一种薄膜外延生长在线实时表征装置

摘要

本发明公开了一种薄膜外延生长在线实时表征装置，利用拉曼光谱信号对MOCVD设备中薄膜外延生长过程中的纳米材料微观结构进行实时、直接表征。激发光被第一分光镜反射后，由平凸透镜聚焦，通过MOCVD反应腔顶部的观察窗口，将聚焦点照射在外延片上；聚焦点照射区域被激发的拉曼光谱信号由于是在平凸透镜的聚焦点，因此绝大部分拉曼光谱信号是被平凸透镜收集到，通过第一分光镜后，汇聚在聚焦透镜的焦点上，此时该焦点处有一个共焦针孔，起到空间滤波、抑制杂散光的作用。激发光与探测光即拉曼光谱信号的光路前端单元是共用的，能够尽可能地缩小探头体积，克服反应室观察窗口的空间限制。

说明书

技术领域

本发明属于在线监测技术领域，更为具体地讲，涉及一种针对MOCVD设 备中薄膜外延生长的在线实时表征装置。

背景技术

金属有机化学气相沉积（MOCVD,Metal Organic Chemical Vapour  Deposition）方法由于技术成熟、外延生长质量好，在纳米材料的生长中越来越 得到广泛引用，尤其在GaN基LED异质外延生长中是必不可少的工具。

MOCVD是利用金属有机化合物（MO）和氢化物，通过在高温反应室中进 行裂解、合成等化学反应，以气相形式在外延片上进行薄膜外延生长。

随着MOCVD外延材料生长的结构越来越复杂，生长中要求控制的组分、 原子层厚度以及成膜质量越来越高，在MOCVD系统中在线实时监测材料沉积 过程中各种物性的变化，可以揭示生长率、材料质量、表面原子重构等的相互 关系，从而方便调整生长参数，实现结构生长最优化，使高性能薄膜的生长具 有重复性精度。因此，薄膜材料生长在线监测已成为MOCVD系统的重要部分。

然而由于MOCVD技术的特殊性，极大地限制了在线监测中各种表征技术 的应用。

1、反应环境中充满了各种组分、各种浓度的反应气体，就极大地限制了以 发射电子方式工作的表征技术，如反射高能电子衍射（RHEED）、扫描电子显微 镜（SEM）等等。

2、有限的反应室空间以及快速旋转的衬底基片，都限制了以变掠角扫描或 变波长扫描方式进行工作的X射线衍射谱（XRD）技术。

目前，MOCVD中的薄膜外延生长在线监测，有以下几监测方法：

1、生长温度监测

生长温度的测量原理是，首先，采用热辐射计测量物体热辐射光谱中，波 长为950nm的红外光强度；然后，以相同950nm波长红外光入射，测量薄膜对 该波长光的吸收率，根据基尔霍夫热辐射定律，薄膜热辐射中950nm波长红外 光的发射率与所测吸收率应相等，通过两次测量结果对薄膜的温度进行修正， 得到更准确的温度。然而在MOCVD中，薄膜生长质量的影响因素较多，如气 体流量的稳定性、掺杂浓度、生长速度、温度控制精度等等，在线生长温度测 量只是控制薄膜生长质量的重要指标之一。

2、反射各向异性谱

反射各向异性谱（RAS），也称为偏振差分反射光谱（RDS），其原理为利用 光的不同偏振分量反射比作差，消去体相产生的各向同性信号，能够敏感地反 映出样品在垂直于入射光传播方向的平面内，两个相互垂直的方向上的振幅反 射系数的细微差异，即平面内光学各向异性。

RAS主要针对立方晶系半导体（如II-VI族、III-V族半导体材料），尽管 理论上立方晶系材料是各向同性的，但在薄膜外延过程中，由于表面重构和弛 豫，将引起的表面非对称性。因此利用RAS可以非常敏感地反映出立方晶系半 导体表面重构的各向异性信息，并能进一步分析外延表面的生长质量，例如， 量子阱界面质量。但是，RAS只是对最外层的信息敏感，因此在目前MOCVD 在线实时监测中，很少使用该技术。

