[发明专利]一种斜入射式光谱型反射差分测量装置及方法

说明书

本发明公开了一种斜入射式光谱型反射差分测量装置及方法，入射臂组件依次包括：宽光谱白光光源、单色仪、准直透镜组及可变相位液晶延迟器；反射臂组件依次包括：光弹调制器、检偏器、汇聚透镜组和光电探测器；准直透镜组对由光源出射的光束进行处理，产生平行入射光束，起偏器对入射的非偏振光施加线偏振特性；可变相位液晶延迟器，对单色仪选择的特定波长的入射光施加π的相位调制；光弹调制器对从样品反射的光进行50kHZ的高频调制；检偏器对经过光弹调制器发射出的光进行检偏；准直透镜组将反射光汇聚到光电探测器上，所述光电探测器进行光电转换，输出电学信号。本发明实现了薄膜生长过程中对于薄膜厚度及性质的监测。

技术领域

本发明属于纳米薄膜材料生长过程检测技术领域，涉及半导体纳米薄膜、二维材料、钙钛矿材料的生长制备(包括：外延生长、气相沉积以及旋涂工艺)过程的原位、实时、在线光学检测技术，尤其涉及一种斜入射式光谱型反射差分测量装置及方法。

背景技术

纳米薄膜制备过程中的原位实时在线测量技术一方面可以跟踪薄膜生长过程中的物理化学反应，另一方面，可以揭示薄膜生长过程的成膜机理，是提升薄膜制备质量的必备技术路径。针对不同制备方法，已有众多在线测量技术被提出，主要包括：光束法、探针法和其他方法(如石英晶振厚度计)等。其中，探针法被认为是最直接的测量方法，但是其测量效率较低，对于环境要求高，通常应用于实验室级别的研究。光束法是具有无损、非接触和快速等优点，具有极大的工业应用潜力。

目前基于光束法的在线测量技术主要包括：反射谱/透射谱法、椭偏仪法、反射差分光谱法、差分反射光谱法等。在上述众多光谱方法中，反射差分光谱法和椭偏仪法测量薄膜样品对入射偏振光的偏振改变，进而获得样品的物理/化学特性信息，拥有最高的灵敏性，在厚度分辨力方面可以达到埃米量级的。但是，椭偏仪法需要借助于物理模型实现结果的分析，应用较复杂，且较大的依赖于实验人员的操作经验，传统的反射差分光谱技术要求光束近乎垂直入射，且只适用于光学各向异性的薄膜的测量。斜入射反射差分方法最早在1992年由加利福尼亚大学Xiaodong Zhu教授课题组提出(Wong A,Zhu X D.AppliedPhysics A,1996,63(1):1-8.)，斜入射反射差分的测量原理是在薄膜生长之前，通过标定手段，获得零背景信号，在零背景信号下监测薄膜的生长，这种测量方式消除了衬底的体材料部分的信号来源，对薄膜生长具有较高的灵敏性，除此之外，斜入射反射差分的测量方式还可以极大的抑制安装位置偏差和观察窗应力的影响，十分适用于生长过程的监测。对比于椭偏仪常用的入射角范围在40°-75°之间，斜入射反射差分的另一优点是在大入射角度下，仍保持较高的灵敏性，入射角覆盖范围可达到4°-89°变化，适用于多种不同生长工艺，如：化学气相沉积、分子束外延和旋涂制备等。

目前斜入射反射差分测量装置均工作在单波长模式，不能应用在薄膜生长过程中的薄膜吸收特性、成核状态、以及形貌等方面的测量，亟需宽光谱型测试能力。

发明内容

本发明提供了一种斜入射式光谱型反射差分测量装置及方法，本发明利用单色仪控制波长扫描的方式得到宽光谱反射差分信号，实现薄膜生长过程中对于薄膜厚度及性质的监测，可广泛应用于纳米薄膜的工业生长领域，详见下文描述：

第一方面，一种斜入射式光谱型反射差分测量装置，所述装置包括：入射臂组件和反射臂组件，其中，

入射臂组件依次包括：宽光谱白光光源、单色仪、准直透镜组及可变相位液晶延迟器；

反射臂组件依次包括：光弹调制器、检偏器、汇聚透镜组和光电探测器；

所述准直透镜组对由光源出射的光束进行处理，产生平行入射光束，所述起偏器对入射的非偏振光施加线偏振特性；所述可变相位液晶延迟器，对单色仪选择的特定波长的入射光施加π的相位调制；

所述光弹调制器对从样品反射的光进行50kHZ的高频调制；所述检偏器对经过光弹调制器发射出的光进行检偏；所述准直透镜组将反射光汇聚到光电探测器上，所述光电探测器进行光电转换，输出电学信号。