CN110726682A - 一种原位在线反射光学测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种原位在线反射光学测量系统及方法，包括：用于提供材料生长环境的材料生长模块和用于实现材料生长原位监测的光学检测模块；所述材料生长模块包括材料生长部，所述材料生长部上设有用于提供入射光和出射光进出路径的窗口；所述光学检测模块包括光源，所述光源发出的光经过传递自所述的窗口入射到样品上，经反射后，出射光自所述窗口射出并被光谱仪收集。本发明实现了CVD生长设备与光学检测设备的联用，达到了原位、在线、实时、非接触的检测效果；生长设备采用通用的CVD生长设备，对原材料、衬底以及样品没有特殊要求，普适性高，适应性强。

Description

一种原位在线反射光学测量系统及方法

技术领域

本发明涉及光学表征领域及在线测量仪器技术领域，具体涉及一种适用于化学气相沉积法(chemical vapor deposition,CVD)制备材料的原位在线反射光学测量系统，尤其适用于对材料科学、化学、物理学等领域二维材料制备的在线表征与分析。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

由于化学气相沉积法制备材料需要高温、惰性气氛等特殊的生长条件，所以目前对于化学气相沉积法制备的二维材料大多数采用离线的方式进行表征。具体来讲，首先采用化学气相沉积法在生长设备(如管式炉等)中制备出材料，将材料从生长设备中取出后，再利用光学显微镜、原子力显微镜、拉曼光谱等手段进行离线观察和分析。只有少数研究进行了对于化学气相沉积法制备二维材料的原位在线检测的报道。如，2015年Willinger等人介绍了通过环境扫描电子显微镜对原位石墨烯生长观测的研究，但是此表征方法对原材料要求较高，如高真空状态下只能检测导电的固体样品，并不适用于大多数的化学气相沉积法制备；2019年，Sun的团队对蓝宝石衬底上的CVD生长的二硫化钼进行原位实时透射光谱测量，但是这种方法只适用于透明衬底，并且由于生长后期的观测窗被三氧化钼薄膜覆盖，淹没了二硫化钼的生长信息，二硫化钼后期的生长状态无法获取。

综上所述，目前适用于化学气相沉积法制备材料的测量系统存在的缺点及其原因包括以下几点：

(1)CVD法特殊的生长条件限制了生长设备与检测设备的原位在线联用。

CVD制备二维材料通常需要高温、变温及惰性气氛的生长环境，使扫描探针显微镜等检测设备无法对材料进行近距离检测，常用的电子检测法如扫描电子显微镜等需要中断材料的生长才能进行检测。

(2)检测系统对原材料有限制，系统的适应性差。

少数电子检测法如环境扫描电子显微镜可以利用设备的真空室对二维材料进行CVD制备，但是为了满足检测所需的环境，其原材料必须符合设备的特定要求，并且检测设备的成像速度最快只能达到36秒一张图像。光学检测技术可以实现对CVD制备的材料进行快速、非接触测量，但是已经报道的光学检测技术，即差分透射光谱，只适用于透明衬底上的材料制备。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种原位在线反射光学测量系统及方法，适用于化学气相沉积法制备材料，使用在线反射光学检测结构，通过石英窗口、离轴抛物面镜、准直镜、光谱仪等结构实现了CVD生长设备与光学检测设备的联用，达到了原位、在线、实时、非接触的检测效果；生长设备采用通用的CVD生长设备，对原材料、衬底以及样品没有特殊要求，普适性高，适应性强。

在一些实施方式中，采用如下技术方案：

一种原位在线反射光学测量系统，包括：用于提供材料生长环境的材料生长模块和用于实现材料生长原位监测的光学检测模块；

所述材料生长模块包括材料生长部，所述材料生长部上设有用于提供入射光和出射光进出路径的窗口；

所述光学检测模块包括光源，所述光源发出的光经过传递自所述的窗口入射到样品上，经反射后，出射光自所述窗口射出并被光谱仪收集。

在另一些实施方式中，公开了一种原位在线反射光学测量方法，包括：

为材料生长部提供设定的气体环境和温度环境；

光源发出的光经过传输、反射后，经过材料生长部上的窗口照射到原材料上，出射光自所述窗口射出，并传输至光谱仪；

光谱仪将出射光信号转化为电信号，并传送至处理器；通过处理器对光谱仪传递的电信号进行处理、分析和存储。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1)实现生长过程的原位检测；

