CN106546330A - 一种光谱分析系统和光谱分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于光谱分析的技术领域，尤其涉及一种光谱分析系统和光谱分析方法，该系统包括：切尼特纳光路模块、光电倍增管阵列模块、放大器模块、计数器模块、供电系统、冷却系统和等离子几机台；所述切尼特纳光路模块分别与所述等离子几机台和所述光电倍增管阵列模块连接，所述放大器模块分别与所述计数器模块和所述光电倍增管阵列模块连接，所述供电系统和所述冷却系统与所述光电倍增管阵列模块连接。本发明公布的光谱分析系统同时兼具了高的时间分辨率和测量一段光谱能力，可以测量等离子体光谱的平面分布状况。
Description
技术领域
本发明属于光谱分析的技术领域，尤其涉及一种光谱分析系统和光谱分析方法。
背景技术
等离子体被称为物质的第四态，在生产生活中具有广泛的应用，尤其是在芯片的刻蚀和沉积上的重要的应用。检测、分析进而控制等离子体参数对于改善等离子体加工工艺具有重要作用。全面了解等离子体分布信息，就需要知道等离子体腔室中电子温度和密度的分布，目前广泛使用的探针法，配上伸缩进给机构，这样可以测量沿着探针直线方向电子温度和密度分布，但是很难测量平面内电子温度和电子密度的分布。探针是浸入式测量，也会对等离子体的状态造成干扰。
光谱法是非浸入式测量方法，不会干扰等离子体状态，要了解等离子体中各粒子的行为规律，最简单的方法就是测量他们所发射的光谱，目前主要使用的光谱仪是切尼-特纳结构，主要包括入口狭缝、准直反射镜、衍射光栅、聚焦透镜、出口狭缝（可选），常用的光电接收器包括光电倍增管和ICCD相机，为了能够在纳秒级别对光谱进行实时的检测，可以选用光电倍增管阵列，具体为1.遮光板，2.平面定位机构，3.光纤，4.切尼特纳光路结构5.光电倍增管阵列6.信号放大器7.计数器。在之前研究等离子体参数中，只能够观测一个点的等离子体参数，而不能观察一个面的等离子体参数的分部情况。
等离子体参数检测在半导体制造中占有重要位置，光谱检测的方法属于非浸入式的测量方法，不会干扰等离子体的状态，所以越来越受到的重视。当前光谱检测接受设备主要是ICCD和光电倍增管两种。ICCD相机可以同时拍摄一段光谱但是由于后端电路电荷的积累，不能连续拍摄，每间隔几百毫秒拍摄一次。光电倍增管时间分辨率可以达到几个纳秒，可以连续拍摄，但光谱检测系统测量等离子体参数空间分布的问题也没有解决。
发明内容
针对上述问题，本发明提出了一种光谱分析系统和光谱分析方法。
一种光谱分析系统，其特征在于，包括：切尼特纳光路模块、光电倍增管阵列、放大器阵列、计数器阵列、高压供电系统、冷却系统和等离子体机台；
所述切尼特纳光路模块分别与所述等离子体机台和所述光电倍增管阵列连接，所述放大器阵列分别与所述计数器阵列和所述光电倍增管阵列连接，所述高压供电系统和所述冷却系统与所述光电倍增管阵列连接。
优选的，所述等离子体机台具体包括等离子体发射光和二维平面定位机构，所述二维平面定位机构为二维可移动的光纤调整架，所述光纤调整架可以使得光纤在窗口的任意位置定位，以测量任意位置的等离子体参数，从而得到等离子体参数的平面分部。
优选的，所述冷却系统由半导体制冷片阵列来实现，所述冷却系统为光电倍增管阵列冷却。
优选的，所述切尼特纳光路模块具体包括光纤调整部件和切尼特纳光路结构。
优选的，所述切尼特纳光路结构包括：入射狭缝，准直反射镜，衍射光栅和聚焦反射镜。
优选的，所述切尼特纳光路结构通过如下方法聚焦光源：散射光通过入射狭缝照射到准直反射镜上，反射成为平行光照射在衍射光栅上发生衍射，使得不同波长以不同的角度的光衍射到聚焦反射镜上，将光聚焦到出射口的光纤上。
一种采用上述系统进行光谱分析的方法，包括如下步骤：
S1，等离子体发出的光通过光纤引入到切尼特纳光路结构中，经过切尼特纳光路结构分光之后，照射在切尼特纳光路结构出口的光纤上；
S2，光纤将光照射在光电倍增管阵列上，光电倍增管将光信号转化为电信号；
S3，电信号经过信号放大器进行放大，然后由计数器统计得到光子数目。
本发明的有益效果在于：
本发明的光谱分析系统同时兼具了高的时间分辨率和测量一段光谱能力，可以测量等离子体光谱的平面分布状况。
附图说明
图1是本发明的光谱分析系统的结构示意图；
图2是切尼特纳光路结构示意图；
