专利名称：用于外延生长的原位应力光学监控方法及系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及晶体生长的原位监控领域，特别涉及一种在卤化物气相外延生长法过程中进行应力的实时自动化监测的系统及方法。
背景技术：
卤化物气相外延生长法(HVPE)是利用HCl气体进行气相外延的方法，其过程为气体HCl流经金属源，形成金属卤化物，然后与另一种气体反应生成所需的产物。一个典型的例子是用于III族氮化物的HVPE系统，气体HCl流经金属(Ga，Al，In)，形成金属卤化物(GaCl，AlCl，InCl)，然后与V族源NH3反应生成GaN、AlN、InN。HVPE设备的优点在于反应速度快，可以达到250μm/hr，生产成本低等优点，广泛用于材料生长领域。由于获得的氮化物外延膜通常被作为衬底使用，因而也被称为氮化物衬底。
在异质外延过程中，如果外延层的水平晶格参数大于衬底的水平晶格参数，那么外延层在生长过程中将会处于压应变状态；如果外延层的热膨胀系数小于衬底的热膨胀系数，从生长温度降到室温的过程中，外延层中也会产生压应变。与之相反的过程就会产生张应变。这些应变对材料生长以及器件性能都有很大的影响，科学研究以及生产加工都需要及时的了解应变信息。
现有技术中，测量应力的方法主要是将多束平行的激光束入射到样品表面，通过测试出射激光束之间的距离，得到样品曲率半径的信息，根据曲率半径和应变之间的关系就可以计算出应变的大小。其中，采用的激光器是半导体或气体激光器，其波长一般大于400纳米，常见的是650纳米的激光器。
在实际使用中发现，由于GaN材料的带宽为365纳米，因此在GaN材料体系的测量过程中会有比较大的噪音，影响了应力监测的准确性。
发明内容
本发明目的是提供一种用于外延生长的原位应力光学监控方法，降低应力监控中的噪音，提高应力监控的准确性；本发明的另一个目的是提供一种运用该方法进行原位应力光学监控的装置。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案是一种用于外延生长的原位应力光学监控方法，将激光束经分束后形成至少2束平行的激光束，入射到外延生长片的表面，反射的激光束经光学元件出射，在图像收集设备上成像，经过图像处理后获得表面应力信息，所述激光束的波长小于待测外延生长片材料的带宽对应的波长。
上述技术方案中，所述图像处理可以通过软件来完成，主要包括图像获取、阈值分析、光斑识别、数据处理及信息输出等过程。
其中，通常的数据处理方式可以是通过摄像头采集得到的图像，以灰度数据的形式存入一个二维数组a[i][j]，其中i、j分别表示图像的横坐标和纵坐标，对于分辨率为1024×768像素的CCD摄像头而言，0≤i＜1024，0≤j＜768。
采用大津法(OSTU算法)对二维灰度图像a[i][j]进行阈值化处理，得到一个阈值ThresholdValue。
如果a[i][j]≥ThresholdValue，这些像素点被视为光斑；如果a[i][j]＜ThresholdValue，这些像素点被视为背景。这样我们就得到两个光斑的像素点的位置信息。如果一个光斑在横坐标方向上覆盖了N个像素点，我们以变量x来表示其横坐标(i0≤x＜i0+N，i0表示横坐标方向上覆盖的第一个像素点的横坐标)。对于每个横坐标而言，光斑在纵坐标方向上的上限和下限我们用数组变量V[x].up和V[x].low来表示。这样，左右两个光斑的位置信息就被记录下来了。
采用光强“加权求重心”的方法，求出两个光斑的中心位置 同时还可以计算出每个光斑的积分光强II=Σx=i0i0+N-1Σy=V[x].lowV[x].upa[x][y]---(1)]]>x‾=1IΣx=i0i0+N-1Σy=V[x].lowV[x].upx×a[x][y]---(2)]]>
y‾=1IΣx=i0i0+N-1Σy=V[x].lowV[x].upy×a[x][y]---(3)]]>公式(1)给出了光斑的积分强度，(2)，(3)分别求出了光斑“重心”的横坐标和纵坐标。根据两个光斑的中心位置求出两个光斑之间的距离，就可以求出样品的曲率半径R。
以时间为横坐标，以激光光斑的光强I为纵坐标画图，得到在位反射率监测曲线；根据计算出来的曲率半径R，进行相应换算得到在位应力监测曲线；同时把相关的数据输出到数据文件中去。
进一步的技术方案，所述各反射的激光束入射到一投影板上，分别形成光斑，通过一个摄像头对这些光斑进行成像。
一种用于外延生长的原位应力光学监控系统，包括激光器、激光分束器、图像采集设备、控制系统以及构成相应光路的光学元件，其中，所述光路为，所述激光器发出的激光束经激光分束器分束成平行的激光束，经光学元件入射到待测外延生长片的表面，反射光经光学元件出射，成像在图像采集设备上，所述激光器的波长小于待测外延生长片材料的带宽对应波长。
上述技术方案中，激光分束器的实现方式可以是采用一块半反半透的棱镜(或者半反半透的分光片)和一个全反的棱镜(或者全反镜)组成，实现将一束光分成两束平行的等强度光束；这两束平行的激光束再通过一块半反半透的棱镜(或者半反半透的分光片)和一个全反的棱镜(或者全反镜)，将会形成四束平行的激光束；依次类推，可得到8束、16束、32束等平行的激光束。所述光学元件主要是指折射和反射元件，其中，可以采用一块石英全反棱镜，放置于高温环境(温度大于900摄氏度)中，例如外延反应室的上方，用于改变入射及出射激光束的方向。所述控制系统中，包括图像处理软件，用于完成分析过程，包括图像获取、阈值分析、光斑识别、数据处理及信息输出等过程；还包括系统的控制任务软件，实现各种控制，特别是图像采集设备的控制。