在化学气相沉积法实验过程中，不需要将样品从管式炉中取出，也不需要中断实验，入射光通过准直镜Ⅰ和离轴抛物面镜Ⅰ进行入射光传播方向的调整，通过管式炉上方的石英窗口照射到正在生长的样品上，出射光再次通过石英窗口被离轴抛物面镜Ⅱ和准直镜Ⅱ收集，从而将材料的生长模块和检测模块相结合，实现材料实时生长情况的原位、在线检测。

2)性能可靠、灵敏度高；

在实验开始前，将离轴抛物面镜、准直镜调整至合适的位置后，在实验过程中不需移动样品或者光学元件即可获取样品的信息，减少了误差的引入，增强了系统的抗干扰能力，使系统性能可靠。系统利用紫外增强铝涂层的90°离轴抛物面镜及高灵敏度光谱仪等采集样品的反射光信号，提高了系统的灵敏度。

3)结构简单、易搭建，适应性强。

系统不需要特殊的生长装置或者检测转置，只需在通用的化学气相沉积法装置——管式炉的上方设计石英窗口，结合常见的光学元件(如准直镜、离轴抛物面镜等)，即可搭建系统，系统结构简单、搭建方便。另外，光学检测模块通过光学调整架、可伸缩支架、可移动位移平台对准直镜和离轴抛物面镜进行位置和角度的调整，使得入射光可以照在样品上、反射光可以被光谱仪收集，整个光学检测模块可以适应市面上常见的化学气相沉积法生长设备，适应性强。

附图说明

图1为本发明实施例一中原位在线反射光学测量系统结构示意图；

图2为本发明实施例一中光束调整模块结构示意图；

其中，1.气体供应装置；2.管式炉；3.置物台Ⅰ；4.置物台Ⅱ；5.衬底；6.真空泵；7.常压排气装置；8.光源；9.入射光纤；10.准直镜Ⅰ；11.离轴抛物面镜Ⅰ；12.石英窗口；13.离轴抛物面镜Ⅱ；14.准直镜Ⅱ；15.出射光纤；16.光谱仪；17.计算机；18.可移动位移平台；19.可伸缩支架Ⅰ；20.光学调整架Ⅰ；21.可伸缩支架Ⅱ；22.光学调整架Ⅱ；23.可伸缩支架Ⅲ；24.光学调整架Ⅲ；25.可伸缩支架Ⅳ；26.光学调整架Ⅳ。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

实施例一

在一个或多个实施例中，公开了一种适用于化学气相沉积法制备材料的原位在线反射光学测量系统，参照图1，包括材料生长模块和光学检测模块。

材料生长模块，为材料生长提供适合的生长环境，以得到所需的材料；

光学检测模块，利用对光源8提供的光进行材料生长的原位在线检测，对数据进行采集和分析。

其中，材料生长模块包括：气体供应装置1，提供材料生长所需的气体环境并调控气体流速；管式炉2，为材料生长提供所需的温度条件，并保持相对稳定的生长环境；置物台Ⅰ3和置物台Ⅱ4，用于承载原材料和衬底5；衬底5，用于提供材料生长的附着和支撑位置；真空泵6，为管式炉2提供真空环境；以及常压排气装置7，用于维持管式炉2内的压强稳定并排除废气。

管式炉2可以选用双温区的设计，分为左、右两个温区，同时也可以根据实验需要选用通用的单温区或多温区管式炉。管式炉2可以进行加热控制，为材料生长提供所需的温度，并阻断外界气体进入系统，为材料生长提供相对稳定的生长环境。管式炉2与气体供应装置1、真空泵6和常压排气装置7分别连接；置物台Ⅰ3和Ⅱ为耐高温的石英舟或者刚玉舟，置物台Ⅰ3和置物台Ⅱ4设置在管式炉2内，原材料可放置在置物台Ⅰ3和置物台Ⅱ4上，衬底5为硅衬底5或铜箔，衬底5放置在置物台Ⅱ4上，用于提供材料附着生长的位置。

