CN102636472B - Led外延片非接触式测试装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及半导体测试领域，涉及一种半导体材料的激光激发荧光与白光反射的同步测量装置，更具体的说涉及LED外延片非接触式测试装置。本发明装置包括：在支撑板（2）上固定的光谱仪（3）、收光装置（4）、激光器安装架（5）、激光器（6）、分光镜装置（7）、滤光片装置（8）、中央开孔反射镜（9）、聚光装置（10）、白光源（11）、样品（12）安装架、光路安装座（13）。本发明的优点是由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，测试效率明显提高，具有良好的经济效益。
Description
技术领域
本发明涉及半导体测试领域，涉及一种半导体材料的激光激发荧光与白光反射的同步测量装置，更具体的说涉及LED外延片非接触式测试装置。
背景技术
自上世纪六十年代以来，LED(Light Emitting Diode)以其固有的特点，如无污染、节能、耐振动、响应速度快、应用灵活等特点，正在被越来越多的用于生活的各个领域。但是，长期以来，对生产LED的基础材料半导体光电材料的检测，都没有理想的检测设备，检测能力的高低已经成为厂商生产能力的重要决定因素。鉴于此，提出一种对半导体光致发光材料的快速、有效、低成本、无损检测方法和设备，将十分迫切。随着科研人员和工程技术人员的共同努力，业内已经取得了一定的成果。对于半导体光电材料，评价其性能及了解其内部各种机理的重要手段是光致发光测试。 光致发光的原理：当短波长的光照射到某光致发光材料上时，处于低能级上的电子在吸收一个光子的能量后被激发到高能级。由于处于高能级的电子是不稳定的，它会向低能级跃迁并同时发出一个光子，因此当用短波照射样品时，样品会有光致发光现象；荧光的波长和强度直接与样品的能带结构和其他一些物理性质有关。虽然在外延片使用中人们利用的是电致发光效应，但由于光谱分布只与样品的能带有关，因此光致发光和电致发光的光谱是一致的；同时由于影响材料光致发光的因素同时影响电致发光，所以可以用测量半导体材料光致发光强度来表示光致发光材料的电致发光强度。 白光测膜厚原理：现有一束白光斜射入半导体材料后，会有反射光在表面反射，一部分光折射进入薄膜后反射，反射的光经过再次折射后和第一次反射部分的光有一个叠加的效果，叠加后的光谱经显像就成明暗相间的条纹，经过光谱仪分光后，可看到是有波峰和波谷的周期性的曲线。不同的膜厚测出的周期T不同,周期T经转化换算可得到膜厚的测量值。在1999年09月22日中国专利文献公开了一种名称为“光致发光光谱扫描成像仪”公告号CN2340001的发明专利技术， 该技术由计算机控制电路、激光器、聚焦透镜、反射镜、扫描台、吸盘、真空泵、光谱仪和显示器组成。聚焦透镜和反射镜置于激光器和扫描台之间，聚焦透镜置于光谱仪与反射镜之间，计算机控制电路置于显示器与光谱仪之间，扫描台由步进马达驱动，吸盘固定在扫描台上，真空泵与吸盘相连。该技术的缺陷在于结构松散，不利于光路的调节，而且此装置只完成了利用激光对半导体样品的测试，如果需要白光对半导体样品测试的结果，需要另外一套光路或者另外一个装置。这种装置既浪费时间也不利于数据的分析，严重影响了测试的效率。
发明内容
本发明根据上述现有技术的不足之处，提出一种对半导体材料的测试装置，通过白光和激光对半导体材料的同时入射，实现测量数据的同时采集。
本发明目的实现由以下技术方案完成：
本发明装置主要包括：在支撑板2上固定的光谱仪3、收光装置4、激光器安装架5、激光器6、分光镜装置7、滤光片装置8、中央开孔反射镜9、聚光装置10、白光源11、样品12安装架、光路安装座13，所述白光源的出光口接光纤，光纤的另一端接所述滤光装置中的准直镜头；所述光谱仪3的进光口接光纤，光纤的另一端接所述收光装置4中的收光光纤固定座，激光器安装架5垂直固定于光路安装座之上，使得激光光轴与分光镜的表面成45°夹角，滤光装置8水平固定于光路安装座13之上，使得从光纤进来白光的轴线经滤光片后与分光镜中心相交且与分光镜表面成45°夹角，分光镜装置7固