CN103314280A - 用于在样品上形成干涉光栅的设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种在样品上形成干涉光栅的设备，包括：发射波长为λ的光束的激光器；分束器，其将激光器发射的光束分成第一光束（11）和第二光束（14），第一光束（11）在第一方向上被偏转；第一静止的偏转镜，其将第一光束以恒定的第一入射角偏转到样品的一点（P）上；和至少一个第二静止的偏转镜，其使第二光束根据最终路径（17）偏转，最终路径以第二入射角θ₂到达样品的点（P），从而在样品上形成干涉光栅，其栅距取决于第一入射角与第二入射角间的角度差θ，第二光束的路径的特征在于，其包括可移动的偏转镜（7、7’），该偏转镜将第二光束导向和偏转到第二镜（8、M₂），从而改变入射角θ₂的值，因此改变角度差θ。在可移动的镜上的偏转点的线性路径或抛物线路径可以至少部分地补偿第二光束的光程上的变化。

Description

用于在样品上形成干涉光栅的设备

技术领域

本发明涉及一种用于在样品（例如光导元件）上形成干涉光栅的设备，该样品可以具有电极。

背景技术

在样品上，尤其在光导样品上，形成干涉光栅能够在光学上激活样品，在适当的情况下，能够测量样品的属性。

因此，专利号为4891582的美国专利描述了一种用于测量光导元件中的少数载流子的扩散长度L_D的技术。

该技术尤其适用于薄层光导半导体，薄层光导半导体用于并入光伏模块中。

测量该参数能够确定薄膜的电子品质，以便验证该薄膜是否适合于被并入光伏模块中，即验证该薄膜是否适合于获得良好的转换效率。

利用激光干涉法来执行测量薄膜光导半导体（例如氢化非晶硅）中的少数载流子的扩散长度L_D。

样品由沉积在衬底上的薄层构成，该衬底通常是透明且绝缘的，并且该衬底具有两个沉积在其上的平行的电极，这两个电极例如间隔1毫米（mm）。在这两个电极之间施加电偏压。将波长为λ的垂直偏振光的激光束分成两条光束，然后将这两条光束偏转到样品上，以便形成给定的角度。

使干涉光栅显现在电极之间，光栅的栅距取决于两条光束间的角度。这种照射引起一定程度的光电流I_W。

通过使用λ/2半波片，将两条光束之一的偏振改变，以便由均匀的照明替代干涉光栅。这种照明引起一定程度的光电流I_W0。

测量的光电流的方向垂直于光栅的条纹。此后，绘制出作为光栅的栅距的函数的比率β=I_W/I_W0的变化，其中，用已知的方式根据两条光束间的角度计算栅距，并且使用一次方程式的对应性能够从该曲线推断出少数载流子的扩散长度。

β和L_D之间的关系如下。如果光栅的栅距很小，则少数载流子扩散消除掉几乎对测量的电流无影响的光栅。则参数β接近于1。如果光栅的栅距很大，则少数载流子扩散不再能够消除光栅。则大量的空间电荷和局部场付诸实施，从而改变多数载流子电流，并且参数β可以达到值-1。

在太阳能电池中，该相同的空间电荷现象是电流受限的原因。在这种电池中，如果少数载流子不能扩散，则少数载流子的积聚导致产生阻碍多数载流子的迁移且从而引起功效降低的空间电荷。因此，对薄膜测量L_D使得易于在制成完整的设备之前发现该膜是否因很可能获得良好效率而适于集成在电池中，因此使得这种测量特别有利于基于薄层的太阳能电池的所有制造商。

