專利名稱：光束掃描空間微分反射光譜的方法及其裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明是一種空間微分(調制)光譜的方法及其裝置。
調制光譜是近二十年來發(fā)展起來的一種動態(tài)光譜測量技術，其基本原理是給被測材料外加一個隨時間作周期性變化的驅動(例如光、電場、磁場、應力、熱等)，使材料(樣品)的參數(shù)(如介電常數(shù)、能隙等)隨外加驅動作周期性變化。當一束探測光經樣品反射后，反射光強也將隨材料參數(shù)的周期性變化而改變。利用鎖相技術可將周期性變化的光強放大。因此，當探測光在一定的波長范圍內連續(xù)變化時，就能獲得所謂的調制光譜。
由于外加的驅動均是時間周期性的，因此，我們稱這種傳統(tǒng)的調制光譜為時間調制光譜。調制光譜的特點是，對應于能隙或超晶格、量子阱子能級躍遷的波長附近顯示很尖銳的峰，這些峰同靜態(tài)光譜(吸收、反射光譜)的一階至三階微商相聯(lián)系。因此其靈敏度、分辨率以及信噪比可以提高2-3個數(shù)量級，是半導體材料、異質結(量子阱、超晶格)研究的一種有效手段。但是，時間調制光譜方法往往需要制備樣品(例如，做電極)這就給實驗帶來很多不便，并給樣品帶來破壞性。而且，對樣品施加的各種驅動，有時時間調制光譜難以都能做到。例如，由于傳熱裝置和樣品本身熱容量及熱輻射引起的波動，真正做到熱調制有一定困難，即該方法的主動性或適應性較差。又如光調制往往受到泵光源波長的限制而無法用于寬禁帶材料。這些都是時間調制光譜方法局限性。
本發(fā)明的目的在于提供一種對樣品無需加工制備，對各種調制光譜研究有更強適應性的調制光譜的方法及其裝置。
本發(fā)明提出的調制光譜，或稱為微分光譜方法，不是給被測樣品外加周期性驅動，而是利用被測樣品材料固有的不均勻性或者人為地施加物理作用使樣品的某個物理量產生不均勻性，再利用單色探測光在樣品表面作周期性往復掃描來獲得調制光譜。這里人為施加的物理作用可以是對樣品施加熱、應力、電、磁等作用，使樣品在空間范圍內產生相應的溫度、應力梯度或電場、磁場梯度等，即使樣品物理參數(shù)產生不均勻性。這種不均勻性一般不需要很大即可獲得很好的測量效果。例如，溫度梯度達到10℃/mm左右，應力梯度達到應變?yōu)?0-4-10-3，電場104伏/cm以上，均可測得很強的信號，而且這種施加物理作用的方法比較簡便。例如，施加熱作用只需將樣品的一端連到散熱片上，另一端接熱源，于是樣品兩端即產生溫差，從而在樣品上產生溫度梯度。又如，施加應力作用一般可以夾緊樣品的一端，用頂針頂樣品的另一端使其發(fā)生形變，這樣就從固定端到被頂處之間形成了一應力梯度。施加電場或磁場同樣很方便。
實現(xiàn)上述方法的裝置如

圖1所示。它由光源1、單色儀2、掃描振動機構3、硅探測器4、鎖相放大器5、計算機6及透鏡依次按光路連接組成，被測樣品7放置光路中間。其中的掃描振動機構3由低頻信號發(fā)生器8、振動驅動器9和振動反射鏡10連接構成。本裝置中光源采用白光光源，可提供波長范圍從200到1100mm的連續(xù)光譜。單色儀將輸入的白光變成單色光輸出，低頻信號發(fā)生器是振動驅動器的電源，振動驅動器與振動反射境連接，振動驅動器帶動反射鏡作周期性平行振動，從而使入射到樣品表面的光在樣品表面作周期性掃描。通過樣品反射的光經過透鏡，由硅探測器將其轉換成電信號，鎖相放大器將探測器輸入的光強信號中的直流信號阻斷，只將交流信號放大。計算機控制信號的采集、顯示、存儲和處理，控制單色儀工作。
