一种生长薄膜光致发光光谱的原位检测装置及方法与流程

本发明涉及光学检测设备，尤其涉及一种生长薄膜光致发光光谱的原位检测装置及方法，属于半导体材料制造设备技术领域。。

背景技术：

光致发光技术是研究固体中电子状态、电子跃迁过程和电子-晶格相互作用等物理问题的一种常用方法，具有灵敏度高、无样品制备和数据采集简单、对样品的破坏性小等优点。其基本原理是：半导体材料受到光的激发时，电子产生由低能级向高能级的跃迁，产生电子-空穴对，形成非平衡载流子。这种处于激发态的电子在半导体中运动一段时间后，又回复到较低的能量状态，并发生电子-空穴对的复合。非平衡电子可以直接越过禁带与价带空穴复合，也可以在被禁带中的定域态俘获后再与空穴复合。复合可以是辐射复合即发光，或者非辐射的表面复合、俄歇复合和发射多声子的复合。复合过程中，电子-空穴对如果以光的形式释放出多余的能量就称为光致发光。

光致发光光谱是研究材料光学性质及微结构的手段，可以满足生物、医学制药、化学、食品、宝石学和半导体等行业的不同应用。其测量原理是，当短波长的光照射到材料上，处于低能级上的电子在吸收光子的能量后被激发到高能级。而处于高能级上的电子向低能级跃迁并释放出光子，即出现荧光。释放的光子能量由高低能级的能量差决定。因此，通过分析材料的光致发光谱就可以得到材料内部能级的分布情况。一个示例来自半导体光伏行业，通过对半导体材料光致发光谱的分析，可以获得半导体本征性质和与缺陷有关的性质，如测量材料的带隙、发光效率、材料的组分、杂质能级，缺陷类型、薄层厚度（如量子阱厚度）等。

尽管过去十年间相关领域有一些重要的进步，但是现有的测量光致发光的装置通常无法提供复杂异质结构生长环境（基片高速旋转，高温）过程中的实时信息。光致发光信号强度低，为提高检测的灵敏度，必须最大限度降低背景源，同时尽可能提高信号的采集效率。

技术实现要素：

为了克服现有技术存在的不足，本发明所要解决的技术问题为：提供一种结构简单，操作方便，灵敏度高的生长薄膜光致发光光谱的原位检测装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种生长薄膜光致发光光谱的原位检测装置，包括薄膜生长反应室，所述薄膜生长反应室内设置有用于承载基片的石磨盘，所述石磨盘下设置有旋转轴；还包括：脉冲激光模块：包含脉冲激光器及其控制电路，用于发出激光；

光学组件：用于接收脉冲激光器发出的激光，使其入射到基片表面；以及接收经基片表面反射的光，使其入射到光谱仪；

光电开关模块：包括光电开关和挡片，所述挡片设置在旋转轴上，所述光电开关设置在挡片两侧；所述光电开关模块用于在挡片经过光电开关时，产生挡光信号并发送给数据计算单元；

光谱仪：用于接收基片表面反射的光，形成光谱数据并传输给数据计算单元，所述光谱仪光谱采集频率为脉冲激光器开关频率的两倍；

数据计算单元：输入端与光谱仪和光电开关模块电连接，输出端与脉冲激光器和光谱仪电连接；用于接收光电开关模块发送的挡光信号，并根据挡光信号，分别输出信号给所述脉冲激光器和光谱仪，控制所述脉冲激光器在对准基片起始位置时开始周期性发光，以及控制所述光谱仪与脉冲激光器同步开始采集光谱；还用于接收光谱仪传输的光谱数据，并对光谱数据进行识别及处理。

所述的一种生长薄膜光致发光光谱的原位检测装置，还包括工作信号电路和ad/da转换电路，所述数据计算单元的输出端通过ad/da转换电路和工作信号电路后分别与光谱仪和脉冲激光模块电连接，所述光电开关模块通过所述ad/da转换电路与所述数据计算单元连接；所述工作信号电路用于将数据计算单元输出的控制信号分别转化为第一工作信号发送给所述脉冲激光器，以及转化为第二工作信号发送给所述光谱仪，所述ad转换电路用于将光电开关模块的挡光信号转化为数字信号并发送给数据计算单元，并将数据计算单元发送的控制信号转换为模拟信号发送给工作信号电路。