在专利号为4891582的美国专利中描述了该技术，其适用于光电导体和对光敏感的半导体。

在该文献中所描述的实现涉及手动测量，这执行起来是相对困难且漫长的，因为该测量的与干涉光栅的不同的栅距相对应的每个步骤意味着新的调整。

发明内容

本发明的目的在于提供一种符合自动化过程的设备，该设备能够使干涉光栅的栅距改变，尤其对于上述应用而言。

因此，本发明提供一种用于在样品（例如，由光导元件构成）上形成干涉光栅的设备，所述设备包括：激光器，所述激光器发射波长为λ的光束；分束片，所述分束片将所述激光器发射的光束分成第一光束和第二光束；第一静止的偏转镜，所述第一静止的偏转镜用于将所述第一光束以恒定的第一入射角θ1偏转到所述样品的点P上；以及至少一个第二静止的偏转镜，所述至少一个第二静止的偏转镜用于使所述第二光束沿着最终路径偏转，所述最终路径以第二入射角θ₂到达所述样品的所述点P，从而在所述样品上形成干涉光栅，所述干涉光栅的栅距取决于所述第一入射角θ₁与所述第二入射角θ₂之间的角度差θ，所述第二光束的路径的特征在于，其包括可移动的偏转镜，所述可移动的偏转镜用于自多个第一入射点导向和偏转所述第二光束，所述第二光束从所述多个第一入射点被朝向所述第二镜上的相应的多个第二入射点导向，从而形成多个入射点对，每个入射点对均包括第一入射点和第二入射点，每个入射点对均对应于角度θ₂的值不同的第二光束的所述最终路径，从而引起所述入射角θ₂的值改变，因此改变所述角度差θ，以及特征在于，所述第一入射点布置在线性路径或抛物线路径上，所述线性路径或抛物线路径自远离所述样品的上游端延伸，其中，所述上游端与所述激光器发射的光束的方向间隔开，因此远离所述第一光束的入射在所述样品的所述点P上的部分，所述线性路径或抛物线路径在朝着更接近所述样品的下游端行进时，以凹角朝向所述第一光束的所述部分，从而对于第一入射点和第二入射点的入射点对最小化所述第二光束的光程长度变化，每一入射点对均对应于所述角度差θ的相应的值。

在第一变型中，可以为光程长度变化提供适当的补偿，该设备的特征在于，所述设备包括一对偏转镜，所述一对偏转镜位于所述第二光束的第一部分的路径上，以使第二测量光束在所述一对偏转镜的下游沿着第二部分偏转，所述第二部分相对于所述第一部分形成恒定角，以及特征在于，所述第二镜定位在所述一对偏转镜的下游且由沿着所述第二部分可平移移动的镜构成，所述第二光束的第二部分在所述多个第一入射点处入射在所述可移动的镜上，以在所述可移动的镜的下游形成第三部分，所述第三部分与所述第二部分形成恒定角，且其特征在于，所述设备包括至少两个所述第二偏转镜，所述第二偏转镜被预定位成偏转第二光束的所述第三部分，所述第三部分在所述第二入射点处入射在所述第二偏转镜上，形成最终路径，所述最终路径入射在所述样品的所述点P上，以相对于第一光束限定至少两个不同的角度θ。

在优选的变型中，该设备的特征在于，所述设备包括：可旋转移动的镜；第一抛物面镜，所述第一抛物面镜的焦点置于所述第二光束的路径上且置于所述可旋转移动的镜的旋转轴上，所述可旋转移动的镜使所述第二光束在多个第一入射点处从所述焦点偏转到所述第一抛物面镜上，以形成中间部分，所述中间部分在所述多个第二入射点处入射在第二抛物面镜上，所述样品ECH的会聚有所述第一光束和所述第二光束的所述点P被定位在所述第二抛物面镜的焦点处。

优选地，第二测量光束的第一部分与来自激光器的光束是共线的。

有利地，该设备的特征在于，该设备控制模块，所述控制模块用于控制可移动的镜的移动以构成至少两个测量点。

该设备可以包括用于改变光（例如第一光束）的偏振的元件，有利地，该元件为可与斩波器联接的λ/2半波片，该λ/2半波片可以被放置在可旋转移动的元件上，或者为旋转偏振器，可选地，该旋转偏振器与电光调制器联接，从而在样品上形成干涉光栅或者使样品经受均匀的照明。