3、基于Fabry-Perot干涉振荡的反射谱

Fabry-Perot干涉是基于固定波长入射光在外延层表面、薄膜外延层内部、 衬底界面三者之间产生的多次反射、折射，总的反射光强是这些最终从外延层 表面反射回来的光束叠加，由于各光束之间存在相位差，反射光强度将随着外 延层厚度的变化，出现周期性振荡反射谱。

反射谱中不仅包含了生长率、薄膜厚度信息，而且从反射谱曲线的振幅及 其变化趋势中能提取出的折射率、吸收率、表面质量信息，因此外延层的特征 参数，如组分、应力、表面态、渗杂浓度变化等，可以在建立相应材料的光学 模型前提下，通过测量反射谱的变化从而间接计算得到。但由于是间接获取的 信息，必然存在较大误差和不确定性。

4、外延层表面翘曲度

外延层表面曲率的测量原理如图2所示，两束（或两束以上）平行激光直 接照射在外延片表面，根据反射光斑的间距变化就可以推算出外延片的表面曲 率。外延片产生弯曲是由异质外延层的晶格常数及热膨胀系数不匹配引起，通 过在线表面曲率测量，能够对掺杂诱导应力的形成过程，以及掺杂程度对应力 松驰以及位错湮灭的机制进行研究。

外延层表面翘曲度在线测量虽然能实时反映异质外延层的应力形成与变化 过程，但是翘曲度改变的根本原因是由晶格常数及热膨胀系数失配引起位错所 造成的，在线表面翘曲度测量属于由宏观现象推断微观特征，同样也存在误差 和不确定性。

综上所述，目前还没有技术或产品能够在MOCVD中实时、直接表征纳米 材料微观结构、晶体状况、掺杂组分和浓度等特性。现有的在线监测技术都只 能材料生长完成后，取出反应腔，利用常规离线表征技术，如SEM、XRD、透 射电子显微镜（TEM）、原子力显微镜（AFM）、拉曼光谱等来进行验证与校准。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种MOCVD设备中薄膜外延 生长的在线实时表征装置，以实现实时、直接表征纳米材料薄膜外延生长的特 性。

为实现上述发明目的，本发明薄膜外延生长的在线实时表征装置，其特征 在于，包括光源、探头以及傅里叶变换光谱仪；

所述的探头包括第一分光镜、平凸透镜、第一聚焦透镜、共焦针孔、第一 准直透镜以及第二聚焦透镜；光源发出单色的激发光被第一分光镜反射后，由 平凸透镜聚焦，通过MOCVD反应腔顶部的观察窗口，将聚焦点照射在外延片 上；外延片聚焦点照射区域被激发的拉曼光谱信号被平凸透镜收集并通过第一 分光镜透射后，经第一聚焦透镜汇聚，在第一聚焦透镜的焦点处为共焦针孔， 被激发的拉曼光谱信号经过共焦针孔经过空间滤波抑制杂散光后，经第一准准 直透镜变为平行光以及第二聚焦透镜聚焦进入第一光纤耦合器，然后经过光纤 传输到傅里叶变换光谱仪；

傅里叶变换光谱仪将接收的拉曼光谱信号的亮度谱在时间域作展开，再有 傅里叶变换将时间域亮度谱变换为在空间域色散的谱，提取出光谱。

本发明的目的是这样实现的：

拉曼光谱是当单色光被物质散射时，散射光中不仅存在与入射光同频率的 谱线（瑞利散射光），还存在频率向正负方向发生相同位移且强度只有瑞利散 射强度的10^-3～10^-6的谱线。拉曼频移与物质分子的转动和振动能级有关，利用拉 曼光谱可以对纳米材料进行分子结构分析、键态特征分析和定性鉴定等进行表 征。本发明薄膜外延生长的在线实时表征装置利用拉曼光谱信号对MOCVD设 备中薄膜外延生长过程中的纳米材料微观结构进行实时、直接表征，并针对 MOCVD工艺及反应室结构的特殊性，采用激发光与光谱探测系统反射式共焦， 单平面收集光谱信号。激发光被第一分光镜反射后，由平凸透镜聚焦，通过 MOCVD反应腔顶部的观察窗口，将聚焦点照射在外延片上；聚焦点照射区域 被激发的拉曼光谱信号由于是在平凸透镜的聚焦点，因此绝大部分拉曼光谱信 号是被平凸透镜收集到，通过第一分光镜后，汇聚在聚焦透镜的焦点上，此时 该焦点处有一个共焦针孔，起到空间滤波、抑制杂散光的作用。这样，由于采 用反射式共焦系统中，激发光与探测光即拉曼光谱信号的光路前端单元是共用 的，能够尽可能地缩小探头体积，克服反应室观察窗口的空间限制。此外，不 仅聚焦区域以外的杂散光能够被很好地抑制，而且聚焦区域的拉曼光谱信号将 被高效地收集，从而大大提高信噪比。

