CN105008896A - 光反射设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及用于表征粗糙表面的光反射设备(1)，其包括：-用于发射泵浦光束(3)的装置(2)；-用于发射探测光束(11)的装置(8)；用于检测由所述表面反射的探测光束的装置(14)；-能够收集由所述表面反射的探测光束的积分球(13)，所述积分球包括：-第一输出(15)，其连接到检测装置(14)并被设置以接收由所述表面(4)反射的大部分探测光束(11)；-第二输出(16)，其被布置以接收由所述表面反射的大部分泵浦光束(3)。

Description

光反射设备
技术领域
本发明涉及用于表征粗糙或漫射表面的光反射设备。
背景技术
光反射是能够对特别是半导体样品进行非接触式探测的非破坏性方法。现有技术的光反射设备一般借助于光检测器使用单色探测光束测量在样品表面处反射的光强度。称为泵浦光束的第二光束是具有高于样品间隙宽度的光子能量的激光光束，也被用于照射样品表面以致生成电子/空穴对，其在样品表面附近改变样品的介电性质，并因此改变样品对于一些波长的反射率。最常使用同步检测装置测量由样品表面反射的探测光束的光强度变化。由此，可以绘制定义为由泵浦光束引起的探测光束在样品上的反射的相对变化的光反射谱图。该光反射图谱是在宽的谱图范围测量，这使得能够表征半导体材料、半导体异质结构、或者甚至半导体界面。
这样的光反射设备例如在文献US5255070、US5255071、US5270797、US5159410、US5172191、US5365334、US7755752、US6195166、US5982499、US7239392中描述。
当旨在表征的表面为平面时，反射的探测光束的准直和聚焦不是关键的，因为大部分测得的反射光对应于反射的探测光束。因此，反射的探测光通量高，并因而可以容易测得。同样地，泵浦光束的反射是镜面的，并由此无法测得，这使得不干扰反射的探测光束的测量。事实上，泵浦光束只用于局部地改变材料的介电性质，并且它不能在任何情况下测得。
在另一方面，当旨在表征的表面为粗糙时，探测光束的显著部分被漫射而非反射，并因此反射的探测光束的强度低。测得的反射信号因此低，且信噪比非常差。进一步地，泵浦光束进而被漫射，因此漫射的泵浦光束的一部分被检测装置感知，其干扰反射的探测信号的测量。
发明内容
本发明目的是通过提供光反射设备来解决现有技术的缺陷，所述设备使得能够最大化光反射测量的信噪比，包括当探测的表面具有高粗糙度时。
为此，本发明的第一方面提供了用于表征粗糙表面的光反射设备，其包括：
-称为“探测发射装置”的探测光束发射装置；
-称为“泵浦发射装置”的泵浦光束发射装置；
-能够检测由所述表面反射的光束的检测装置；
-积分球，其可被设置以收集由所述表面反射的探测光束，所述积分球包括：
-与所述检测装置连接的第一输出，所述第一输出被设置以接收由所述表面反射的大部分所述探测光束；
-第二输出，其被布置以接收由所述表面反射的大部分所述泵浦光束。
所述积分球使得由检测装置感知的来自探测光束的光量能够增加。事实上，所述积分球使得能够收集来自由粗糙度漫射的探测光束的光，从而将它传输到检测装置。进一步地，第二输出使得泵浦光束能够从积分球放出，从而不将它传输到检测装置。
有利地，光反射设备进一步包括在积分球的第一输出和检测装置之间提供的高通滤光片。该高通滤光片使得能够过滤泵浦光束，从而不将它传输到检测装置。
根据优选实施方式，光反射设备进一步包括能够以与泵浦光束的频率不同的频率调制探测光束的第一调制装置。以与泵浦光束的频率不同的频率调制探测光束使得能够只获得可用于表征表面的信号。
有利地，光反射设备进一步包括能够频率调制泵浦光束的第二调制装置。调制泵浦光束和探测光束二者使得能够除去泵浦光束(激光)的发光(luminance)和瑞利漫射和直接漫射分量。
优选地，光反射设备进一步包括能够放大由检测装置接收的信号的放大装置，其使得能够具有可更容易利用的信号。
优选地，远离样品放置积分球，使得不损害积分球。设备因而能够进行非接触式测量。
另外，积分球可以优选地与样品的表面平行移动，以探测样品的整个表面。
积分球随探测光束和泵浦光束的焦点移动。
探测发射装置优选包括可调谐的多色或单色光源。
泵浦发射装置优选包括发射光子的激光器(laser)，其能量可以作为半导体的带隙或半导体的能隙的函数而被调节。
根据不同的实施方式：
-检测装置可以直接连接到积分球的第一输出，其使得能够限制信号损失；或甚至
-检测装置可以通过光纤连接到积分球的第一输出，其使得积分球能够更容易地在待探测的样品表面处移动，由于检测装置当时不必与检测球一体化，因此它们不必同时移动到积分球。
附图简要说明
本发明的进一步特征和优点将在阅读以下参考了附图的详细描述后显现，所述附图示出：
-图1，根据本发明的一个实施方式的光反射设备；
-图2，图1的设备的积分球和检测装置；
-图3，图3的替代性实施方式。
为了清楚起见，在整个附图中使用相同的附图标记来指代相同或相似的元件。
至少一个实施方式的详细描述
图1表示根据本发明的一个实施方式的光反射设备，其使得能够表征样品的表面4。该光反射设备1包括能够发射泵浦光束3的泵浦发射装置2。该泵浦光束3被样品反射。泵浦光束的泵浦发射装置2优选包括：
-发射光子的激光器5，其能量可以作为待表征材料的能隙的函数而被调节；
-使得能够调节到达样品的泵浦光通量的可变密度中性灰滤光片6。或者，不使用该中性可变密度滤光片6，也可以将功率调节到泵浦激光供应；
-使得能够按频率调制所述泵浦光束的第二调制装置7。
所述光反射设备进一步包括能够发射探测光束11的探测发射装置8。这些探测发射装置8优选包括：
-可调谐的多色或单色光源9；
-能够按频率调制探测光束的第一调制装置10；
-能够使得探测光束11的光线平行并保持平行的准直装置12。
光反射设备还包括积分球13，其使得能够收集由样品表面反射和漫射的探测光束。积分球优选具有800到1200mm之间的直径。
光反射设备还包括检测装置14，其使得能够检测由样品表面反射的探测光束11。检测装置14优选包括同步光检测器。
所述积分球包括：
-与所述检测装置14连接的第一输出15，所述第一输出被设置以接收由粗糙表面反射的大部分探测光束11；
-第二输出16，其被布置以接收由粗糙表面反射的泵浦光束3的镜面光束。
如图3所表示的，第一输出15可以直接连接到检测装置14，或者如图1和2所表示的，可以通过光纤20连接到检测装置14。
光反射设备还包括放大装置17，其连接到检测装置并使得能够放大通过检测装置接收的信号。
光反射设备还包括使得能够有效地提取信号的第一同步检测装置18。
光反射设备还包括使得能够有效地提取信号的第二同步检测装置19。
现将详细说明光反射设备的操作。
探测光束11和泵浦光束3聚焦于样品的相同位置，也就是旨在表征的样品的表面位置处。泵浦光束3照射样品的表面4，其通过生成电子/空穴对而在样品表面附近产生光伏效应，因此局部地改变介电性质。探测光束11被样品表面反射。探测光束11的反射被泵浦光束改变。光反射谱图定义为由泵浦光束引起的探测光束反射的相对变化。
积分球13使得能够收集由样品表面反射和漫射的探测光束强度。积分球的第二输出16使得能够忽略由样品反射的泵浦光束的镜面反射，使得不将它传输到检测装置。
进一步地，通过第一调制装置调制探测光束使得能够仅将探测光束的强度传输到检测装置，而不传输泵浦光束部分。该双频率调制原理已经由Lu.CR等，1990，“Photoreflectance study of the internalelectric fields at the n-type GaAs surface and across the n-typeGaAs/substrate interface”，Superlattices and microstructures，8(2)，第155-157页首次使用。更详细的解释由Plaza等，(2007)，“Photoluminescence-free photoreflectance spectra using dualfrequency modulation,Journal of Applied Physics”，102(9)，093507，和Ghosh等，Ghosh(1998)，Photoreflectance spectroscopy with whitelight pump beam，Review of Scientific Instruments，69(3)，1261提供。
进一步地，泵浦光束和探测光束的双调制使得能够除去泵浦光束的发光和瑞利漫射和直接漫射分量。
根据本发明的设备可以特别用于进行光伏行业的非破坏性监测。
自然地，本发明不限于参考附图描述的实施方式，并且可以设想替代方案而不背离本发明的范围。多通道检测器可尤其用作检测装置，其使得能够同时进行数个波长的信号的获取。