定于光路安装座13之上，使得分光镜座的通光孔与激光器的光轴同轴，且经分光镜透射的激光和透过滤光片后再经分光镜反射的白光同时穿过中央开孔反射镜9的中心通光孔，聚光装置10安装于光路安装座13之上，使得垂直于聚光装置10的聚光透镜表面的某一法线与中央开孔反射镜9的中央孔轴线重合，中央开孔反射镜9位于分光镜装置7和聚光装置10之间，透过分光镜的激光轴线及被分光镜反射的白光轴线与中央开孔反射镜表面成45°夹角，且二者交于中央开孔反射镜装置的开孔处，收光装置4固定于光路安装座13之上，使得收光装置4位于与中央开孔反射镜9表面成45°的某一轴线上，滤光片装置包括：白光固定座801、滤光片压环802、滤光片803、准直镜座804、准直镜头805、光纤806，光纤806安装于准直镜头（805）内并由其抱死，准直镜头805安装于白光固定座801的一端并被白光固定座801抱死，滤光片803安装于白光固定座801另一端的内部，并由滤光片压环靠螺纹连接压紧固定，使得从光纤进来的白光的轴线与通过滤光片803表面且垂直于滤光片表面的某一法线同轴；所述分光镜装置7包括：分光镜座701、分光镜702、分光镜压环703，分光镜702安装于分光镜压环703的凹槽内，分光镜压环703固定于分光镜座701并压紧分光镜702；所述聚光装置包括：定位销101、镜架弹簧102、无油衬套103、聚光透镜压环104、聚光透镜105、聚光透镜套106、聚光透镜法兰107，聚光透镜105安装于聚光透镜套106的凹槽内并由聚光透镜压环（104）压紧，所述无油衬套103安装于聚光透镜套106两侧的小孔内，聚光透镜套106有外螺纹，聚光透镜法兰107有内螺纹，聚光透镜套106和激光透镜法兰107靠螺纹连接，定位销101穿过镜架弹簧102再穿过无油衬套106固定于光路安装座13之上，使得当旋转聚光透镜法兰107时，聚光透镜套106能够在定位销101的导向作用下上下移动；所述中央开孔反射镜9装置包括：中央开孔反射镜固定座901、中央开孔反射镜902、高精度螺柱903、高精度螺母904、拉伸弹簧固定挡柱905 、拉伸弹簧906、中央开孔反射镜移动座907，中央开孔反射镜固定座901固定于光路安装座13之上，中央开孔反射镜固定于中央开孔反射镜移动座的凹槽内，拉伸弹簧906两端各有一个拉伸弹簧固定挡柱905将其拉伸固定，高精度螺母904安装于中央开孔反射镜移动座907的两端光孔内，高精度螺柱903的底端和中央开孔反射镜固定座901接触；所述收光装置包括：光纤401、收光光纤固定座402、聚光透镜403、聚光透镜压环404，其中，光纤401安装于收光光纤固定座402的一端并由其抱死，，聚光透镜（403）安装于收光光纤固定座402的另一端的凹槽内，凹槽内壁有内螺纹，所述聚光透镜压环（404）有外螺纹，利用螺纹连接将聚光透镜403压紧；所述的激光器连同于激光器安装架水平安装于分光镜的一侧，并使得激光光轴交于分光镜的中心且与分光镜表面成45°，滤光片装置垂直安装于分光镜的上方，并使得经滤光片后的白光光轴交于分光镜的中心且与分光镜表面成45°。
本发明的优点是由于采用了上述技术方案，本发明与现有技术相比，测试效率明显提高，具有良好的经济效益。
附图说明
图1是本发明装置的总体立体图；
图2是图1中的滤光装置爆炸图；
图3是图1中的分光镜装置爆炸图；
图4是图1中的聚光装置爆炸图；
图5是图1中的中央开孔反射镜装置；
图6是图1中的收光装置爆炸图。
具体实施方式
以下结合附图通过实施例对本发明特征及其相关特征做进一步说明：
如附图1-8示意，图中的标号分别表示：1--支撑立柱、2--支撑板、3-光谱仪、4-收光装置、401-光纤、402-收光光纤固定座、403-聚光透镜、404-聚光透镜压环5-激光器安装架、6-激光器、7-分光镜装置、701-分光镜座、702-分光镜、703-分光镜压环、8-滤光片装置、801-白光固定座、802-滤光片压环、803-滤光片、804-准直镜座、805-准直镜头、806-光纤、9-中央开孔反射镜装置、901-中央开孔反射镜固定座、902-中央开孔反射镜、903-高精度螺柱、904-高精度螺母、905-拉伸弹簧固定挡柱、906-拉伸弹簧、907-中央开孔反射镜移动座、10-聚光装置、101-定位销、102-镜架弹簧、103-无油衬套、104-聚光透镜压环、105-聚光透镜、106-聚光透镜套、107-聚光透镜法兰、11-白光源、12-样品、13-光路安装座。
