一种自洽验证差分光谱仪及测量方法技术

本发明专利技术公开了一种自洽验证差分光谱仪和测量方法，通过设置一非偏振分束器，一束光实现斜入射反射差分模块测试，另一束光用来实现斜入射差分反射模块测试，本方法可实现秒级的宽光谱差分反射信号和反射差分信号的同时测量，基于两种测量信号建立相应模型，分别迭代反演得到薄膜厚度参量，利用同一时刻的薄膜厚度参量必然唯一这一实际属性，进行自洽验证，提升测量精度，可广泛应用于纳米薄膜的工业生长领域的化学气相沉积、分子束外延和旋涂等不同工艺的在线监测应用中。同工艺的在线监测应用中。同工艺的在线监测应用中。

【技术实现步骤摘要】
一种自洽验证差分光谱仪及测量方法


[0001]本专利技术涉及纳米薄膜材料生长过程测试
，涉及半导体纳米薄膜、二维材料、钙钛矿材料、金属有机框架材料的生长(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
，尤其涉及一种自洽验证的差分光谱仪及测量方法。

技术介绍

[0002]反射差分光谱法和差分反射法是两种常用的薄膜在线生长监测技术，反射差分光谱法通过测量薄膜对入射线偏振光的偏振态的改变实现对薄膜的晶态物性的测量，如各向异性分子的排列、晶轴方向等。在近似垂直入射情况下，反射差分信号ΔR/R的学表达式为：ΔR/R＝2(R
s
‑
R
p
)/(R
s
+R
p
)，其中，R
p
和R
s
分别是反射光p偏振分量和s偏振分量，只适用于各向异性薄膜的测量。在斜入射情况下，反射差分信号的数学表达式为：ΔR/R＝Δ
p
‑
Δ
s
＝(R
p
‑
R
p0
)/R
p0
‑
(R
s
‑
R
s0
)/R
s0
，其中R
p0
和R
s0
分别是在开始生长薄膜之前，裸衬底反射光的p偏振分量和s偏振分量。斜入射式反射差分系统的优点是对各向异性和各向同性薄膜均适用。根据上述定义，反射差分光谱技术通过利用差分算法，极大的抑制了衬底的信号贡献，如在近似垂直入射条件下，各向同性衬底的R
p
＝R
s
，衬底的反射差分信号ΔR/R＝0。在斜入射条件下，开始生之前通过相位调制器件，使得R
p0
＝R
s0
，即此时反射差分信号ΔR/R＝0。因此反射差分光谱技术的最大优点是对于表面/界面的物理性质高度敏感，十分适用于纳米厚度薄膜的测量。
[0003]差分反射光谱法通过对比裸衬底反射光和薄膜生长过程中反射光在不同时刻的差异实现对薄膜的光学反射/吸收物性的测量随着生长时间变化的演变规律，其数学表达式为：
[0004]ΔR(t)/R(t)＝(R(t)
sample
‑
R(t0)
substrate
)/R(t0)
substrate
ꢀꢀꢀ
(1)
[0005]其中，R(t)
sample
为在t时刻薄膜的反射率，R(t0)
substrate
为在t0时刻裸衬底的反射率。
[0006]反射差分信号一般需要利用偏振光调制技术，具有较高的灵敏性和信噪比，但是为了获得宽光谱信号，需要利用波长扫描的方式，采集速度较慢，单次采集时间在分钟量级。而差分反射光谱相对比较简单，具有较高的时间分辨率。特别是在使用宽光谱光源时，差分反射信号的时间分辨率只受限于光谱仪采集速率，可以实现宽波段范围的高速采集，时间分辨率最高可达到毫秒量级。上述两种测量方法均是基于物理模型的反演，获得薄膜的厚度，测量精度取决于物理模型的拟合。但是在实际应用过程中，理想的物理模型并不能真正反映具体实验条件导致测量误差，如实验观察窗应力影响难以标定，通常在物理模型中进行忽略处理等。除此之外，光学干涉的周期性导致拟合结果不唯一，需要外加条件进行限制。本文设计新型光路系统，同时实现宽波段差分反射信号和单波长反射差分信号，可以继承各自的优点，在高速时间分辨力下同时实现薄膜的晶态物性和宽光谱反射/吸收物性的测量。针对获得两种信号分别建立相应的物理模型，利用反演算法，分别获得薄膜厚度参量，然后对分别获得的厚度参量进行比较和自洽验证，一直到两种信号获得厚度参量一直
后，停止各自的拟合过程。这种在线自洽验证的方法，可以极大地提高薄膜厚度的测量精度。