Claims (8)

1.用于表征粗糙表面的光反射设备(1)，其包括：
-能够发射泵浦光束(3)的泵浦发射装置(2)；
-能够发射探测光束(11)的探测发射装置(8)；
-能够检测由所述表面反射的光束的检测装置(14)；
其特征在于，其进一步包括：
-积分球(13)，其可以被设置以收集由所述表面反射的探测光束，所述积分球包括：
-与所述检测装置(14)连接的第一输出(15)，所述第一输出(15)被设置以接收由所述表面(4)反射的大部分探测光束(11)；
-第二输出(16)，其被布置以接收来自由所述表面反射的泵浦光束(3)的镜面反射。
2.根据前述权利要求所述的光反射设备(1)，其进一步包括能够以与所述泵浦光束(3)的频率不同的频率调制所述探测光束(11)的第一调制装置(10)。
3.根据前述权利要求任一项所述的光反射设备(1)，其进一步包括能够按频率调制所述泵浦光束(3)的第二调制装置(7)。
4.根据前述权利要求任一项所述的光反射设备(1)，其进一步包括能够放大由所述检测装置(14)接收的信号的放大装置(17)。
5.根据前述权利要求任一项所述的光反射设备(1)，其中所述探测光束的所述探测发射装置(8)包括单色光源(9)。
6.根据前述权利要求任一项所述的光反射设备(1)，其中所述泵浦光束的泵浦发射装置(2)包括发射光子的激光器(5)，其能量可以作为待表征材料的能隙的函数而被调节。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的光反射设备(1)，其中所述检测装置(14)直接连接到所述积分球的所述第一输出(15)。
8.根据权利要求1-6中任一项所述的光反射设备(1)，其中所述检测装置(14)通过光纤(20)连接到所述积分球(13)的所述第一输出(15)。
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