CN110967111A - 一种真空紫外光探测器的光谱响应标定系统及测试方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种真空紫外光探测器的光谱响应标定系统及测试方法，所述真空紫外光探测器的光谱响应标定系统由紫外光源、深紫外单色仪、探针台、静电计组成；紫外光源、单色仪和探针台置于真空或氮气环境中，紫外光源通过单色仪向探针台上的待测样品器件提供紫外光源辐射；探针的正负极分别与静电计的输入端相连，静电计与单色仪的输出端分别与测试系统的输入端相连。本发明的标定系统能够准确地测量各类真空紫外光电器件的光谱响应，利用标准硅探测器作为传输标准，测试系统操作简单方便，具有较大的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及真空紫外光(VUV)探测器标定技术领域，更具体地，涉及一种真空紫外光探测器的光谱响应标定系统及测试方法。
背景技术
真空紫外光谱的波长范围为10～200纳米。由于大气的吸收，其只能在真空条件下传播。真空紫外光探测在空间科学、基础科学(包括：高能物理、物理化学、光谱物理等)、电子工业、生物医学、环境保护等领域显示出巨大的应用前景。
在空间科学领域，真空紫外探测是追踪恒星演变以及预报空间天气有效手段之一，尤其是监测太阳风变化的最直接手段。在基础科学领域，VUV作为研究光与原子、分子和凝聚态物质的相互作用的最有效工具，是科学家们探索微观世界的“眼睛”，广泛应用于高能物理、光电子能谱和非线性光学，以及表面与界面物理和化学动力学。在电子工业应用领域，尤其是现代半导体器件的精密制造，高分辨光刻技术(例如193nm和157nm准分子光刻技术，13.5nm极紫外光刻技术)等成为促进VUV探测器发展的最主要驱动力。
近年来，随着科学技术和边缘学科的快速发展，真空紫外光学在空间科学、材料、生物物理和等离子物理等领域越来越现实出巨大的应用前景，空间紫外光学遥感更是成了人类了解自然界的一条重要途径。
随着定量化遥感研究的深入及测量精度的不断提高，需要有紫外到真空紫外波段的高精度标准来标定各类传感器，评估其测量精度、长期稳定性以及数据可比较性。其中，光响应度是光电探测器对单色光探测能力的指标；光谱响应特性的测量是用一定强度的单色光照射真空紫外光探测器，测量此时探测器的响应电流，然后依次改变单色光的波长，再重复测量以得到在各个波长下的响应电流，即反映了探测器的光谱响应特性。
目前，各国均用同步辐射建立紫外计量基准来进行真空紫外光探测器的光谱响应测定(如图1所示)，同步辐射产生的光源通过单色仪向待测器件提供紫外光源辐射，由于同步辐射光源实验操作的成本相对较高，并且体积较大，而且同步辐射装置采用的VUV光束线不能进行快速开关测量，例如：基于北京高能物理研究所的4B8-真空紫外实验站(波长范围：125-360纳米；带宽：0.8纳米；光束尺寸：2毫米×1毫米)。专利CN103175677A公开了一种紫外多参数校准装置，将标准紫外光源，待校准光源，标准紫外探测器，待校准探测器，紫外成像器和紫外成像参数校准系统均置于所述旋转平台之上，能够在一个共用校准装置上实现紫外光源光谱辐射度校准、紫外探测器光谱响应度和紫外成像器参数的校准；然而其只能测试整个器件面板，无法进行单个微小像素单元的测定，无法实现对微米样品的测试。因此，需要新开发一种真空紫外光探测器的光谱响应标定系统及测试方法。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种可测微小像素单元的真空紫外光探测器的光谱响应标定系统。
本发明的另一目的在于提供利用所述光谱响应标定系统进行真空紫外光探测器的开关响应标定方法。
本发明的上述目的是通过以下技术方案给予实现的：
