[发明专利]面向高真空环境薄膜生长的原位在线光谱测量系统及方法

说明书

本发明涉及一种面向高真空环境薄膜生长的原位在线光谱测量系统，包括底板(15)、真空腔(4)，用于放置测量样品的样品台(5)，置于真空腔(4)内的样品台(5)，光路结构和光路结构遮光罩(13)，位移台模块(14)置于底板(15)上，光路结构遮光罩(13)置于位移台模块(14)上，光路结构包括宽光谱光源(1)、第一离轴抛物镜(2)、可调整的光强衰减片(3)、分束片(7)、第二离轴抛物镜(8)和探测器模块(9)，通过对光强衰减片(3)的调节，使得到达光电探测器的光强强度在光电探测器的饱和阈值的1/2至2/3之间。本发明同时提供上述测量系统的原位在线测量方法。

技术领域

本发明涉及高真空腔内纳米薄膜材料生长过程的测试技术领域，特别涉及一种原位在线光谱测量系统及方法。

背景技术

纳米薄膜具有纳米级别的厚度以及优异的光电性能，因其在下一代光电子器件领域具有广阔的应用前景而备受关注。然而，与芯片及单晶硅相比，晶圆级薄膜的质量还有很大的提升空间。半导体纳米薄膜、二维材料的制备过程中的原位实时在线测量技术可以追踪薄膜生长过程中的物理化学反应，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。与其他生长方式相比，分子束外延生长技术凭借其高真空环境可以有效的减少生长过程中的杂质、方便与一系列原位检测设备连接，实现材料的多方位原位表征、其沉积速率较为缓慢(通常小于)，可以实现精准的逐层生长等优势而成为一种生长高质量薄膜材料的方法。

目前在高真空环境中常用的扫描探针类、电子束类等表面技术无法在薄膜生长中无干扰、不间断的进行检测，因此难以精确控制并掌握其相互作用机理，并且由于这类技术成本较高，不适用于工业生产。目前针对高真空腔的实时检测手段主要基于石英晶振膜厚仪和反射式高能电子衍射仪(RHEED)，但石英晶振膜厚精度在纳米级且属于消耗性测量；而RHEED的高能电子束则会对薄膜的质量造成损伤。相对而言，基于光学方法的表征手段测量快速，同时具有非接触与低成本的优势，更适用于高真空环境的原位在线检测。

目前针对薄膜测量的光学方法大致可以分为椭圆偏振光谱法、干涉法、反射光谱法三种。椭圆偏振光谱法基于宽光谱测量、测量速度快、精度高，另外椭圆偏振光谱法的应用较为复杂，在很大程度上依赖于实验人员的操作熟练度。并且由于椭圆偏振光谱法是基于一种宽光谱斜入射的测量方法，所以椭偏仪在结构上具有两个测量臂，一方面，需要占用两个高真空观察窗口，另一方面，增加了光路对准以及通过旋转、平移等方式调整样品与测量光路相对夹角的调节难度。基于干涉法的膜层结构测量方法在微米级及亚微米级膜层表征中有着广泛应用，但是由于薄膜厚度小于百纳米量级时，只能引起有限个干涉周期，测量精度较低。反射光谱法相较于上述两种方法具有结构简单、测量速度快等优点，是一种经济高效的测量手段，其中垂直入射的反射光谱法更有利于进行光斑尺寸的控制，本申请人与合作者前期围绕反射光谱测量技术，进行了深入研究(专利号：发明专利，ZL2013100125731，ZL2019113517057，ZL 2018115531730)。

然而，反射光谱法的抗干扰能力较差，受到光源漂移的影响较大，针对这一缺点常用的方法是采用硬件补充的方法，如双光路测量方法，即设置测量光路和参考光路，通过测量参考光路的信号漂移来修正测量光路的信号值。双光路测量方法因其引入了参考光路，这使得其整体光路系统结构繁杂、光学零件较多，仪器整体质量较大，难以通过旋转、平移等方式调整测试光路与样品的相对夹角。特别地，垂直入射的反射光谱法对于角度调整也非常敏感，为了保证测量光路垂直入射到样品上，需要在光谱仪系统中增加平移对准机构。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的时克服现有技术的不足，提供一种面向高真空环境薄膜生长过程的原位在线光谱测量系统，可实现实时、在线、无损检测纳米薄膜的生长过程，可灵活调整安装角度与位置，系统整体且具有优异的信噪比。技术方案如下：