本裝置中，光束在樣品上的掃描范圍和周期由加在電磁振動驅動器上的電壓和頻率決定，振動頻率一般避開50Hz交流電及其倍頻的頻率，例如選擇10-22，28-45Hz等。振幅在0-15mm可調。一般我們采用振動頻率22Hz，掃描范圍5mm。
本裝置中，操作反射鏡作平行振動的驅動器可采用頻率、功率可調的低頻電源驅動套在永久磁鐵桿上的線圈，使之作往復平行運動，從而使反射鏡作周期性平行振動。反射鏡面法線同入射光線成45°角，以形成光45°反射后空間平行掃描。樣品表面法線同入射光線也成45°角。光束在樣品上的掃描頻率等于低頻驅動器的輸出頻率，掃描范圍最大可達1.5厘米，以滿足靠樣品材料參數(shù)不均勻分布獲得調制信號的要求。如果對樣品施加物理作用，以產生相應物理量梯度，可配置相應的部件。例如，見圖1中的加熱器11、電源12、散熱片13。
本裝置工作過程如下光源的白光經單色儀分光并經透鏡聚焦后入射到振動反射鏡上。振動反射鏡在電磁振動驅動器的作用下作平行振動，經過其反射后的光束便形成了空間平行掃描。到達樣品表面的光點是聚焦的且作一維往復掃描。經樣品反射后的光由硅探測器接收后轉換成電信號，并經鎖相放大器放大后輸入到計算機。樣品兩端形成溫度梯度(或其他物理量梯度)以獲得微分光譜信號。
上述調制光譜技術測到的譜線直接包含如下信息峰的能量位置、半寬度和相位，這些量反映了半導體材料和量子阱、超晶格中的本征態(tài)、子帶間躍遷的能量、能帶類型、材料的組分和質量等。
利用本發(fā)明獲得微分反射差光譜的基本原理如下設入射到樣品表面的探測光光強為IO，反射后的光強為IL，反射率為R，則有關系IL＝RIO這里R是被測樣品的參數(shù)集合P和入射光波長λ的函數(shù)，即R＝R(λ，P)。為簡單起見，令IO＝1(即入射光強是歸一化的)，則有IL＝R(λ，P)顯然反射光強同波長λ和材料參數(shù)P有密切關系。下面以溫度微分反射譜為例，進一步具體說明其原理。
如圖2所示，假定在樣品A端加一熱源，而保持O端溫度不變，這就在樣品上產生了一個溫度梯度。讓光束延溫度梯度方向作周期性掃描，由于光點在樣品上的位置是時間的函數(shù)，于是有IL＝R(λ，P(t))即當光束掃描到O點時，IL＝R(λ，P0)，A點時，IL＝R(λ，PA)。如果A，O兩點處P的變化不大，可以用微分形式將IL中的直流和交流分量分開IL＝R(λ，P(t))＝R(λ，P0+P(t)-P0)＝R(λ，P0)+(R/P)[(P(t)-P0]這里Id＝R(λ，P0)為直流部分，It＝(R/P)[P(t)-P0]為交流部分，是時間t的函數(shù)，P0為樣品上的固定點(參考點，可任意選擇)的參數(shù)集合。由于光在樣品上的掃描是周期性的，所以交流部分It也是周期性變化的。
探測器將IL＝Id+It變成電信號送入鎖相放大器。鎖相放大器的功用是將直流成份去掉，將交流信號的振幅部分放大而去掉時間因子(P(t)-P0)。所以，鎖相放大器輸出的是IE∝R(λ，P0)/P0IE對應于交流光強振幅的電信號。如果讓單色儀輸出光(探測光)的波長在一定范圍內變化，我們就得到了IE作為λ函數(shù)的譜。重要的是，在一些物理上感興趣的地方R(λ，P0)/P0將出現(xiàn)極大。例如，當P0對應于量子阱、超晶格子帶間的能隙，即P＝E1，E2，......，En時，而入射光波長對應的光子能量在變化中分別等于E1，E2，......，En時，R的變化很快，如圖3所示。而微分反射譜中得到的是微分譜，即IE∝R(λ，P0)/P0。所以，在R(λ，P)變化快的地方將出現(xiàn)尖峰，如圖4所示。因此，微分反射譜比普通的反射譜靈敏度和分辨率均要高得多。
由于本發(fā)明是通過對被測樣品施加某一物理作用，從而使樣品的某些物理參數(shù)在空間上產生不均勻性，經光束掃描獲得微分反射光譜。因此稱本發(fā)明為光束掃描空間微分反射光譜。