于是，该设备可以包括用于在每个位置处测量电流I_W和电流I_W0的值的器件，其中，I_W对应于干涉光栅形成在样品上，I_W0对应于样品经受所述均匀的照明。

优选地，该设备具有用于控制可平移的镜的线性运动或旋转运动的步进电机。

附图说明

通过阅读以下参照附图的描述，将更好地显现本发明的其它特征和优势，其中：

﹒图1a至图1c示出本发明的设备的第一变型实施方式，图1d为示出如何计算光程的示图；以及

﹒图2示出本发明的设备的优选的第二变型。

具体实施方式

图1中所示的设备包括激光器1，该激光器发射光束，偏振器2使发射的光束线性偏振，例如垂直地偏振。

主光束10被分束镜3分成两束，以便提供被镜3反射的第一光束11和直接穿过分束镜3传播的第二光束14。第一光束在镜4上被反射，以便给出光束12，该光束12可选择地通过电光调制器EOM和旋转偏振器5。

在常规方式下，调制器EOM（可以与偏振器相关联）的功能是调节光的强度，以便在从样品ECH（环氧氯丙烷）上的电极的端子拾取信号时和借助于同步检测处理信号时，使光较易于进行测量。有利地，该包括调制器EOM和偏振器的对可以用斩波器和λ/2半波片替代。

反射光束12在点P处，以第一入射角θ₁（例如以90°的角度），与样品ECH的表面相交。

第二光束14通过偏转镜6₁（光束14’）和偏转镜6₂偏转，以便形成相对于第一光束部分14倾斜的第二部分15。

可沿第二光束部分15的轴而线性移动的偏转镜7用于形成第三光束部分16，二级偏转镜8之一使第三光束部分16偏转，该二级偏转镜的位置和倾斜角度选择成使得，在偏转镜7的每个位置上，构成其最终轨迹的第四光束部分17在点P处，以入射角θ₂到达样品ECH的表面，与第二光束部分12、特别是与样品ECH的法线形成角度θ，对于每个偏转镜8而言，该角度θ是不同的，因此可以通过改变光束部分12与光束部分17之间的角度θ而对于干涉光栅的栅距扫描一系列值。

偏转镜7的每个位置限定第一偏转点71，第一偏转点71以一对一关系对应于来自二级偏转镜8的第二偏转点82，使得第二光束达到点P。

如果想要执行专利号为4891582的美国专利中所描述的测量方法，则在可平移的镜7的每个位置处，对电流I_W和电流I_W0进行测量。为此，将半波片5（或旋转偏振器）定位成能够使在点P处相交的光束12和光束17具有平行的偏振，从而使得两条光束能够在表面上产生干涉，因此可以测量电流I_W；或者使这两条光束具有垂直的偏振，因此使得干涉光栅被均匀的照明替代，从而可以测量电流I_W0。

上述设备可以改变光束间的角度θ，而无需进行调整，同时还保持在点P处的良好的叠加，使得干涉能够形成，因此能够以自动的方式获得不同栅距的干涉光栅，从而尤其可以自动地进行测量。

借助于电机驱动的线性支架，移动单个镜可以提供约1微米（μm）的运动步长，其结合静止的二级偏转镜8的精确限定的位置能够确保以各种各样的预调角度准确地偏转。

该设备用于，例如使用具有波长λ=633纳米（nm）的激光器，在一系列干涉光栅的栅距尺寸（通常从1μm到15μm）中进行测量。

例如，通过插入λ/2半波片或位于可受控旋转的元件上的旋转偏振器5来改变偏振。

自动化测量，即利用线性支架控制镜的运动和利用旋转支架控制半波片（或旋转偏振器）的运动，测量电流和放大电流，然后进行后续与测量相关的计算，例如计算少数载流子的扩散长度L_D，可以全部由使用特定软件的计算机控制且在注册商标虚拟仪器下用已知的编程语言进行开发。