所述第一工作信号为周期t0=t/(n0*m)，占空比为1:1的周期性脉冲信号；所述t为挡光信号周期即为石磨盘旋转周期，所述m为石磨盘上基片数量；n0为大于零的正整数，表示每个基片上采集的光致发光光谱数量；所述数据计算单元还用于根据挡光信号周期和挡光时刻，确定石磨盘的旋转周期t，并结合挡片的位置，计算得到脉冲激光出光口对准任一基片边缘的时刻，从而使第一工作信号和第二工作信号的起始时刻为脉冲激光出光口对准某一基片边缘的时刻。

所述光电开关模块的挡光时刻为脉冲激光对准任一基片的边缘时刻，所述第一工作信号的起始时刻与所述挡光信号的挡光时刻同步。

数据计算单元对光谱数据进行识别与处理具体是指：

数据计算单元以光谱仪每采集两次光谱数据为一个检测周期，将每个检测周期的前一个光谱数据与后一个光谱数据相减，得到的光谱数据记为基片的光致发光光谱数据；

将工作信号与挡光信号进行相位对比，并结合挡片的位置，识别出每个光致发光光谱分别对应的基片。

所述光学组件包括：分束镜、第一聚光透镜、带通滤波片、第二聚光透镜、光纤接口、光纤，脉冲激光器发出的脉冲激光经分束镜发射后入射到第一聚光透镜，第一聚光透镜将脉冲激光会聚后垂直入射到基片表面，基片表面反射的光经第一聚光透镜后形成平行光入射到分束镜，经分束镜透射后入射到带通滤波片，经带通滤波片滤除掉杂散光后入射到第二聚光透镜，经第二聚光透镜会聚后入射到光纤接口，通过光纤入射到光谱仪接收。

本发明还提供了一种生长薄膜光致发光光谱的原位检测装置的检测方法，包括以下步骤：

s01、通过光电开关模块测量挡片的挡光信号，并发送到所述数据计算单元；

s02、所述数据计算单元根据挡光信号，计算出石磨盘的旋转周期以及第一工作信号的频率，并结合挡片位置和基片位置，发送控制信号给所述工作信号电路，使所述工作信号电路分别发送第一工作信号给所述脉冲激光器，并发送第二工作信号给所述光谱仪；同时将光谱仪的光谱采集频率设置为脉冲激光器的开关频率的两倍；

s03、当脉冲激光器正好对准一基片边缘位置时，工作信号电路同时发出第一工作信号和第二工作信号给所述脉冲激光器和光谱仪；起始时刻，第一工作信号为高电平，脉冲激光器发光，光谱仪开始记录数据，经历半个周期后，第一工作信号为低电平，脉冲激光器停止发光，光谱仪再一次开始记录数据；如此循环，待石墨盘旋转一周，脉冲激光器经历所有基片后，停止发光，光谱仪停止采集光谱，并将光谱发送到数据计算单元；。

s04、数据计算单元以光谱仪每采集两次光谱数据为一个检测周期，将每个检测周期的前一个光谱数据与后一个光谱数据相减，得到的光谱数据记为基片的光致发光光谱数据，并根据光谱记录时间，确定每个光谱数据对应的基片。

所述第一工作信号的周期为t0=t/m，所述步骤s03中，每个检测周期激光经历一个基片。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：本发明通过光电模块采集挡光信号并传输到数据计算单元，数据计算单元可以得到薄膜生长反应室的转速信息及相位信息，并通过工作信号电路发送同步不同频率的工作信号给光谱仪和脉冲激光器，实现了实时控制检测过程以及数据采集过程的目的；并且，通过对光电模块采集到的相位信息，还可以对采集到的光致发光光谱进行识别。此外，通过对挡光信号进行数据处理分析，还可以对光谱仪和脉冲激光器的工作频率进行控制，不但使数据采集数量少，检测周期时间大大缩短，大大提高了光致发光光谱信号采集的效率，而且，还可以控制每个采集周期内，脉冲激光器对准的是同一个基片，提高了数据采集的准确性。