附图说明

图1是MOCVD生长原理示意图；

图2是表面曲率测量原理示意图；

图3是本发明薄膜外延生长在线实时表征装置一种具体实施方式原理图；

图4是本发明薄膜外延生长在线实时表征装置另一种具体实施方式原理图；

图5是外延片位置信息预测图；

图6是迈克尔逊干涉仪原理图；

图7是光程差与外延片位置的关系图；

图8是光程差与石墨载片盘转动的关系图；

图9是光程差与石墨载片盘慢速转动的关系图；

图10是本发明薄膜外延生长在线实时表征装置另一种具体实施方式原理 图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行描述，以便本领域的技术人员 更好地理解本发明。需要特别提醒注意的是，在以下的描述中，当已知功能和 设计的详细描述也许会淡化本发明的主要内容时，这些描述在这里将被忽略。

实施例1

在本实施例中，如图3所示，为实现上述发明目的，本发明薄膜外延生长 在线实时表征装置，包括探头2、光源3以及迈克尔逊干涉仪4；

所述的探头2包括第一分光镜201、平凸透镜202、第一聚焦透镜203、共 焦针孔204、第一准准直透镜205以及第二聚焦透镜206；光源3发出单色的激 发光经过光纤耦合器209进入探头2、然后由直透镜208变为平行光，被第一分 光镜201反射后，由平凸透镜202聚焦，通过MOCVD反应腔1顶部的观察窗 口104，将聚焦点照射在外延片102上；外延片聚焦点照射区域被激发的拉曼光 谱信号被平凸透镜202收集并通过第一分光镜201透射后，经第一聚焦透镜203 汇聚，在第一聚焦透镜203的焦点处为共焦针孔204，被激发的拉曼光谱信号经 过共焦针孔204经过空间滤波抑制杂散光后，经第一准直透镜205变为平行光 以及第二聚焦透镜206聚焦进入第一光纤耦合器207，然后经过光纤传输到傅里 叶变换光谱仪3。其中，观察窗口104位于喷淋头103上，外延片102位于石墨 载片盘101上。

傅里叶变换光谱仪3将接收的拉曼光谱信号的亮度谱在时间域作展开，再 有傅里叶变换将时间域亮度谱变换为在空间域色散的谱，提取出光谱。

如图3所示，由于采用反射式共焦系统中，激发光与探测光即拉曼光谱信 号的光路前端单元是共用的，能够尽可能地缩小探头2体积，克服MOCVD反 应腔1观察窗口的空间限制。此外，不仅聚焦区域以外的杂散光能够被很好地 抑制，而且聚焦区域的拉曼光谱信号将被高效地收集，从而大大提高信噪比。

实施例2

在本实施例中，在实施例1的基础上，进一步进行改进，使其可以进行反 射光谱和热辐射光谱的在线获取，反射光束中包含了大量的外延片生长信号： 反映表面原子重构质量、外延层厚度的反射光谱，反映外延片温度的热辐射光 谱。

外延片产生的拉曼光谱信号以及包括反射光谱、热辐射光谱的反射光束都 经过平凸透镜202后，由第一分光镜201分成两束，一束透射后用于拉曼光谱 探测，另一束反射后沿激发光的反方向传播，如图4所示。本发明在激发光的 光路中加入第二分光镜210，光源3发出单色的激发光经过第三光纤耦合器209 进入探头2、然后由第二准直透镜208变为平行光，经过第二分光镜210透射后 使得激发光能进入共焦光路即被第一分光镜201反射，由平凸透镜202聚焦的 光路，同时第二分光镜210又能将包括反射光谱、热辐射光谱的反射光束反射 传送到探测器5进行采集、分析。其中，所述的反射传送为反射光束经第二分 光镜210反射后进入第三聚焦透镜211汇聚进入第二光纤耦合器212，然后由光 纤传送至探测器5中，探测出反射光谱信号以及热辐射光谱信号。