设置两个置物台的目的是放置生长材料所需的两种原材料并保持原材料之间具有一定的距离，使原材料可以分别以不同的升温速度加热到各自的反应温度，实现对多个原材料的独立温度控制。

一种原材料放置在第一置物台上(通常用石英舟作为置物台)，另一种原材料和衬底5放置在第二置物台的不同位置。大部分的化学气相沉积法实验需要将原材料放置在衬底5的上游，且原材料距离衬底5有一段距离，这个距离视实验需要和实验条件而定。

在本发明实施例中，以两个置物台举例，但是不局限于两个置物台。根据具体的实验要求和实验条件，可以增添或者减少置物台的个数。

气体供应装置1可以根据实验需要为管式炉2提供可以调控的气体，具体包括：气瓶，提供材料生长所需的气体；气体流量控制器，调节和控制气瓶中气体的流速。

管式炉2上设有石英窗口12，石英窗口12位于管式炉2的右温区正上方，能够提供入射光和出射光进出管式炉2的路径，并阻断管式炉2和外界的热量交换。

光学检测模块包括：光源8，提供宽光谱光束；入射光纤9，传递光源8发出的光束；准直镜Ⅰ10，对入射光纤9传递的光束进行处理以产生平行光；离轴抛物面镜Ⅰ11，改变入射光方向使光线照射到衬底5表面；离轴抛物面镜Ⅱ13，汇聚出射光；准直镜Ⅱ14，对离轴抛物面镜Ⅱ13传递过来的出射光进行收集；出射光纤15，用于传导准直镜Ⅱ14收集的光束；光谱仪16，将出射光纤15传递的光信号转化为电信号；计算机17，将光谱仪16传递的电信号进行处理、分析和存储；以及光束调整模块，用于调整入射光和出射光进出管式炉2的方向和路径。

光源8为白光光源，可以选用钨灯或氙灯，提供非偏振的宽光谱光束。入射光纤9为多模光纤，连接光源8与准直镜Ⅰ10，将光源8发出的光束传递给准直镜Ⅰ10。准直镜Ⅰ10为复消色差准直透镜，将入射光纤9传递的光束转换为平行光照射在离轴抛物面镜Ⅰ11上。准直镜Ⅱ14为复消色差准直透镜，将离轴抛物面镜Ⅱ13汇聚的出射光收集。离轴抛物面镜Ⅰ11和离轴抛物面镜Ⅱ13可以选用紫外增强铝涂层的90°离轴抛物面镜；出射光纤15为多模光纤，连接准直镜Ⅱ14和光谱仪16，将准直镜Ⅱ14收集的光束传递给光谱仪16。

需要说明的是，本实施例中的离轴抛物面镜可以采用其他具有反射、汇聚作用的光学器件替代，该器件可以改变入射光和出射光的方向，并可以汇聚光线将光束传递到衬底5表面或者准直镜内。

本实施例中设置在管式炉2上的窗口，除可以采用石英材料外，也可以选用耐高温、吸收率低、透射率高的其他材料。

另外，参照图2，光束调整模块的结构包括：

光学调整架，用于调整准直镜和离轴抛物面镜的角度；

可伸缩支架，对自身的长度进行调整，从而带动光学调整架、准直镜和离轴抛物面镜前后移动(相对于石英窗口12的位置)；

可移动平台，包含移动沟槽，使可伸缩支架、光学支架、准直镜和离轴抛物面镜可以进行上下或者左右移动。

参照图2，本实施例中，可移动位移平台18包含移动沟槽，使可伸缩支架Ⅰ19、可伸缩支架Ⅱ21、可伸缩支架Ⅲ23和可伸缩支架Ⅳ25可以上下或者左右移动。可伸缩支架Ⅰ19、可伸缩支架Ⅱ21、可伸缩支架Ⅲ23和可伸缩支架Ⅳ25可以进行自身的长度调整，使光学调整架、准直镜和离轴抛物面镜前后移动(相对于石英窗口12的位置)。光学调整架Ⅰ20和光学调整架Ⅳ26可以分别对准直镜Ⅰ10和准直镜Ⅱ14进行角度调节。光学调整架Ⅱ22和光学调整架Ⅲ24可以分别对离轴抛物面镜Ⅰ11和离轴抛物镜Ⅱ进行角度调节。