两条光束之间的光程长度差可按如下方式进行修正：

为了使用相对便宜且因此不呈现较大的相干长度的激光器，必须尽可能地确保，不管使用哪个偏转镜8，两条光束的光程长度具有尽可能相互接近的值（图1b）。

相比之下，图1c的布局示出了未进行补偿的简单布局，其中，可移动的镜7沿着来自分束片3的未偏转部分14移动。在分束片3和点A之间的部分14和部分16的长度呈现相同的距离，但光程不同，光束部分12和光束部分16相交于点A。光束12穿过调制器的晶体，将其路径延长了约5厘米（cm）（晶体长度x(n-1)，其中，n为晶体的折射率）。为了从点A到达样品ECH，光束16’、光束17沿着直角三角形的短边和斜边行进，而另一光束12沿着长边行进。因此，光束16’、光束17呈现从点A到样品ECH的路径，该路径比光束12的路径长。然而，这并不总是补偿在光束12到达点A之前其可行进的额外的5cm。

如果使用图1c的构型，则从分束片3到样品ECH，光束14、光束16、光束17与光束11、光束12之间的总的路径长度差处于针对偏转镜8₁的-4.3cm到针对偏转镜8₁₀的+3.6cm的范围中。因此，从第一偏转镜到最后一偏转镜，前行的两条光束之间的路径长度差变化±4cm，当利用具有短相干长度的激光器进行实验时，这可不利于良好的实验操作。

图1b示出用以实现局部补偿的偏转镜的设置的更详细的示图。这些偏转镜标号为8₁至8₁₀。用虚线代表光束12，根据镜7的位置示出各个光束16。

为了补偿这些差，不使镜M_i平行于光束12移动，而是以一定凹角移动（图1a和图1d），从而在光束14、光束15、光束16入射在偏转镜8₁上时增大这一路径长度，且在光束14、光束15、光束16入射在偏转镜8₁₀上时使同一路径长度减小。由于所涉及的方程式不是线性的，因此这种修正可仅仅是局部的。

图1d示出为了至少局部地提供该补偿而采用的布局。

以下计算可以优化该局部补偿。

从分束片3经由偏转镜8₁传到样品ECH的光束14、光束14’、光束15、光束16、光束17所行进的光程长度ChI按如下公式计算：

$\mathrm{ChI}=L+x+\sqrt{25+{\left(\frac{x+y}{4}\right)}^2}+[x-\left(\frac{x+y}{4}\right)]+l+D+0.7---\left(1\right)$

其中，D表示样品ECH与光束12和光束16所相交的点A之间的距离，且其中，0.7表示借助偏转镜进行传送而导致的额外的路径长度（单位cm）。

从分束片3穿过调制器EOM到达样品ECH的另一光束（光束11、光束12）的光程长度ChII按如下公式计算：

ChII=L+l+5+D+5   （2）

所有量级用cm表示。方程式（2）中最后的5cm来自于调制器EOM中的额外的路径长度。最终，使用以下方程式：

$\mathrm{ChI}-\mathrm{ChII}=x+\sqrt{25+{\left(\frac{x+y}{4}\right)}^2}+[x-\left(\frac{x+y}{4}\right)]-10+0.7---\left(3\right)$

从分束片3经由偏转镜8₁₀传到样品的光束14、光束14’、光束15、光束16、光束17所行进的光程长度Ch’I按如下计算：

$C{h}^{\′}I=L+x+\sqrt{400{(x+y)}^2}-y+l+d+8.6---\left(4\right)$

其中，d为点B与样品ECH之间的距离，8.6为在借助偏转镜8₁₀传送时所行进的额外的路径长度。用相同的方式计算从分束片3到样品ECH的光程长度ChII：

ChII=L+l+20+d+5   （5）

所有量级继续用cm表示。如上所述，方程式（5）中最后的5cm来自于穿过电光调制器EOM的额外的光路径。最终得到以下方程式：

$C{h}^{\′}I-\mathrm{ChII}=x+\sqrt{400{(x+y)}^2}-y-20+3.6---\left(6\right)$

于是可以寻求使方程式（3）和方程式（6）都为0的x和y，从而得到两条光束之间的零路径长度差，例如针对极端的镜8₁和镜8₁₀。换言之，这相当于对下式求解：

$0=x+\sqrt{25+{\left(\frac{x+y}{4}\right)}^2}+[x-\left(\frac{x+y}{4}\right)]-10+0.7$