本发明主要包括：支撑立柱1、支撑板2、光谱仪3、收光装置4、激光器安装架5、激光器6、分光镜装置7、滤光片装置8、中央开孔反射镜装置9、聚光装置10、白光源11、样品12、光路安装座13，其中，所述滤光片装置8包括：白光固定座801、滤光片压环802、滤光片803、准直镜座804、准直镜头805、光纤806（图中为光纤的一个端头）。所述光纤安装于准直镜头805内并由其抱死，准直镜头805安装于白光固定座801的一端并被白光固定座801抱死，滤光片803安装于白光固定座801另一端的内部，并由滤光片压环802靠螺纹连接压紧固定，此结构保证了从光纤进来的白光的轴线与通过滤光片803表面且垂直于滤光片表面的某一法线同轴。 其中滤光片803是要滤去白光中与激光在所测材料上激发的荧光光谱重叠的波段，保证在分析白光和激光激发荧光的波段特性时互不干涉，因此所选滤光片803要根据激光在所测材料上所激发的荧光波段而定；所述分光镜装置包括：分光镜座701、分光镜702、分光镜压环703；所述分光镜702安装于分光镜压环703的凹槽内，所述分光镜压环703固定于分光镜座701并压紧分光镜702，其中分光镜是一种光学窗片，其表面镀有半透明的镜状膜，它能将一束光线分解为两束，进而将部分入射光能量反射,吸收相对较小的一部分量，将其余的能量透射，具体透射多少反射多少视镀膜的性质而定。此处利用的是透射部分激光和反射部分白光，具体选择透射率多少的分光镜视被测半导体材料的特性而定；所述聚光装置10包括：定位销101、镜架弹簧102、无油衬套103、聚光透镜压环104、聚光透镜105、聚光透镜套106、聚光透镜法兰107；所述聚光透镜105安装于聚光透镜套106的凹槽内并由聚光透镜压环104压紧，所述无油衬套103安装于聚光透镜套106两侧的小孔内，聚光透镜套106有外螺纹，聚光透镜法兰107有内螺纹，聚光透镜套106和激光透镜法兰107靠螺纹连接，所述定位销101穿过镜架弹簧102再穿过无油衬套106固定于光路安装座13之上。当旋转聚光透镜法兰107时，聚光透镜套106能够在定位销101的导向作用下上下移动。利用此结构，可以很好的调节聚光透镜105的焦点高度，并保证激光透镜105的焦点始终在同一垂线上运动，镜架弹簧102可以消除聚光透镜套106和激光透镜法兰107之间的螺纹间隙，避免了机构振动时聚光透镜105焦点高度的变化；所述中央开孔反射镜装置包括：中央开孔反射镜固定座901、中央开孔反射镜902、高精度螺柱903、高精度螺母904、拉伸弹簧固定挡柱905 、拉伸弹簧906、中央开孔反射镜移动座907；所述中央开孔反射镜固定座901固定于光路安装座13之上；所述中央开孔反射镜固定于中央开孔反射镜移动座的凹槽内；所述拉伸弹簧906两端各有一个拉伸弹簧固定挡柱905将其拉伸固定；所述高精度螺母904安装于中央开孔反射镜移动座907的两端光孔内；所述高精度螺柱903的底端和中央开孔反射镜固定座901接触；旋转所述高精度螺柱903，在拉伸弹簧906的作用下，可以很好的调节中央开孔反射镜902的角度；所述收光装置包括：光纤401（图中显示的是光纤的一个端头）、收光光纤固定座402、聚光透镜403、聚光透镜压环404；所述光纤401安装于收光光纤固定座（402）的一端并由其抱死，所述聚光透镜403安装于收光光纤固定座402的另一端的凹槽内，凹槽内壁有内螺纹，所述聚光透镜压环404有外螺纹，利用螺纹连接将聚光透镜403压紧；所述光路安装座13固定于支撑板2上，所述光谱仪3和白光源11也同时固定于支撑板2上，所述支撑板2由四根支撑立柱支撑，所述支撑柱1固定于工作平台上；所述白光源11发出的是标准光，白光源11的出光口接光纤，光纤的另一端接所述滤光装置8中的准直镜头805；所述光谱仪3的进光口接光纤，光纤的另一端接所述收光装置4中的收光光纤固定座402。