一种真空紫外光探测器的光谱响应标定系统，包含紫外光源、深紫外单色仪、探针台和静电计；所述紫外光源、单色仪和探针台置于真空或氮气环境中，紫外光源通过单色仪向探针台上的待测样品器件提供紫外光源辐射；探针台的两侧设有探针组件，所述探针组件包括探针固定座和设置在固定座上的探针，探针能够与探针台上的待测样品器件相连接，同时探针的正负极分别与静电计的相连；所述探针台为微区探针台，包括探针台底座、设置在探针台底座上方的载样台以及设置在探针台底座上的位移调节机构；所述载样台与位移调节机构连接，使载样台可以沿X、Y、Z轴方向做微位移运动；检测时，所述探针组件和紫外光源辐射保持固定位置，探针台相对于探针组件和紫外光源辐进行微位移运动。
本发明所述真空紫外光探测器的光谱响应标定系统通过选用可以覆盖测试波段的光源，并且选择对应的单色仪用以产生单色光，通过放大电路的电流计测试光电器件产生的微弱电流从而进行检测。氘灯光源和单色仪组合实现的连续可调的单色光，从真空紫外光(VUV)到深紫外光(deep-UV)，对真空紫外光探测器的响应电流进行逐个波长的测试。由于深紫外光在大气中存在强烈的吸收，所以需要真空环境或高纯氮气环境供光束的传播。当对待测样品器件的单个微小像素单元进行测定时，可以通过位移机构调整载样台上待测样品器件的位置，使探针可以依次对每个微小像素单元进行测定，进行测试阵列和微米样品测试。
优选地，还包含测试系统，静电计与单色仪的输出端分别与测试系统的输入端相连，可以通过计算机测试系统整合测试过程中所有的控制信息和测量信息，通过处理将光谱响应曲线显示在显示设备上，实现智能计算和实时显示。
优选地，所述紫外光源为氘灯光源，能发出的光的波长范围为110～400nm 的连续光谱带。
更优选地，所述氘灯光源功率为200W。
优选地，所述深紫外单色仪配有1200g·mm-1光栅，闪耀波长在250nm处。
优选地，所述真空环境的真空度为0.00000001～0.1帕。
优选地，还包括测试系统，分别连接深紫外单色仪和静电计。测试系统用于设置测试参数，包括光进出口狭缝宽度、起始波长与终止波长、波长步进、采样周期和平均采样次数以及输入电压，实现智能化控制。
一种利用上述任一所述光谱响应标定系统进行真空紫外光探测器的光谱响应标定的方法，包括如下步骤：
S1.待测样品器件测试：将待测样品器件置于探针台上并将探针分别接触于样品器件的正负极，紫外光源通过单色仪向探针台上的待测样品器件提供紫外光源辐射，静电计用于对器件施加偏压并测量响应电流，在测试系统上设置测试参数，包括光进出口狭缝宽度、起始波长与终止波长、波长步进、采样周期和平均采样次数以及输入电压，开始测试并保存数据；
S2.单色光功率校准：将样品器件更换为标准紫外探测器并连接静电计，紫外光源通过单色仪向探针台上的标准紫外探测器提供紫外光源辐射，在测试系统上设置测试参数，输入电压设为0V，其余参数与测试样品器件时相同，开始测试并保存数据(不同波长下的响应电流)；将标准探测器的光谱响应电流除以标准光谱响应度(不同波长下的响应度)即得到不同波长下的光功率，用光功率除以标准探测器的光照面积得到辐射光的功率强度P；
S3.计算器件样品的光谱响应度：利用以下公式计算光谱响应度：Rλ＝ΔI/PS，其中ΔI是光电流，P是辐射光的功率强度，S是光照面积，λ是辐射光的波长。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明提供了一种真空紫外光探测器的光谱响应标定系统，所述标定系统能够准确地测量各类真空紫外光电器件的光谱响应，利用标准硅探测器作为传输标准，测试系统操作简单方便。
附图说明
图1为现有的基于同步辐射光源的真空紫外探测器光谱响应的标定系统的示意图。
图2为本发明的真空紫外光探测器的光谱响应标定系统的示意图。
图3为本发明探针台和探针组件的结构示意图。
图4为本发明探针台和探针组件的工作状态图。
图5为本发明探针台和探针组件的工作状态图。
图6为本发明探针台和探针组件的工作状态图。
图7为本发明探针台和探针组件的工作状态图。
图8为本发明真空紫外光探测器的光谱响应标定系统测试示意图和样品光谱响应曲线；a为测试示意图，b为样品1所测得的光谱响应曲线。
图9为样品2所测得的光谱响应曲线。
图10为样品3所测得的光谱响应曲线。
图11为样品4所测得的光谱响应曲线。