$0=x+\sqrt{400{(x+y)}^2}-y-20+3.6$

在冗长但简单的计算之后，上述方程式给出x=3.46cm和y=12.9cm。

由于尽管对于镜8₁和镜8₁₀的光程长度差为0，但是对于镜8₄和镜8₇所进行的类似计算分别给出[CHI-CHII]=-0.75cm和[Ch'I-ChII]=-0.97cm，因此这种修正仅仅为局部的。然而，可以看出，最大的光程长度差不大于厘米级，这可以使用具有相对短的相干长度（几厘米）且因此相对便宜的激光器而不需要事先处理光信号，但这种激光器可能不是激光二极管。

应当观察到，可以计算优化，其中，对于一些其它对偏转镜，例如镜8₂和镜8₉或镜8₄和镜8₇，使两条光束之间的路径长度差为0。

还应当观察到，当未使用电光调制器时，也可应用上述计算。则，例如可以借助于一对偏转镜补偿两条光束之间的路径长度差。

在附图中，已经选择角度θ₁=90°。这是优选的实现方式，由于其便于调整光学试验台。可以容易地看出，样品围绕点P而关于垂直于图平面的轴的旋转不改变形成干涉的方式，这是由于角度θ保持相同。

此外，部分12和部分16不需要是垂直的。

可以通过使用两个抛物面镜来获得精确的补偿，这两个抛物面镜沿相反的方向彼此面对，且其聚焦轴是平行的。

将样品ECH的点P置于离轴的抛物面镜M₂的焦点F₂处（图2）。在另一离轴的抛物面镜M₁的焦点F₁处，放置平面镜7’的旋转轴，平面镜7’在旋转时用以改变光束14到达抛物面镜M₁的角度，同时将两条光束保持在同一平面上。从点F₁到样品的光束的路径保持为恒定的。因此，两条光束之间的路径长度差是恒定的，可通过使用镜9₁和镜9₂的系统根据几何构型使路径中的一个路径或另一路径延长，补偿该路径长度差。

通过示例，在图2中，对光束12进行补偿（偏转镜9₁和偏转镜9₂）。

优势

a/可以精确地使两条光束之间的路径长度差为0，因此可以使用为单模二极管的激光二极管。

b/入射在样品上的光束17的角度上的变化是连续的，而不再如前述实施方式中所述的那样是离散的，该角度的值可以从施加在位于抛物面镜的焦点F₁处的镜上的角度开始设置。

c/在不良调整的情况下，需要再一次测试和调整的镜的数量比前述实施方式少得多。

示例

在不同轴上的两个抛物面镜具有相同的7.5cm的焦距，直径为7.5cm，在中心处的偏转角约为60°，抛物线轴与镜轴间的偏移量约为10cm。

抛物面镜中的一个抛物面镜和/或另一个抛物面镜可用一系列的平面镜替代（参看图2中的标记m₁和m₂），这些平面镜在以这种方式替代的抛物面镜的相应的点71和/或点82处是切向的，从而使得具有有限数目对入射点71和入射点82。

Claims (12)

1.一种用于在样品上形成干涉光栅的设备，所述设备包括：激光器，所述激光器发射波长为λ的光束；分束片，所述分束片将所述激光器发射的光束分成第一光束（11）和第二光束（14），所述第一光束（11）在第一方向上被偏转；第一静止的偏转镜，所述第一静止的偏转镜用于将所述第一光束以恒定的第一入射角θ₁偏转到所述样品的点P上；以及至少一个第二静止的偏转镜，所述至少一个第二静止的偏转镜用于使所述第二光束沿着最终路径（17）偏转，所述最终路径以第二入射角θ₂到达所述样品的所述点P，从而在所述样品上形成干涉光栅，所述干涉光栅的栅距取决于所述第一入射角θ₁与所述第二入射角θ₂之间的角度差θ，所述第二光束的路径的特征在于，其包括可移动的偏转镜（7、7’），所述可移动的偏转镜用于自多个第一入射点（71）导向和偏转所述第二光束，所述第二光束（15）从所述多个第一入射点（71）被朝向所述第二镜（8、M₂）上的多个第二入射点（82）导向，从而形成多个入射点对，每个入射点对均包括第一入射点（71）和第二入射点（82），每个入射点对均对应于角度θ₂的值不同的第二光束的所述最终路径（17），从而引起所述入射角θ₂的值改变，因此改变所述角度差θ，以及特征在于，所述第一入射点（71）布置在线性路径或抛物线路径上，所述线性路径或抛物线路径自远离所述样品的上游端延伸，其中，所述上游端在与所述第一方向相反的方向上与所述激光器发射的光束（10）的方向间隔开，因此远离所述第一光束的入射在所述样品（ECH）的所述点P上的部分（12），所述线性路径或抛物线路径在朝着更接近所述样品（ECH）的下游端行进时，以凹角朝向所述第一光束的所述部分（12），从而对于第一入射点（71）和第二入射点（82）的入射点对至少部分地补偿所述第二光束的光程长度变化，每个入射点对均对应于所述角度差θ的相应的值。