此处采用光纤传导，增加了白光源11和光谱仪3的固定位置的灵活性，同时也减少了外界对光路的干扰；所述激光器6固定于激光器架5之上，所述激光器架5垂直固定于光路安装座13之上，并保证激光光轴与分光镜702的表面成45°夹角，所述激光器6的发射波长范围根据被测半导体材料的特性进行选定，如半导体材料的带隙、外延结构等，从而提高光致发光测试能力及改变测试灵敏度；所述滤光装置8水平固定于光路安装座13之上，并保证从光纤进来白光的轴线经滤光片803后与分光镜中心相交且与分光镜702表面成45°夹角；所述分光镜装置7固定于光路安装座13之上，并保证分光镜座702的通光孔与激光器6的光轴同轴，且经分光镜702透射的激光和透过滤光片803后再经分光镜702反射的白光同时穿过中央开孔反射镜902的中心通光孔；所述聚光装置10安装于光路安装座13之上，并保证垂直于聚光透镜105表面的某一法线与中央开孔反射镜902的中央孔轴线重合；所述中央开孔反射镜装置9位于分光镜装置7和聚光透镜装置10之间，透过分光镜702的激光轴线及被分光镜702反射的白光轴线与中央开孔反射镜902表面成45°夹角，且二者交于中央开孔反射镜902装置的开孔处；所述收光装置4固定于光路安装座13之上，并保证收光装置4位于与中央开孔反射镜902表面成45°的某一轴线上，即保证了经中央开孔反射镜902反射的荧光和白光轴线与收光装置4中聚光透镜105的轴线同轴；所述样品12位于两轴移动台上（图中未显示）并位于支撑板2（支撑板上开有通光孔，图中未显示）之下，且样品13的上表面位于聚光透镜105的焦平面内。此装置中，因所有的光路部分结构都安装于光路安装座13之上，所以此装置具有较好的一致性，减少了光路调节的时间，在测试相同的半导体材料时，只需调节一次并固定，以后无需调节。
进一步说明如下：以测试CaN蓝宝石衬底的外延片为例说明，激光器选择半导体型的，所发射波长为405nm,滤光片选择滤去600nm以下波段的滤光片，分光镜选择反射和透射各占50%的分光镜。将外延片样品放置于两轴移动台上，调节两轴移动台使外延片样品上其中一点位于聚焦透镜的焦点上；开激光器和白光源，激光垂直照射到分光镜的中心并透射部分激光，白光经光纤传导到准直镜头，再经滤光片滤去600nm以下波段后水平入射分光镜的中心，在分光镜作用下反射的部分白光和投射的激光同时穿过中央开孔反射镜的中心孔，经聚光透镜后将白光和激光聚焦到样品上，激光照射到样品上激发出荧光，白光照射到样品上发生反射，样品上被激发的荧光和反射的白光经中央开孔反射镜反射后改变传输方向并进入收光装置。经光纤传导，被激发的荧光和反射的白光进入光谱仪，这样外延片样品其中一点的数据即被采集，在两轴移动台的移动中，整个外延片样品的数据即被逐点采集。光谱仪将采集到的数据（如激光测试获得的积分光强、峰值波长、半宽、主波长，白光测试获得的膜厚、反射率、DBR等）导入计算机系统处理即可将测试结果显示于光谱中，由于荧光波长和反射的白光波长不同，所以激光测试的结果和白光测试的结果将分属于不同的波段显示于波形图像中， 实现了激光和白光对外延片样品的同时测量。] 需要说明的是，本发明也可以做以下改变：激光器连同于激光器安装架水平安装于分光镜的一侧，并保证激光光轴交于分光镜的中心且与分光镜表面成45°，滤光片装置垂直安装于分光镜的上方，并保证经滤光片后的白光光轴交于分光镜的中心且与分光镜表面成45°。改变后的装置同样可以获得相同的测试效果。
虽然以上已经参照附图对按照本发明目的的构思作了详尽说明，但本领域技术人员可以认识到，在没有脱离权利要求限定范围的前提条件下，仍然可以对本发明作出各种改进和变换，而这种改进和变换仍然应当属于本发明的保护范围。
Claims (4)