具体地，可移动平台上设有移动沟槽，可伸缩支架上设有与移动沟槽相匹配的滑块；可伸缩支架垂直安放在移动沟槽中，使可伸缩支架可以在沟槽内进行上下或者左右滑动，从而调整到合适的位置。

可伸缩支架包括：支撑杆和接杆支架；支撑杆可以嵌入到接杆支架内，通过滑动可以调整支撑杆嵌入接杆支架内部的长度。当长度适宜时，拧紧接杆支架上端的螺丝即可固定长度，从而实现可伸缩支架的伸缩功能。支撑杆和接杆支架均采用通用的光学配件，适应性强。

光学调整架包括：面板，面板一面设有用于固定准直镜或者离轴抛物面镜的限位孔；面板背面设有用于调整面板角度的旋转调节器。

限位孔位于光学调整架的正面板上，离轴抛物面镜或者准直镜通过螺纹固定在限位孔。调节器在光学调整架的背板上，旋转调节器可以实现正面板的角度调整，从而带动离轴抛物面镜和准直镜进行角度调整。每个光学调整架包括一个限位孔和2～3个调节器。

在上述光束调整模块中，离轴抛物面镜和准直镜被固定在光学调整架上，并通过光学调整架进行角度调节。可伸缩支架的两端分别连接光学调整架和可移动平台，可伸缩支架通过自身的长度调整实现光学调整架、离轴抛物面镜和准直镜的整体前后移动；可伸缩支架可以沿着可移动平台上的沟槽滑动，实现其自身的上下及左右移动，从而带动光学调整架、离轴抛物面镜和准直镜的上下及左右移动。

在另外一些实施方式中，适用于化学气相沉积法制备材料的原位在线反射光学测量系统的工作过程如下：

气体供应装置1为管式炉2提供材料生长所需的气体环境。管式炉2可根据程序设定，对炉内环境进行加热。原材料可放置在置物台Ⅰ3和置物台Ⅱ4上，衬底5放置在置物台Ⅱ4上，用于提供材料附着生长的位置。真空泵6和常压排气装置7用于维持管式炉2处于适宜的压强中并排除废气。

光源8发出的白光通过入射光纤9传导，经过准直镜Ⅰ10射出，被离轴抛物面镜Ⅰ11汇聚并反射后，通过石英窗口12入射到管式炉2内衬底5表面的样品上，经样品反射后得到的出射光再次通过石英窗口12被离轴抛物面镜Ⅱ13收集被反射到准直镜Ⅱ14中，经过出射光纤15的传导进入光谱仪161中进行信号采集，并将处理后的信号传递给计算机17。其中，准直镜Ⅰ10、离轴抛物面镜Ⅰ11、离轴抛物镜Ⅱ和准直镜Ⅱ14被分别安装在光学调整架Ⅰ20、光学调整架Ⅱ22、光学调整架Ⅲ24和光学调整架Ⅳ26上，光学调整架Ⅰ20、光学调整架Ⅱ22、光学调整架Ⅲ24和光学调整架Ⅳ26分别通过可伸缩支架Ⅰ19、可伸缩支架Ⅱ21、可伸缩支架Ⅲ23和可伸缩支架Ⅳ25被放置在可移动位移平台18上。通过光束调整模块中的可移动位移平台18、可伸缩支架和光学调整架对入射光和出射光的方向和路径进行适当的调整。

本实施方式提供的适用于化学气相沉积法制备材料的原位在线反射光学测量系统，具有原位在线检测、结构简单、灵敏度高等优点，能够实现对化学气相沉积实验的原位、在线、实时测量。

