CN2340001Y - 光致发光光谱扫描成像仪 - Google Patents
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Abstract
本实用新型涉及一种光致发光光谱扫描成像仪,由计算机及控制电路、激光源、聚焦透镜、反射镜、扫描台、吸盘、真空泵、光谱仪和显示器组成。聚焦透镜和反射镜置于激光器和扫描台之间,聚焦透镜置于光谱仪与反射镜之间,计算机及控制电路置于显示器与光谱仪之间,扫描台由步进马达驱动,吸盘固定在扫描台上,真空泵与吸盘相连。本实用新型的成像仪在线测量和显示样品发光峰的积分强度、峰位和半高宽,以控制外延片的生产质量,提高成品率。
Description
本实用新型涉及一种光致发光光谱扫描成像仪，用于光电材料外延片工业生产中外延芯片的在线发光强度检测，属于物理测量技术领域。
光电材料外延片是用于生产发光二级管(LED)和半导体激光器的基础材料，LED被认为具有广泛的发展前途，半导体激光器则是最有发展前途的激光器种类。近年来GaN蓝光LED的出现，使得LED全彩化大屏平板显示成为现实。超高亮度、长的寿命LED的产生则有可能带动照明工业的革命性转变，使LED显示由室内走向室外，并将促进新一代LED照明光源进入市场。在激光器生产方面，目前其它种类的激光器价格较贵、体积大和功耗高，而半导体激光器的价格相对便宜、体积小、功耗低。随着技术的发展，其价格还将进一步降低。
由于国际上光电材料外延片的市场竞争激烈，生产过程必须十分重视成品率和质量，所以产品的在线检测和质量控制十分重要。目前我国各企业缺乏必要的检测条件和设备，尤其是外延片生产过程中的高速、无损在线测量设备。目前对LED的质量检测通常是在封装完毕后逐一点亮，根据其发光亮度和光谱纯度来对外延片的质量进行分类，这样成品率较低，浪费较大。因此研制一种外延片的在线检测设备对我国外延片生产工业的发展十分必要。目前在国内的外延片工业生产中还没有任何采用光致荧光光谱扫描成像原理的检测设备和其它任何在线检测设备。
本实用新型的目的是设计一种光致发光光谱扫描成像仪，在光电材料外延片的生产过程中，对外延片的发光亮度和光谱纯度进行在线检测，以控制处延片的生产质量。
本实用新型设计的光致发光光谱扫描成像仪，由计算机及控制电路、激光源、聚焦透镜、反射镜、扫描台、吸盘、真空泵、光谱仪和显示器组成。激光源包括电源和激光器，聚焦透镜和反射镜置于激光器和扫描台之间，聚焦透镜置于光谱仪与反射镜之间，计算机及控制电路置于显示器与光谱仪之间，扫描台由步进马达驱动，吸盘固定在扫描台上，真空泵与吸盘相连。控制电路包括步进电机驱动电路和控制程序软件，步进电机驱动电路由缓冲器和三极管组成。
利用本实用新型设计的光致发光光谱扫描成像仪，光强的探测灵敏度小于0.1mcd，仪器探测的空间分辨率优于0.1mm，对直径为2英寸的外延芯片，测量时间小于15分钟，能够连续地在线测量和显示被检测样品发光峰的积分强度、峰位和半高宽等参数，以控制外延片的生产质量，提高成品率。
附图说明：
图1是检测原理示意图。
图2是本实用新型设计的光谱扫描成像仪的结构示意图。
图3是真空泵控制电路图。
图4是步进电机驱动电路图。
图5是计算机控制过程程序框图。
图6是被检样品的光强分布图。
下面结合附图，详细介绍本实用新型的内容。
图2中，1是激光电源，2是激光器，3是显示器，4是计算机及控制电路，5是光谱仪，6是样品，7是聚焦透镜，8是反射镜，9是吸盘，10是扫描台，11是步进马达，12是步进传动系统，13是真空泵。
