電光調(diào)制器件是一個普克盒或克爾盒。
7.按權(quán)利要求1、2、3或4任一項所述的用于原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，其特征在于所述的濾波電路16采用Л型濾波，選用兩個10K電阻和一個0.1μ的陶瓷電容，電容的兩端分別和一個電阻連接，兩個電阻和電容不連接的一端連接在一起并接地。
8.按權(quán)利要求1所述的用于原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，其特征在于所述的光電探測器是光電二極管、銻鎘汞、熱釋電、光電倍增管或光電轉(zhuǎn)換探測器。
9.按權(quán)利要求1所述的用于原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，其特征在于所述的檢偏器可以使用平面平行玻片替換。
10.按權(quán)利要求1所述的用于原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，其特征在于所述的濾波電路包括T型濾波電路、N型濾波電路或商品濾波器。
專利摘要本實用新型涉及一種原位實時探測薄膜生長狀況的光反射差裝置，該裝置包括激光器輸出光的前方安置一起偏器，起偏器出射的偏振光經(jīng)過前方的光路上安置光偏振調(diào)制器，輸出光路上安置電光調(diào)制器件，經(jīng)過調(diào)制的輸出光入射外延室窗口后，入射到被探測的外延基片表面，經(jīng)外延層膜表面反射后的光從外延室窗口輸出，通過檢偏器后輸出到探測器，探測器、放大器和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)電聯(lián)接。該裝置獨立于制膜系統(tǒng)外，不受制膜溫度和氣壓等條件的限制，能同時獲得基頻和倍頻兩路信號，可探測原胞層狀外延生長的信息。具有應(yīng)用面廣、獲取信息多、使用簡便等特點，是用于監(jiān)控薄膜層狀外延生長和研究成膜機理的有力工具。
文檔編號G01B11/30GK2641641SQ0327645
公開日2004年9月15日 申請日期2003年8月25日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月25日
發(fā)明者費義艷, 呂惠賓, 朱湘東, 陳正豪, 周岳亮, 金奎娟, 程波林, 楊國楨 申請人:中國科學(xué)院物理研究所