图12为实施例2样品所测得的光谱响应曲线。
图注：1-紫外光源，11-发光源，12-氘灯，2-深紫外单色仪，3-探针台，31- 探针台底座，32-载样台，33-位移调节机构，4-静电计，5-计算机测试系统，61- 探针固定座，62-探针，7-样品。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例来进一步说明本发明，但实施例并不对本发明做任何形式的限定。除非特别说明，本发明采用的试剂、方法和设备为本技术领域常规试剂、方法和设备。
除非特别说明，以下实施例所用试剂和材料均为市购。
本发明实施例中所述深紫外单色仪型号为H30-UVL(Horiba)，紫外光源为200瓦的H2D2光源氘灯L11798(Hamamatsu)，光电探测器为OPTO DIODE 公司的VXUV20A光电探测器(PTO Diode Corp)，电流计为Keysley 6517B。
实施例1
如图2、图3～5所示，一种真空紫外光探测器的光谱响应标定系统，由紫外光源1，深紫外单色仪2、探针台3、静电计4和计算机测试系统5组成；所述紫外光源1由发光源11和氘灯12相连组成，单色仪配有1200g·mm-1光栅，闪耀波长在250nm处；紫外光源1、单色仪2和探针台4置于真空环境中，真空度为0.001帕，目的是为了防止发射的光束被大气吸收；紫外光源1通过单色仪2向探针台4上的探测器件提供紫外光源辐射；探针台3的两侧设有探针组件，所述探针组件包括探针固定座61和设置在固定座上的探针62，探针62能够与探针台上的待测样品器件7相连接；所述探针台3为微区探针台，包括探针台底座31、设置在探针台底座上方的载样台32以及设置在探针台底座上的位移调节机构33；所述载样台32与位移调节机构33连接，使载样台32可以沿X、Y、Z 轴方向做微位移运动；检测时，所述探针组件和紫外光源辐射保持固定位置，探针台3可相对于探针组件和紫外光源辐进行微位移运动。同时，探针的正负极分别与静电计的输入端相连，静电计与单色仪的输出端分别与测试系统的输入端相连；静电计用于检测探针台上探测器的响应电流，然后将测试数据传递给计算机测试系统进行运算。当对待测样品器件7的单个微小像素单元进行测定时，可以通过位移机构3调整载样台32上待测样品器件7的位置，使探针可以依次对每个微小像素单元进行测定，进行测试阵列和微米样品测试(图6、图7)。
所述真空紫外光探测器的光谱响应标定系统工作时，包括如下步骤：
S1.待测样品器件测试：将待测样品器件置于探针台上并将探针分别接触于样品器件的正负极，紫外光源通过单色仪向探针台上的待测样品器件提供紫外光源辐射，静电计用于对器件施加偏压并测量响应电流；根据器件的的具体应用需求(成像、动态监控、能量监控等)来调整测试条件，在测试系统上设置测试参数，光进出口狭缝宽度为1、起始波长与终止波长分别为280nm和110nm、波长步进为5nm、采样周期为0.02s和平均采样次数为10，以及输入电压为0V，开始测试并保存数据；
S2.单色光功率校准：将样品器件更换为标准紫外探测器并连接静电计，紫外光源通过单色仪向探针台上的标准紫外探测器提供紫外光源辐射，在测试系统上设置测试参数，输入电压设为0V，其余参数与测试样品器件时相同，开始测试并保存数据(不同波长下的响应电流)；将标准探测器的光谱响应电流除以标准光谱响应度(不同波长下的响应度)即得到不同波长下的光功率，用光功率除以标准探测器的光照面积得到辐射光的功率强度P；
S3.计算器件样品的光谱响应度：利用以下公式计算光谱响应度：Rλ＝ΔI/PS，其中ΔI是光电流，P是辐射光的功率强度，S是光照面积，λ是辐射光的波长。
图8a为测试示意图，图8b为样品1所测得的光谱响应曲线。
图9为器件2测得的光谱响应曲线，光谱响应度为：0V，180-350nm，2nm。
图10为器件3测得的光谱响应曲线，光谱响应度为：0V，180-280nm，2nm。
图11为器件4测得的光谱响应曲线，光谱响应度为：0V，180-300nm，2nm。
实施例2