附图说明

图1为本发明实施例提供的在线实时检测基片生长的装置的原理示意图；

图2为本发明实施例提供的在线实时检测基片生长的装置的光学组件及光学原理示意图；

图3为本发明实施例提供的在线实时检测基片生长装置的石墨盘上基片的排列方式结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例；基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

参见附图1，本发明实施例1提供的用于生产半导体器件薄膜生长的在线检测装置，包括薄膜生长反应室1、脉冲激光模块2、光学组件4、光谱仪3、ad/da转换电路5、数据计算单元6、工作信号电路7以及光电开关模块11，脉冲激光模块包括脉冲激光器以及其控制电路，脉冲激光器产生的脉冲激光，通过光学组件4后入射到薄膜生长反应室1内的基片上，基片受激光照射，产生的光致发光光信号经光学组件3后，进入光谱仪4进行采集，光谱仪4将采集到的光谱传输到数据计算单元6进行数据处理。数据计算单元6的输出端通过ad/da转换电路5和工作信号电路7后分别与光谱仪和脉冲激光模块电连接。

具体地，薄膜生长反应室1内从下至上依次是加热器10、石墨盘9、基片8，薄膜生长反应室1上部由石英玻璃密封后形成观察窗口，薄膜生长反应室1处于真空环境中，石磨盘9底部设置有电机控制的旋转轴12，石磨盘9在旋转轴的控制下在薄膜生长反应室内的在其中，参见附图3，为石墨盘9上基片8的排列方式结构示意图。加热器10对石墨盘9进行加热控温，石墨盘9再加热基片8。

具体地，光电开关模块11包括光电开关14和挡片13，其中，所述挡片13设置在在薄膜生长反应室中旋转轴12上，所述光电开关14设置在挡片13两侧；所述光电开关模块11用于在挡片周期性经过光电开关时，产生周期性的挡光信号并发送给ad/da转换电路5；ad/da转换电路5将该周期性挡光信号转化为数字信号后传输给数据计算单元6，数据计算单元6根据该周期性挡光信号，不仅可以计算得到薄膜生长反应室1内石磨盘旋转周期，还可以根据挡片位置，得到挡光信号起始点时，与脉冲激光对准的基片。数据计算单元6对挡光信号进行分析计算后，通过ad/da转换电路5，工作信号电路7，发送控制信号给脉冲激光器和光谱仪，控制所述脉冲激光器在对准基片起始位置时开始周期性发光，以及控制所述光谱仪与脉冲激光器同步开始采集光谱，其中，光谱仪的光谱采集频率为脉冲激光器开关频率的两倍；同时，数据计算单元6还用于接收光谱仪传输的光谱数据，并对光谱数据进行识别及处理。

其中，所述工作信号电路用于将数据计算单元输出的控制信号分别转化为第一工作信号发送给所述脉冲激光器，以及转化为第二工作信号发送给所述光谱仪，所述ad转换电路用于将光电开关模块的挡光信号转化为数字信号并发送给数据计算单元，并将数据计算单元发送的控制信号转换为模拟信号发送给工作信号电路。

此外，光谱仪4采集到光谱信号传输到数据计算单元6后，数据计算单元6将工作信号与挡光信号进行相位比对，即可以对光谱仪记录的光谱数据进行识别，即识别出每个光谱数据对应的基片。

其中，脉冲激光器可选为三倍频nd：yag脉冲激光器，波长为355nm，可以为纳秒（ns）级脉宽。光谱仪3波段需包含led发光波段，且分辨率足够高，一般选用响应波段为200~1100nm的光谱仪。