在本实施例中，本发明薄膜外延生长在线实时表征装置，不仅可以探测外 延片102产生的拉曼光谱信息，同时还可以提取反射光束中的反射光谱、热辐 射光谱信息，获取外延表面质量、外延层厚度、外延片温度等信息，通过综合 分析所有信息，可以更好地判断外延层生长的质量。

实施例3

1、利用反射光谱信号为拉曼光谱的测量准确重复定位

尽管外延片102的反射率是随生长厚度在变化，但是，相对石墨载片盘而 言，外延片的反射率远高于石墨载片盘101，因此所测到的反射光谱信号是随着 石墨载片盘101的旋转而波动，如图5所示。

在MOCVD工艺中，为了使外延片102的生长质量尽可能地均匀，MOCVD 设备对石墨载片盘101的转速控制非常平稳。因此，在本实施例中，在实施例2 的基础上，进一步进行改进，将通过实时分析探测器5探测出的反射光谱信号， 得到反射光谱波动与石墨载片盘101的角位移关系，从而进行角位移预测，。 如图5，A点是石墨载片盘101上的某点，通过角位移预测，可以预知外延片 102上B点的位置信息，那么薄膜外延生长在线实时表征装置将在石墨载片101 盘旋转到B点的时候进行拉曼光谱测量。这样就保证拉曼光谱信号都是在同一 个外延片、同一个位置进行激发，从而保证拉曼光谱信号的重复性与稳定性。

2、利用迈克尔逊干涉法结合石墨载片盘的转动对拉曼光谱信号进行提取

本发明利用傅利叶变换光谱仪3对拉曼光谱信号进行提取，其核心部件是 迈克尔逊干涉仪，如图6所示，通过移动反射镜的水平移动，产生可控制的、 随时间变化的光程差ΔL，其作用是将光信号的亮度谱在时间域作展开，再由傅 利叶变换将时间谱变换为在空间域色散的谱，从而提取出光谱信号。

迈克尔逊干涉仪需要持续的光信号以及连续变化的光程，才能提取出光谱信 号。然而，在MOCVD中，外延片是随石墨载片盘是在不断转动，因此不可能 在相同外延片的相同位置实现持续的拉曼光谱激发。

本发明将迈克尔逊干涉仪的移动反射镜的光程变化，与石墨载片盘101的转 动位置变化进行匹配对应。如图7所示，以1#外延片为例，说明干涉仪光程差 与外延片102位置关系。通过前面所述方法，分析反射光谱信号，得到石墨载 片盘的角位移，准确预测同一级1#外延片102的同一即B点位置，保证每一次 激发拉曼光谱的位置，都具有很好的准确重复定位。同时，控制迈克尔逊干涉 仪的移动反射镜，每当预测的即1#外延片102随石墨载片盘回转1周，预测点 即B点重新对准探头时，都移动了1个恒定的光程差ΔL。

如图8所示，当迈克尔逊干涉仪的光程差从0开始（或者从某个初始值开始）， 以石墨载片盘101每转1圈递增ΔL的方式在运行，石墨载片盘101转动n圈之 后，光程差达到最大值L，然后以每转1圈递减ΔL的方式，光程差返回0（或者 某个初始值），依次循环。

这样对于探头而言，每次都在1#外延片的B点进行激发与采集光谱信号，而 且，迈克尔逊干涉仪的光程差L，以石墨载片盘旋转次数的方式，被划分为n个 等份，每个等份为ΔL。当ΔL的值被控制得比较小时，可以近似地认为迈克尔逊 干涉仪的光程是连续变化的。

对于远场耦合型的MOVCD，石墨载片盘的转动速度较快（通常在 1000rad/min左右），在这种情况下，干涉仪的光程差变化只能实现每转1圈变化 1个ΔL，如图7所示的例子，就难以在石墨载片盘转动1圈内，在1#外延片上 依次激发A、B、C点的拉曼光谱信号。