2.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括一对偏转镜（6₁、6₂），所述一对偏转镜（6₁、6₂）位于所述第二光束的第一部分（14）的路径上，以使所述第二光束在所述一对偏转镜（6₁、6₂）的下游沿着第二部分（15）偏转，所述第二部分相对于所述第一部分（14）形成恒定角，以及特征在于，所述第二镜定位在所述一对偏转镜（6₁、6₂）的下游且由沿着所述第二部分（15）可平移移动的镜（7）构成，所述第二光束的第二部分（15）在沿着所述线性路径布置的所述多个第一入射点（71）处入射在所述可移动的镜上，以在所述可移动的镜的下游形成第三部分（16），所述第三部分与所述第二部分（15）形成恒定角，且其特征在于，所述设备包括至少两个所述第二偏转镜（8₁、8₂、...、8₁₀），所述第二偏转镜被预定位成偏转第二测量光束的所述第三部分（16），所述第三部分沿着所述最终路径（17）在所述第二入射点（82）处入射在所述第二偏转镜上，所述最终路径（17）入射在所述样品（ECH）的所述点P上，同时相对于第一测量光束（11、12）构成至少两个不同的角度θ。

3.如权利要求1所述的设备，其特征在于，所述设备包括：可旋转移动的镜（7’）；第一抛物面镜（M₁），所述第一抛物面镜的焦点（F₁）置于所述第二光束的路径上且置于所述可旋转移动的镜（7’）的轴上，所述可旋转移动的镜（7’）使所述第二光束在所述多个第一入射点（71）处从所述焦点（F₁）偏转到所述第一抛物面镜（M₁）上，以形成所述第二光束的中间部分（16），所述中间部分在所述多个第二入射点（82）处入射在第二抛物面镜（M₂）上，所述样品（ECH）的会聚有所述第一光束和所述第二光束的所述点P被定位在所述第二抛物面镜（M₂）的焦点（F₂）处。

4.如权利要求2或3所述的设备，其特征在于，所述第二测量光束的第一部分（14）与来自所述激光器的所述光束（10）是共线的。

5.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备具有控制模块，所述控制模块用于控制可移动的镜（7、7’）的移动以构成至少两个测量点。

6.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于改变偏振的元件，所述元件为置于光束的路径上的λ/2半波片，从而在所述样品（ECH）上形成干涉光束或者从而使所述样品经受均匀的照明。

7.如权利要求6所述的设备，其特征在于，所述半波片联接至斩波器。

8.如权利要求1至5中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于改变偏振的元件，所述元件为能够在所述样品（ECH）上形成干涉光栅或者能够使所述样品经受均匀的照明的旋转偏振器。

9.如权利要求8所述的设备，其特征在于，所述设备具有插入在所述第一光束的路径上的电光调制器。

10.如权利要求6至9中任一项所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于在每个位置处测量电流I_W和电流I_W0的值的器件，其中，I_W对应于干涉光栅形成在所述样品上，I_W0对应于所述样品经受所述均匀的照明。

11.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述设备包括用于控制可移动的镜（7、7’）的移动的步进电机。

12.如前述任一项权利要求所述的设备，其特征在于，所述样品（ECH）为光导元件。

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