具体地，数据计算单元根据光电开关模块发送的挡光信号对光谱数据进行识别与处理具体是指：数据计算单元以光谱仪每采集两次光谱数据为一个检测周期，将每个检测周期的前一个光谱数据与后一个光谱数据相减，得到的光谱数据记为基片的光致发光光谱数据；数据计算单元将工作信号与挡光信号进行相位对比，并结合挡片的位置，识别出n组光致发光光谱分别对应的基片。

具体地，所述第一工作信号为周期t0=t/(n0*m)，f=n0*m/t，占空比为1:1的周期性脉冲信号；所述t为挡光信号周期即为石磨盘旋转周期，所述m为石磨盘上基片数量；n0为大于零的正整数，表示每个基片上采集的光致发光光谱数量；所述数据计算单元还用于根据挡光信号周期和挡光时刻，确定石磨盘的旋转周期t，并结合挡片的位置，计算得到脉冲激光出光口对准任一基片边缘的时刻，从而使第一工作信号和第二工作信号的起始时刻为脉冲激光出光口对准某一基片边缘的时刻。第一工作信号的频率f=n0*m/t，则可以使每个采集周期，脉冲激光不会跨度到多个基片进行入射，最多经历一个基片，而且，第一工作信号和第二工作信号的起始时刻为脉冲激光出光口对准某一基片边缘的时刻，可以使每个采集周期的均对准一个基片，则采集到的光谱数据更加准确。

举例说明，假设反应室中石墨盘9上一圈排列有5片基片，如图3所示，石墨盘转速为240rpm，则工作信号的频率可以设置为20hz，40hz，或80hz……等等，则对应地，脉冲激光器的开关频率为20hz，40hz或80hz……，光谱仪采集光谱的频率为40hz，80hz或160hz……，以脉冲激光器开关频率20hz，光谱仪采集光谱的频率40hz为例，即脉冲激光器开关一次周期为50ms，光谱仪采集数据的周期为25ms，石磨盘每圈历时250ms，忽略基片间隙，每个基片经历激光时间为50ms，刚好每个基片采集2次光谱数据，一次为激光器开，采集的是基片的光致发光光谱加背景光谱的和，一次为激光器关，采集的是背景光谱，两次数据相减，即可以得到该基片的光致发光光谱，去除了测量光谱中的背景数据，大大提高了光致发光光谱的测量灵敏度；假设脉冲激光器开关频率为40hz，光谱仪采集光谱的频率80hz，即脉冲激光器开关一次周期为25ms，光谱仪采集数据的周期为12.5ms，石磨盘每圈历时250ms，忽略基片间隙，每个基片经历激光时间为50ms，刚好每个基片采集4次光谱数据，第一次和第三次为激光器开，采集的是基片的光致发光光谱加背景光谱的和，第二次和第四次为激光器关，采集的是背景光谱，相邻两次数据相减后去平均，即可以得到该基片的光致发光光谱；工作信号的周期数最小设置为n=5，即5个检测周期（250ms）即可以实现所有基片的光致发光光谱数据采集。因此，数据采集过程快，无效数据少，大大提高了光致发光光谱的检测效率。

进一步地，可以对光电开关模块的位置进行具体设置，使所述光电开关模块的挡光时刻为脉冲激光对准任一基片的边缘时刻，所述第一工作信号的起始时刻与所述挡光信号的挡光时刻同步。则通过挡片位置可以知道，挡光发生时刻脉冲激光器对准的基片是哪一片，即第一工作信号或第二工作信号的起始时刻测量的也是该基片反射的光谱，即光谱仪采集的第一组光谱对应的基片可以被识别，再根据信号采集周期及石磨盘旋转周期等信息，即可以对每一组光谱对应的基片进行识别。此外，第一工作信号的起始时刻也可以与挡光时刻也可以不同步，只需要对两个信号进行相位对比，同样可以对每一组光谱对应基片进行识别。