石英窗口12是连接材料生长模块和光学检测模块的“桥梁”，光学检测模块发出的入射光通过石英窗口12进入材料生长模块，样品的反射光通过石英窗口12被光学检测模块的离轴抛物面镜收集，并向后传递，最终在计算机17处理、显示和存储样品的生长信息。

离轴抛物面镜不仅对光线的方向进行调整，而且可以使入射光线汇聚成直径较小的光斑，准确地照射到样品上，也可以汇聚大部分的反射光线进入准直镜Ⅱ14中，提高反射光的利用率。

可移动位移平台18实现对光学元件的上下、左右调整，可伸缩支架实现对光学元件位置的前后调整，光学调整架实现对光学元件角度的调整，三者联用实现了对光学元件位置的三维方向的多角度调节，提高了系统的适应性。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种原位在线反射光学测量系统，其特征在于，包括：用于提供材料生长环境的材料生长模块和用于实现材料生长原位监测的光学检测模块；

所述材料生长模块包括材料生长部，所述材料生长部上设有用于提供入射光和出射光进出路径的窗口；

所述光学检测模块包括光源，所述光源发出的光经过传递自所述的窗口入射到样品上，经反射后，出射光自所述窗口射出并被光谱仪收集。

2.如权利要求1所述的一种原位在线反射光学测量系统，其特征在于，所述材料生长部包括管式炉，所述管式炉与气体供应装置和真空泵分别连接；

或者，所述所述管式炉与气体供应装置合常压排气装置分别连接。

3.如权利要求2所述的一种原位在线反射光学测量系统，其特征在于，所述气体供应装置包括：气瓶和气体流量控制器；通过所述气体流量控制器调节气瓶内气体的流速。

4.如权利要求1所述的一种原位在线反射光学测量系统，其特征在于，所述材料生长部内设有第一置物台和第二置物台，分别用于承载原材料和衬底。

5.如权利要求1所述的一种原位在线反射光学测量系统，其特征在于，所述光学检测模块还包括：入射光纤、第一准直镜、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜、第二准直镜和出射光纤；

光源发出的光依次经过入射光纤、第一准直镜和第一离轴抛物面镜，通过所述窗口照射到原材料上；出射光通过所述窗口传出，依次经过第二离轴抛物面镜、第二准直镜和出射光纤进入光谱仪。

6.如权利要求5所述的一种原位在线反射光学测量系统，其特征在于，所述光谱仪将出射光纤传递的光信号转化为电信号，并传送至处理器；所述处理器将光谱仪传递的电信号进行处理、分析和存储。

7.如权利要求1所述的一种原位在线反射光学测量系统，其特征在于，所述光学检测模块还包括：光束调整模块，所述光束调整模块包括：可移动平台，所述可移动平台上设有若干可伸缩支架，每一个可伸缩支架连接光学调整架，所述光学调整架连接第一准直镜、第一离轴抛物面镜、第二离轴抛物面镜或者第二准直镜。

8.如权利要求7所述的一种原位在线反射光学测量系统，其特征在于，所述可移动平台上设有移动沟槽，可伸缩支架上设有与所述移动沟槽相匹配的滑块；可伸缩支架垂直安放在移动沟槽中。

9.如权利要求7所述的一种原位在线反射光学测量系统，其特征在于，所述可伸缩支架包括：支撑杆和接杆支架；所述支撑杆嵌入到接杆支架内，通过调整支撑杆嵌入接杆支架内部的长度实现支架的伸缩；

光学调整架包括：面板，所述面板一面设有用于固定准直镜或者离轴抛物面镜的限位孔；所述面板背面设有用于调整面板角度的旋转调节器。

10.一种原位在线反射光学测量方法，其特征在于，包括：

为材料生长部提供设定的气体环境和温度环境；

光源发出的光经过传输、反射后，经过材料生长部上的窗口照射到原材料上，出射光自所述窗口射出，并传输至光谱仪；

光谱仪将出射光信号转化为电信号，并传送至处理器；通过处理器对光谱仪传递的电信号进行处理、分析和存储。

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