一种真空紫外光探测器的光谱响应标定系统，与实施例1相同。
所述真空紫外光探测器的光谱响应标定系统工作时，包括如下步骤：
S1.待测样品器件测试：将待测样品器件置于探针台上并将探针分别接触于样品器件的正负极，紫外光源通过单色仪向探针台上的待测样品器件提供紫外光源辐射，静电计用于对器件施加偏压并测量响应电流，在测试系统上设置测试参数，光进出口狭缝宽度为1、起始波长与终止波长分别为300nm和200nm、波长步进为2nm、采样周期为0.2s和平均采样次数为10，以及输入电压为5V，开始测试并保存数据；
S2.单色光功率校准：将样品器件更换为标准紫外探测器并连接静电计，紫外光源通过单色仪向探针台上的标准紫外探测器提供紫外光源辐射，在测试系统上设置测试参数，输入电压设为0V，其余参数与测试样品器件时相同，开始测试并保存数据(不同波长下的响应电流)；将标准探测器的光谱响应电流除以标准光谱响应度(不同波长下的响应度)即得到不同波长下的光功率，用光功率除以标准探测器的光照面积得到辐射光的功率强度P；
S3.计算器件样品的光谱响应度：利用以下公式计算光谱响应度：Rλ＝ΔI/PS，其中ΔI是光电流，P是辐射光的功率强度，S是光照面积，λ是辐射光的波长。图12为待测样品所测得的光谱响应曲线。
Claims (8)
1.一种真空紫外光探测器的光谱响应标定系统，其特征在于，包含紫外光源、深紫外单色仪、探针台和静电计；所述紫外光源、单色仪和探针台置于真空或氮气环境中，紫外光源通过单色仪向探针台上的待测样品器件提供紫外光源辐射；探针台的两侧设有探针组件，所述探针组件包括探针固定座和设置在固定座上的探针，探针能够与探针台上的待测样品器件相连接，同时探针的正负极分别与静电计的相连；所述探针台为微区探针台，包括探针台底座、设置在探针台底座上方的载样台以及设置在探针台底座上的位移调节机构；所述载样台与位移调节机构连接，使载样台可以沿X、Y、Z轴方向做微位移运动。
2.根据权利要求1所述的真空紫外光探测器的光谱响应标定系统，其特征在于，还包含测试系统，静电计与单色仪的输出端分别与测试系统的输入端相连。
3.根据权利要求1所述的真空紫外光探测器的光谱响应标定系统，其特征在于，所述紫外光源为氘灯光源。
4.根据权利要求1所述的真空紫外光探测器的光谱响应标定系统，其特征在于，所述深紫外单色仪配有1200g·mm-1光栅，闪耀波长在250nm处。
5.根据权利要求3所述的所述的真空紫外光探测器的光谱响应标定系统，其特征在于，所述氘灯光源功率为200W。
6.根据权利要求1所述的光谱响应标定系统，其特征在于，所述真空环境的真空度为0.00000001～0.1帕。
7.根据权利要求1所述的光谱响应标定系统，其特征在于，还包括测试系统，分别连接深紫外单色仪和静电计。
8.一种利用权利要求1～7任一所述光谱响应标定系统进行真空紫外光探测器的光谱响应标定的方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1.待测样品器件测试：将待测样品器件置于探针台上并将探针分别接触于样品器件的正负极，紫外光源通过单色仪向探针台上的待测样品器件提供紫外光源辐射，静电计用于对器件施加偏压并测量响应电流，在测试系统上设置测试参数，包括光进出口狭缝宽度、起始波长与终止波长、波长步进、采样周期和平均采样次数以及输入电压，开始测试并保存数据；
S2.单色光功率校准：将样品器件更换为标准紫外探测器并连接静电计，紫外光源通过单色仪向探针台上的标准紫外探测器提供紫外光源辐射，在测试系统上设置测试参数，输入电压设为0V，其余参数与测试样品器件时相同，开始测试并保存数据；将标准探测器的光谱响应电流除以标准光谱响应度即得到不同波长下的光功率，用光功率除以标准探测器的光照面积得到辐射光的功率强度P；
S3.计算器件样品的光谱响应度：利用以下公式计算光谱响应度：Rλ＝ΔI/PS，其中ΔI是光电流，P是辐射光的功率强度，S是光照面积，λ是辐射光的波长。
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