1.LED外延片非接触式测试装置，其特征在于，主要包括：在支撑板（2）上固定的光谱仪（3）、收光装置（4）、激光器安装架（5）、激光器（6）、分光镜装置（7）、滤光片装置（8）、中央开孔反射镜（9）、聚光装置（10）、白光源（11）、样品（12）安装架、光路安装座（13），其中，白光源（11）的出光口接光纤，光纤的另一端接滤光片装置（8）中的准直镜头，光谱仪（3）的进光口接光纤，光纤的另一端接收光装置（4）中的收光光纤固定座，激光器安装架（5）垂直固定于光路安装座之上，入射分光镜的激光轴线与分光镜表面法线成45°度夹角，从分光镜一侧入射，入射分光镜的白光轴线与分光镜表面成45°度夹角，从分光镜另一侧入射，且入射分光镜的激光轴线、分光镜表面法线、入射分光镜白光轴线共面，中央开孔反射镜可通过开孔反射镜装置调节至与透过分光镜的激光轴线及被分光镜反射的白光轴线与中央开孔反射镜表面成45°夹角状态，滤光装置（8）水平固定于光路安装座（13）之上，使得从光纤进来白光的轴线经滤光片后与分光镜中心相交且与分光镜表面成45°夹角，分光镜装置（7）固定于光路安装座（13）之上，使得分光镜座的通光孔与激光器的光轴同轴，且经分光镜透射的激光和透过滤光片后再经分光镜反射的白光同时穿过中央开孔反射镜（9）的中心通光孔，聚光装置（10）包括：定位销(101)、镜架弹簧(102)、无油衬套(103)、聚光透镜压环(104)、聚光透镜(105)、聚光透镜套(106)、聚光透镜法兰(107)，聚光透镜(105)安装于聚光透镜套(106)的凹槽内并由聚光透镜压环（104）压紧，所述无油衬套(103)安装于聚光透镜套106两侧的小孔内，聚光透镜套(106)有外螺纹，聚光透镜法兰(107)有内螺纹，聚光透镜套(106)和激光透镜法兰(107)靠螺纹连接，定位销(101)穿过镜架弹簧(102)再穿过无油衬套(106)固定于光路安装座(13)之上，使得当旋转聚光透镜法兰(107)时，聚光透镜套(106)能够在定位销(101)的导向作用下上下移动，并使得垂直于聚光透镜表面的某一法线与中央开孔反射镜的中央孔轴线重合，中央开孔反射镜（9）包括：中央开孔反射镜固定座(901)、中央开孔反射镜(902)、高精度螺柱(903)、高精度螺母(904)、拉伸弹簧固定挡柱(905) 、拉伸弹簧(906)、中央开孔反射镜移动座(907)，中央开孔反射镜固定座(901)固定于光路安装座(13)之上，中央开孔反射镜固定于中央开孔反射镜移动座的凹槽内，拉伸弹簧(906)两端各有一个拉伸弹簧固定挡柱(905)将其拉伸固定，高精度螺母(904)安装于中央开孔反射镜移动座(907)的两端光孔内，高精度螺柱(903)的底端和中央开孔反射镜固定座(901)接触，其位于分光镜装置（7）和聚光透镜装置（10）之间，透过分光镜的激光轴线及被分光镜反射的白光轴线与中央开孔反射镜表面成45°夹角，且二者交于中央开孔反射镜装置的开孔处，收光装置（4）固定于光路安装座（13）之上，使得收光装置位于与中央开孔反射镜表面成45°的某一轴线上，即收光装置的聚焦透镜的轴线与中央开孔反射镜表面成45°夹角，且收光装置的聚焦透镜的轴线与透过分光镜的激光轴线及被分光镜反射的白光轴线同轴。
2.如权利要求1所述的LED外延片非接触式测试装置，其特征在于，所述滤光片装置包括：白光固定座（801）、滤光片压环（802）、滤光片（803）、准直镜座（804）、准直镜头（805）、光纤（806），光纤（806）安装于准直镜头（805）内并由其抱死，准直镜头（805）安装于白光固定座（801）的一端并被白光固定座（801）抱死，滤光片（803）安装于白光固定座（801）另一端的内部，并由滤光片压环靠螺纹连接压紧固定，使得从光纤进来的白光的轴线与通过滤光片（803）表面且垂直于滤光片表面的某一法线同轴。
3.如权利要求1所述的LED外延片非接触式测试装置，其特征在于，所述分光镜装置（7）包括：分光镜座（701）、分光镜（702）、分光镜压环（703），分光镜（702）安装于分光镜压环（703）的凹槽内，分光镜压环（703）固定于分光镜座（701）并压紧分光镜（702）。
4.如权利要求1所述的LED外延片非接触式测试装置，其特征在于，所述收光装置包括：光纤（401）、收光光纤固定座（402）、聚光透镜（403）、聚光透镜压环（404），其中，光纤（401）安装于收光光纤固定座（402）的一端并由其抱死，，聚光透镜（403）安装于收光光纤固定座（402）的另一端的凹槽内，凹槽内壁有内螺纹，所述聚光透镜压环（404）有外螺纹，利用螺纹连接将聚光透镜（403）压紧。
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