本發(fā)明只需人為地使材料物理參數(shù)形成分布梯度，甚至可以利用樣品本身固有的不均勻性，就能獲得反射差光譜。使材料產生物理量梯度的較方便和直接的手段有加熱、加應力及電場、磁場等。這些手段都不破壞樣品。因此，本發(fā)明技術簡單而具有非破壞性，不使操作復雜化。而且可以進行各種各樣的特征光譜研究，具有很廣泛的適應性，不象時間調制光譜，有些調制手段在一般條件下較難實現(xiàn)。
本發(fā)明的調制信號強度也較大，一般時間調制的信號強度都小于10-3而空間調制信號強度可以大于10-3量級。由于本發(fā)明的上述特點，可使其在許多新的領域得到應用。比如，利用光學窗口對分子束外延及其他晶體生長過程進行原位研究和測量。以前曾有人用光調制技術作分子束外延生長的原位監(jiān)測，但由于要求光子能量要大于材料能隙(否則無法將載流子激發(fā)到導帶)和有些材料難以用激光激發(fā)使其改變參數(shù)，因而無法用于能隙大的或某些特殊材料的生長監(jiān)測。由此可見，本發(fā)明可以作為半導體量子阱、超晶格和薄膜研究的有效手段，而且可在工業(yè)特別是電子工業(yè)中廣泛用于材料生長和芯片質量的監(jiān)測。
圖1.本發(fā)明裝置結構示意2.探測光掃描樣品示意3.靜態(tài)光譜圖4.與圖3對應的微分光譜
權利要求
1.一種光束掃描空間微分反射光譜方法，其特征在于利用被測樣品材料固有的不均勻性或者人為地對被測樣品施加熱、應力、電、磁等物理作用使其相應的物理量產生不均勻性，再利用單色探測光在樣品表面形成周期性往復掃描來獲得調制光譜。
2.根據(jù)權利要求1所述的光束掃描空間微分反射光譜方法，其特征在于對被測樣品施加熱作用的步驟為將樣品一端連到散熱片上，另一端接熱源，使樣品兩端產生溫差而形成溫度梯度，并使溫度梯度達到10℃/mm。
3.根據(jù)權利要求1所述的光束掃描空間微分反射光譜方法，其特征在于對被測樣品施加應力作用的步驟為將樣品一端夾緊，用頂針頂樣品的另一端使其發(fā)生形變，從而在樣品兩端之間形成應力梯度，并使應變達到10-4-10-3。
4.一種利用光束掃描獲得空間微分反射光譜的裝置，由光源1，單色儀2，掃描振動機構3，硅探測器4，鎖相放大器5，計算機6及透鏡依次按光路連接組成，被測樣品7放置于光路中間，其特征在于掃描振動機構3由低頻信號發(fā)生器8，振動驅動器9和振動反射鏡10連接構成，低頻信號發(fā)生器為振動驅動器的電源，振動驅動器與振動反射鏡連接，并帶動反射鏡作周期性平行振動。
5.根據(jù)權利要求4所述的利用光束掃描獲得空間微分反射光譜的裝置，其特征在于反射鏡面法線同入射光線成45°角，以形成光45°度反射后空間平行掃描，樣品表面法線同入射光線也成45°角。
全文摘要
這是一種利用人為方法在樣品上產生某個物理量梯度，如溫度梯度、應力梯度、電場和磁場等，并利用光束在樣品上作一維掃描獲得空間微分反射光譜的方法及其裝置。相應的裝置由光源、單色儀、振動反射鏡、硅探測器、鎖相放大器等組成。數(shù)據(jù)采集、處理、圖象顯示等由計算機控制。本發(fā)明方法簡便、操作容易，對樣品無破壞性，獲得的信號強度大、靈敏度和分辨率高，可以作為半導體材料、量子阱、超晶格和薄膜研究的有效手段，并可在電子工業(yè)中廣泛應用于材料生長和芯片質量監(jiān)測。
文檔編號G01J3/433GK1166596SQ9710625
公開日1997年12月3日 申請日期1997年1月28日 優(yōu)先權日1997年1月28日
發(fā)明者戴寧 申請人:復旦大學