具体地，数据计算单元对光谱数据进行识别与处理具体是指：数据计算单元以光谱仪每采集两次光谱数据为一个检测周期，将每个检测周期的前一个光谱数据与后一个光谱数据相减，得到的光谱数据记为基片的光致发光光谱数据；然后将第一工作信号与挡光信号进行相位对比，并结合挡片的位置，识别出每个光致发光光谱分别对应的基片。

具体地，如图1～2所示，光学组件包括：分束镜a01、第一聚光透镜a02、带通滤波片a03、第二聚光透镜a04、光纤接口a05和光纤，脉冲激光器发出的脉冲激光经分束镜a01发射后入射到第一聚光透镜a02，第一聚光透镜a02将脉冲激光会聚后垂直入射到基片表面，基片表面反射的光经第一聚光透镜a02后形成平行光入射到分束镜a01，经分束镜a01透射后入射到带通滤波片a03，经带通滤波片a03滤除掉杂散光后入射到第二聚光透镜a04，经第二聚光a04透镜会聚后入射到光纤接口a05，通过光纤入射到光谱仪3接收。

本发明实施例还提供了一种生长薄膜光致发光光谱的原位检测方法，包括以下步骤：

s01、通过光电开关模块测量挡片的挡光信号，并发送到所述数据计算单元；

s02、所述数据计算单元根据挡光信号，计算出石磨盘的旋转周期以及第一工作信号的频率，并结合挡片位置和基片位置，发送控制信号给所述工作信号电路，使所述工作信号电路分别发送第一工作信号给所述脉冲激光器，并发送第二工作信号给所述光谱仪；同时将光谱仪的光谱采集频率设置为脉冲激光器的开关频率的两倍；

s03、当脉冲激光器正好对准一基片边缘位置时，工作信号电路同时发出第一工作信号和第二工作信号给所述脉冲激光器和光谱仪；起始时刻，第一工作信号为高电平，脉冲激光器发光，光谱仪开始记录数据，经历半个周期后，第一工作信号为低电平，脉冲激光器停止发光，光谱仪再一次开始记录数据；如此循环，待石墨盘旋转一周，脉冲激光器经历所有基片后，停止发光，光谱仪停止采集光谱，并将光谱发送到数据计算单元；。

s04、数据计算单元以光谱仪每采集两次光谱数据为一个检测周期，将每个检测周期的前一个光谱数据与后一个光谱数据相减，得到的光谱数据记为基片的光致发光光谱数据，并根据光谱记录时间，确定每个光谱数据对应的基片。

由于光谱仪的信号采集频率为脉冲激光器开关频率的两倍，则脉冲激光器的开关周期为光谱仪的采集周期的两倍，即，脉冲激光器每个开关周期内，光谱仪采集两次数据，第一次为脉冲激光器开时，采集的数据为光致发光光谱与背景光谱之和，第二次为脉冲激光器关，采集的数据为背景光谱，因此，将脉冲激光器每个周期内采集的数据进行相减，可以得到真正的光致发光光谱。测量数据准确，精度高。

进一步地，所述第一工作信号的周期为t0=t/m，所述步骤s03中，每个基片经历一个检测周期。则可以正好每个基片采集一组光致发光光谱，提高了光谱采集的效率。

为保证光谱仪数据采集频率、脉冲激光器激光开关频率、薄膜生长反应室的转速等参数协调一致，本发明通过光电模块采集挡光信号并传输到数据计算单元，数据计算单元可以得到薄膜生长反应室的转速信息及相位信息，采用工作信号电路4及软件控制并用的方式，及通过控制工作信号电路发送同步不同频率的工作信号给光谱仪和脉冲激光器，实现了实时控制检测过程以及数据采集过程的目的；并且，通过对光电模块采集到的相位信息，还可以对采集到的光致发光光谱进行识别。此外，通过对挡光信号进行数据处理分析，还可以对光谱仪和脉冲激光器的工作频率进行控制，不但使数据采集数量少，检测周期时间大大缩短，大大提高了光致发光光谱信号采集的效率，而且，还可以控制每个采集周期内，脉冲激光器对准的是同一个基片，提高了数据采集的准确性。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。