然而，对于近场耦合型的MOVCD，石墨载片盘的转动速度较慢（通常在 200rad/min以下），在这种情况下，干涉仪的光程差则可以每转1圈变化多个ΔL， 移动后，主控制器分析反射光谱信号，得到石墨载片盘的角位移，准确预测外 延片的不同点位置，并在每个不同位置点移动一个ΔL。如图9所示的例子，石 墨载片盘转动1圈内，在1#外延片上可以依次激发A、B、C点的拉曼光谱信号。 对同一个外延片而言，不同位置的拉曼光谱信号差别并不大，可以近似地认为A、 B、C点的拉曼光谱信号，等同于B点的。

因此，本发明无论对于远场或是近场耦合型的MOVCD，都同样能够实现拉 曼光谱的探测。

在本实施例中，如图10所示，平凸透镜202、第一分光镜201、第一聚焦透 镜205、共焦针孔204组成共焦显微光路，激发光先在第一分光镜201上产生反 射，经平凸透镜202光学聚焦，通过安装在喷淋头103上的石英观察窗口104， 进入MOCVD反应腔，激发光聚焦在外延片102表面上，外延片102随着石墨 载片盘101一起作回转运动。

激发拉曼光谱信号的同时，也产生了反射光谱、热辐射光谱信号，这些光谱 信号再经平凸透镜202变成平行光束，返回共焦显微光路，并且在第一分光镜 201被分为两束光信号，其中一束透射后由第一聚焦透镜203会聚到共焦针孔 204上形成“点光源”，起到对信号光空间滤波的作用，最后经准第一准直透镜 205、第二聚焦透镜聚焦206进入第一光纤耦合器207，这一束光信号作为拉曼 光谱信号；另一束反射后再由第二分光镜210反射，聚焦透镜210聚焦进入光 纤耦合器第二光纤耦合器212，这一束光信号作为反射光谱、热辐射光谱信号。

激发光产生器301发出的光由斩波器302进行调制后，被第三分光镜303分 为两束光信号，其中一束透射后由第四聚焦透镜304进入第四光纤耦合器305， 通过多模光纤传送，第三光纤耦合器209出射，准直透镜208变为平行光，成 为激发光；另一束反射后由聚焦透镜306会聚到光电探测器309上，作为反射 光谱信号的强度参考光信号。

反射光谱信号以及热辐射光谱信号通过多模光纤传送探测器5，第五光纤耦 合器501出射，第三准直透镜502变为平行光，由滤光镜片组503滤去其他波 长光，只保留与光源同频的光信号，然后经聚焦透镜504会聚到光电探测器505 上，进行反射光谱信号采集。

拉曼光谱信号经多模光纤传送，从第六光纤耦合器401出射，经第四准直透 镜402变成平行光，然后由滤光镜片组403滤去瑞利散射光，进入由分光镜404、 固定反射镜405、移动反射镜407、聚焦透镜406、光电探测器409组成的迈克 尔逊干涉仪。主控制器6对探测器5探测得到反射光谱信号进行实时采集与分 析，对外延片102位置进行预测，并根据预测结果通过迈克尔逊干涉仪的光程 差控制单元408控制移动反射镜407的位移，使每次拉曼光谱信号提取都外延 片上。

创新点

1、在MOCVD外延生长过程中，利用拉曼光谱对薄膜进行实时表征。

2、利用反射式共焦式光路，在安装上，减小了探头在MOCVD喷淋头上占 用的空间，进而减小了探头对MOCVD生产质量的影响；在功能上，实现拉曼 光谱激发与测量的同时，也实现了反射光谱和温度的在线实时测量。

3、通过反射光谱信号，对外延片的激发位置进行预测，保证拉曼光谱信号 都是在同一个外延片的同一个位置进行，从而保证拉曼光谱信号的重复性与稳 定性。

4、将迈克尔逊干涉仪中移动反射镜的空间位移，与石墨载片盘的空间转动 相结合，从而无论对于远场或是近场耦合型的MOVCD，都实现了MOCVD中， 在线实时拉曼光谱的探测。

尽管上面对本发明说明性的具体实施方式进行了描述，以便于本技术领域 的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对 本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定 的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发 明创造均在保护之列。