图3是二维可移动光纤调整架结构图。
具体实施方式
下面结合附图，对实施例作详细说明。
图1是本发明的光谱分析系统的结构示意图，整个光谱分析系统包括切尼特纳光路模块、光电倍增管阵列模块、放大器阵列、计数器阵列、高压供电系统、冷却系统、离子体发射光和二维平面定位结构。切尼特纳光路模块具体包括光纤调整架和切尼特纳光路结构。
等离子体中由于存在着大量的激发态粒子，这些粒子从激发态跃迁回到基态时，能量就以光子的形式释放出来，通过等离子体机台的窗口的二维可移动的光纤调整架，可以使得光纤在窗口的任意位置定位从而来测量任意位置的等离子体参数，从而得到等离子体参数的平面分部，这是之前专利中没有涉及的。等离子体发出的光通过光纤引入到切尼特纳光路结构中，经过切尼特纳光路结构分光之后，照射在切尼特纳光路结构出口的光纤上，光纤再将光照射在光电倍增管阵列上，为了降低光电倍增管的热噪音，需要给光电倍增管阵列配备冷却系统，光电倍增管的信号通过放大器的放大之后，通过计数器进行计数。
切尼特纳光路结构如图2所示，包括：1入射狭缝，2准直反射镜，3衍射光栅，4聚焦反射镜。
散射光通过入射狭缝照射到2准直反射镜上，反射成为平行光照射在衍射光栅上发生衍射，使得不同波长以不同的角度的光衍射到4聚焦反射镜上，将光聚焦到出射口的光纤上。
二维可移动光纤调整架如图3所示，二维可移动光纤调整架是由两个平行导轨和一根横向导轨组成，平行导轨的的一侧有步进电机，另外一侧跟随滑动，横向导轨上也有步进电机，上面固定标准光纤接头，可以直接连接光纤，两个步进电机可以直接通过输入坐标值运动到指定位置，在整个结构外侧还有一个遮光装置，避免环境光对等离子体光谱造成影响。
等离子体发出的光通过光纤引入到切尼特纳光路结构中，经过切尼特纳光路结构分光之后，照射在切尼特纳光路结构出口的光纤上，光纤再将光照射在光电倍增管阵列上，光电倍增管将光信号转化为电信号，电信号经过信号放大器进行放大，然后再由计数器统计得到光子数目，为了降低光电倍增管的热噪音，需要给光电倍增管阵列配备冷却系统。冷却系统可以由半导体制冷片阵列来实现。
此实施例仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (7)
1.一种光谱分析系统，其特征在于，包括：切尼特纳光路模块、光电倍增管阵列、放大器阵列、计数器阵列、高压供电系统、冷却系统和等离子体机台；
所述切尼特纳光路模块分别与所述等离子体机台和所述光电倍增管阵列连接，所述放大器阵列分别与所述计数器阵列和所述光电倍增管阵列连接，所述高压供电系统和所述冷却系统与所述光电倍增管阵列连接。
2.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述等离子体机台具体包括等离子体发射光和二维平面定位机构，所述二维平面定位机构为二维可移动的光纤调整架，所述光纤调整架可以使得光纤在窗口的任意位置定位，以测量任意位置的等离子体参数，从而得到等离子体参数的平面分部。
3.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述冷却系统由半导体制冷片阵列来实现，所述冷却系统为光电倍增管阵列冷却。
4.根据权利要求1所述系统，其特征在于，所述切尼特纳光路模块具体包括光纤调整部件和切尼特纳光路结构。
5.根据权利要求4所述系统，其特征在于，所述切尼特纳光路结构包括：入射狭缝，准直反射镜，衍射光栅和聚焦反射镜。
6.根据权利要求5所述系统，其特征在于，所述切尼特纳光路结构通过如下方法聚焦光源：散射光通过入射狭缝照射到准直反射镜上，反射成为平行光照射在衍射光栅上发生衍射，使得不同波长以不同的角度的光衍射到聚焦反射镜上，将光聚焦到出射口的光纤上。
7.一种采用权利要求1-6任一项的系统进行光谱分析的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，等离子体发出的光通过光纤引入到切尼特纳光路结构中，经过切尼特纳光路结构分光之后，照射在切尼特纳光路结构出口的光纤上；
S2，光纤将光照射在光电倍增管阵列上，光电倍增管将光信号转化为电信号；
S3，电信号经过信号放大器进行放大，然后由计数器统计得到光子数目。
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