上述技术方案中，所述图像采集设备主要由投影板和摄像头构成，所述光路中，出射光成像在投影板上，投影板上的光斑成像于所述摄像头上。
由于上述技术方案运用，本发明与现有技术相比具有下列优点1.由于本发明采用的激光器波长小于外延材料带宽对应的波长，可以消除一种系统误差，使应力测量的精度大幅度提高。
2.采用投影板和摄像头构成图像采集设备，可以简化图像处理，特别有利于实现对于实时监控中随时间变化的光斑位置的测量。
3.利用能够在高温条件下工作的石英棱镜，可扩展在位光学系统在各种反应设备中的应用，例如水平结构的HVPE设备。
附图1为本发明实施例一中原位应力监测系统光学配置示意图a；附图2为图1的左视图；附图3为本发明实施例一的程序流程示意框图；附图4为采用650纳米的半导体激光器时对应的左、右光斑位置变化曲线及其拟合结果；附图5为本发明实施例一在采用325纳米的He-Cd激光器对应的左、右光斑位置变化曲线及其拟合结果；附图6为实施例二中采用的卤化物气相外延(HVPE)设备的结构示意图；附图7为图6中带有石英棱镜后的结构示意图。
其中1、激光器；2、工作腔室；3、进气口；4、出气口；5、加热炉；6、样品；7、样品托；8、石英棱镜。
具体实施例方式
下面结合附图及实施例对本发明作进一步描述实施例一参见附图1至附图7所示，一种用于外延生长的原位应力光学监控系统，包括激光器1、激光分束器、图像采集设备、控制系统以及构成相应光路的光学元件，其中，所述光路为，所述激光器发出的激光束经激光分束器分束成平行的激光束，经光学元件入射到待测外延生长片的表面，反射光经光学元件出射，成像在图像采集设备上，所述激光器的波长小于待测外延生长片材料的带宽对应波长。所述图像采集设备主要由投影板和摄像头构成，所述光路中，出射光成像在投影板上，投影板上的光斑成像于所述摄像头上。
参见附图4所示，为本实施例的对比实例，在生长GaN材料的过程中，如果应用650纳米的激光器作为入射光源，测量得到应力监测曲线，其系统噪音很大，每个光斑的位置波动为0.25个像素。
参见附图5所示，采用本实施例的方法，在生长GaN材料的过程中，采用325纳米的激光器作为入射光源，测量得到的应力监测曲线表明，每个光斑的位置波动下降到0.002个像素，测试精度提高了两个量级。
实施例二参见附图6和附图7所示，一种用于外延生长的原位应力光学监控系统，包括激光器1、激光分束器、图像采集设备、控制系统以及构成相应光路的光学元件，其中，所述光路为，所述激光器发出的激光束经激光分束器分束成平行的激光束，经光学元件入射到待测外延生长片的表面，反射光经光学元件出射，成像在图像采集设备上，所述激光器的波长小于待测外延生长片材料的带宽对应波长，控制系统由计算机2及控制软件构成。
应用于卤化物气相外延(HVPE)设备时，其结构示意图如附图6所示，其中，样品托7位于工作腔室内，外延生长的样品6位于样品托7上，载气和工作气体从进气口3进入，从出气口4排出，样品托所在的工作腔室2外围设置有加热炉5。
为便于上述光学监控系统的设置，如附图7所示，在上述卤化物气相外延设备的工作腔室内，样品托的上方，设置有石英棱镜8，用于改变入射和出射光的方向。
权利要求
1.一种用于外延生长的原位应力光学监控方法，将激光束经分束后形成至少2束平行的激光束，入射到外延生长片的表面，反射的激光束经光学元件出射，在图像收集设备上成像，经过图像处理后获得表面应力信息，其特征在于所述激光束的波长小于待测外延生长片材料的带宽对应的波长。
2.根据权利要求1所述的用于外延生长的原位应力光学监控方法，其特征在于所述各反射的激光束入射到一投影板上，分别形成光斑，通过一个摄像头对这些光斑进行成像。
3.一种用于外延生长的原位应力光学监控系统，包括激光器、激光分束器、图像采集设备、控制系统以及构成相应光路的光学元件，其中，所述光路为，所述激光器发出的激光束经激光分束器分束成平行的激光束，经光学元件入射到待测外延生长片的表面，反射光经光学元件出射，成像在图像采集设备上，其特征在于所述激光器的波长小于待测外延生长片材料的带宽对应波长。
4.根据权利要求3所述的用于外延生长的原位应力光学监控系统，其特征在于所述图像采集设备主要由投影板和摄像头构成，所述光路中，出射光成像在投影板上，投影板上的光斑成像于所述摄像头上。
全文摘要
本发明公开了一种用于外延生长的原位应力光学监控方法，将激光束经分束后形成至少2束平行的激光束，入射到外延生长片的表面，反射的激光束经光学元件出射，在图像收集设备上成像，经过图像处理后获得表面应力信息，其特征在于所述激光束的波长小于待测外延生长片材料的带宽对应的波长。本发明采用的激光器波长小于外延材料带宽对应的波长，可以消除一种系统误差，使应力测量的精度大幅度提高。
文档编号C30B25/16GK101092738SQ20071002355
公开日2007年12月26日 申请日期2007年6月8日 优先权日2007年6月8日
发明者王建峰, 徐科, 朱建军, 杨辉 申请人:苏州纳米技术与纳米仿生研究所