技术实现思路

[0007]本专利技术提供了一种自洽验证差分光谱仪及测量方法，本专利技术同时实现反射差分信号和差分反射光谱快速测量光学技术，单波长通道的反射差分信号对薄膜厚度进行高灵敏探测，具有单原子层及亚单原子层测量分辨力，宽光谱差分反射信号对生长薄膜的吸收特性、成核状态、以及形貌进行实时在线的监测，利用两种信号各自拟合的厚度进行自洽验证，提高测量的准确性。本专利技术能够在秒级的时间分辨率下实时在线地记录生长过程，直接揭示薄膜生长过程机理，详见下文描述：
[0008]第一方面，一种自洽验证差分光谱仪，所述光谱仪包括：入射臂组件、差分反射模块组件、反射差分模块组件，
[0009]所述入射臂组件包括：宽光谱白光光源发射发散角较大得光束、经准直透镜组后，汇聚成平行光束，然后经起偏器，变成线性偏振光，再经安装在精密旋转台上的半波片，光束变成线偏振光或椭圆偏振光；
[0010]所述差分反射模块组件依次包括：反射光束经斩波器，实现光路的周期性阻断和通过，然后经第二汇聚透镜组，由平行光束变成汇聚光束，然后由光谱仪探测器将光信号转换为电信号；
[0011]所述反射差分模块组件包括：反射光束经滤波片变为单波长光束后，依次经光弹调制器和检偏器，进行光学偏振调制，然后经第一汇聚透镜组，由平行光变成汇聚光束，再由高频光电探测器将光信号转换为电信号。
[0012]第二方面，一种自洽验证差分光谱测量方法，所述方法实现了斜入射式反射差分信号和斜入射式差分反射信号的同时测量，所述方法包括以下步骤：
[0013]样品反射后的反射光，经过非偏振分束器，其中传播方向发生90
°
转折的光线经过斩波器、第二汇聚透镜组，进入光谱仪探测器，用于获取差分反射信号；
[0014]传播方向未发生改变的光束依次经过滤波片、光弹调制器、检偏器和第一汇聚透镜组，被光电倍增管探测器收集，用于获取反射差分信号；
[0015]针对反射差分信号和差分反射信号分别建立相应物理模型，经过迭代反演，分别得到薄膜厚度参量，对2种厚度参量进行比较，进行自洽验证。
[0016]本专利技术提供的技术方案的有益效果是：
[0017]1)差分反射光谱与反射差分信号的同时测量：通过非偏振分束器的引入，将从样品表面反射的光束分成两束光，分别用来实现差分反射信号和反射差分信号的测量；
[0018]2)在薄膜厚度测量方面：对宽波段差分反射信号反演获得的薄膜厚度和反射差分信号反演获得的薄膜厚度进行自洽验证，自动改变物理模型的迭代过程、限制条件和最优化算法，以此极大地提升基于物理模型的薄膜厚度在线测量的精度；
[0019]3)在测量速度方面，单次采集时间最快至毫秒级：利用宽光谱白光作为光源，差分反射光谱的采集时间取决于所采用的宽光谱光谱仪的采集时间，同时，反射差分信号工作在单波长模式，采集时间仅受限于探测器的工作频率；差分反射光谱的采集和反射差分信号的采集是相互独立并行进行，为此采集一次差分反射光谱和反射差分信号的时间最快可
达到毫秒级；
[002本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自洽验证差分光谱仪，其特征在于，所述光谱仪包括：入射臂组件、差分反射模块组件、反射差分模块组件，所述入射臂组件包括：宽光谱白光光源发射发散角较大得光束、经准直透镜组后，汇聚成平行光束，然后经起偏器，变成线性偏振光，再经安装在精密旋转台上的半波片，光束变成线偏振光或椭圆偏振光；所述差分反射模块组件依次包括：反射光束经斩波器，实现光路的周期性阻断和通过，然后经第二汇聚透镜组，由平行光束变成汇聚光束，然后由光谱仪探测器将光信号转换为电信号；所述反射差分模块组件包括：反射光束经滤波片变为单波长光束后，依次经光弹调制器和检偏器，进行光学偏振调制，然后经第一汇聚透镜组，由平行光变成汇聚光束，再由高频光电探测器将光信号转换为电信号。2.根据权利要求1所述的一种自洽验证差分光谱仪，其特征在于，所述差分反射模块组件还包括：设置一半周期通过的斩波器，通过控制所述斩波器的频率，实现光路的阻断和通过，进而实现环境背景噪声和测量信号的测量。3.根据权利要求1所述的一种自洽验证差分光谱仪，其特征在于，所述半波片安装在旋转台上，控制所述旋转台获得高精度零反射差分信号。4.根据权利要求1所述的一种自洽验证差分光谱仪，其特征在于，所述起偏器的方位角为0
°
，所述光弹调制器的方位角为45
°
，所述检偏器的方位角为0
°
。5.一种自洽验证差分光谱测量方法，其特征在于，通过设置一非偏振分束器，所述方法实现了斜入射式反射差分信号和斜入射式差分反射信号的同时测量，所述方法包括以下步骤：样品反射后的反射光，经非偏振分束器，其中传播方向发生90
°
转折的光线经第二汇聚透镜组后进入光谱仪探测器，用于获取差分反射信号；传播方向未发...

【专利技术属性】
技术研发人员：沈万福，胡春光，马国腾，霍树春，
申请(专利权)人：天津大学，
类型：发明
国别省市：