如图2所示，本实用新型的光致发光光谱扫描成像仪，由计算机及控制电路4、激光源、聚焦透镜7、反射镜8、扫描台10、吸盘9、真空泵13、光谱仪5和显示器3组成。激光源包括电源1和激光器2，聚焦透镜7和反射镜8置于激光器2和扫描台10之间，另一聚焦透镜7置于光谱仪5与反射镜8之间，计算机及控制电路4置于显示器3与光谱仪5之间，扫描台10由步进马达11通过步进传动系统12驱动，吸盘9固定在扫描台10上，真空泵13与吸盘9相连。
本实用新型设计的光致发光光谱扫描成像仪，其测量原理是，当短波长的光照射到某些样品上时(光子的能量高于能隙的宽度)，处于低能级上的电子在吸收一个光子的能量后被激发到高能级(见附图1(a))。由于处于高能级上的电子是不稳定的，它会向低能级跃迁并同时发出一个光子(见附图1(b))，光子的波长为：
λ=hc/(Eh-El)
式中：λ发出光子的波长，h普朗克常数，c光速，Eh电子在高能级时的能量，E1电子在高能级时的能量。
因此当用短波长的光照射样品时，样品会出现光致荧光。荧光的波长和强度直接与样品的能带结构和其它一些物理性质相关。虽然在外延片使用中人们利用的是电致发光效应，但由于光谱分布只与样品的能带结构有关，因此光致发光和电致发光的光谱是一致的；同时由于影响材料光致发光的因素同样将影响电致发光，即：外延片上各点的光致荧光的强度比一致于制成LED(或激光器)后器件发出的光强比，所以可以用测量外延片光致发光强度来表示外延片的电致发光强度。因此通过对外延片表面各点光致光谱和强度的测量，来表征外延片表面各处的电致发光特性。根据强度(或其它光学参数)的不同进行筛选，以提高外延片生产的成品率。具体测量过程是：计算机首先对光谱仪、扫描台进行初始化设置，然后将来自激光器2的激光束经聚焦透镜7聚焦后照射到置于扫描台10上并被吸盘9吸住的光电材料外延片样品6，这时在照射点处将出现光致发光现象。从照射点处发出的荧光经反射镜8、另一聚焦透镜7进入光谱仪5，经数据转换后被计算机所记录，这样就可以得到照射点处光致荧光的光谱。通过扫描方式对样品表面进行逐点测量后，再经过计算机进行谱线成象处理就可以得到样品表面的光谱和光强等信号的分布图。整个测量过程由计算机控制并显示测量结果。所有测量数据可以离线显示和进行数据处理。
上述装置中的激光源，使用激光作为样品的激发光源，它包括激光器和激光器电源。根据不同的外延片的类型，可选用532nm激光器、316.5nm He-Ne倍频激光器等。
整个扫描过程由计算机控制，扫描系统由步进马达11、驱动电路和相应的机械传动系统12组成，驱动电路如图4所示，出74LS07达林顿驱动缓冲器和TIP122达林顿三极管组成，将I/O卡输出的扫描信号经过功率放大后，驱动步进马达。
样品通过吸盘与扫描台保持同步运动，以通过扫描台的运动，对样品表面进行逐点测量。吸盘由真空泵控制其对样品的吸力，控制电路如图3所示，由光电管和双输入与非门组成，用于控制真空泵的开关。
计算机系统用于扫描控制、数据采集和光谱仪控制等。它由计算机、I/O卡和控制软件组成。所使用的是常规的PC机(MMX-200)和32位I/O卡。
计算机控制用于控制整个装置的工作和简单的数据处理，控制过程如图5所示。
用本实用新型的仪器测得样品的光强分布如图6所示，其中上图为表面发光强度的扫描成像图，下图为上图中A-A断面光强分布曲线。
Claims (1)
1、一种光致发光光谱扫描成像仪，其特征在于该成像仪由计算机及控制电路、激光源、聚焦透镜、反射镜、扫描台、吸盘、真空泵、光谱仪和显示器组成；所述的激光源包括电源和激光器，聚焦透镜和反射镜置于激光器和扫描台之间，聚焦透镜置于光谱仪与反射镜之间，计算机及控制电路置于显示器与光谱仪之间，扫描台由步进马达驱动，吸盘固定在扫描台上，真空泵与吸盘相连；所述的计算机及控制电路包括步进电机驱动电路和控制程序软件，步进电机驱动电路由缓冲器和三极管组成。
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