CN2457738Y - 基于激光束感应电流的微激光束扫描谱装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种基于激光束感应电流的微激光束扫描谱装置,该装置包括氦氖激光器、声光调制器、光束扩束器、光束分束器、CCD摄像机、会聚显微物镜、置于带有两个步进马达的三维样品调整架上的样品、放大器、计算机。激光束经扩束和会聚后入射到样品上,样品产生的感应电流信号经放大器放大。整个测试由计算机控制、采集、存储及数据处理。本装置结构简单、测量方便、对样品没有破坏,可用于大面积光伏型器件工艺过程的在线检测,还可以用于半导体材料电活性缺陷的测量。

Description

基于激光束感应电流的微激光束扫描谱装置

本实用新型涉及一种用于半导体光伏器件工艺过程中光电特性的在线检测的测量装置，具体涉及一种基于激光束感应电流的微激光束扫描谱装置。

红外探测器已从单元器件、线列器件发展到焦平面列阵器件。但制备高质量、大面积焦平面器件目前还是很困难的，工艺复杂、成本极高，缺乏好的测试方法及装置。目前往往是在制备好器件后与读出电路连接才能得知器件的光电特性，或者是对单个器件引输出电极进行一一测量，这种测量方法最大缺点是对器件有一定程度破坏，其次是工作量极大，对大面积的多元器件元数成千上万，这样测量几乎根本无法完成如此之大的工作量。工艺过程的检测对优化工艺，提高器件性能以及降低成本是十分必要的，但是上述两种方法均不适于器件制备工艺过程的在线检测。

本实用新型的目的是提供一种结构简单、非破坏、实用的半导体光伏多元器件制备工艺过程中的在线检测的测量装置。

本实用新型通过如下技术方案实现：氦氖激光器发射的波长为0.6328μm的激光光源1前进的方向上依次置有声光调制器2,45°平面全反射镜3，光扩束器4，光分束器5,CCD摄像机6，会聚显微物镜7，置于带有步进马达10、11的三维样品调整架9上的样品8。样品上产生的感应电流输出经前置放大器12、锁相放大器13，数字电压表14、计算机15相联。步进马达10、11与计算机15相联。

激光光源1经声光调制器2调制后成为数千赫兹的高频脉冲光，经过45°平面全反射镜3反射，通过光束扩束器4扩束，经分束器5后，光束进入会聚显微物镜7，经会聚显微物镜7会聚的激光束入射到样品8上，入射到样品上的一部分光产生感应电流，另一部分光经样品表面反射再经会聚显微物镜7、光分束器5，入射到CCD摄像机6。

所说的CCD摄像机用于监视激光束光斑，使激光束恰好会聚在样品的表面上，这是通过调节三维样品架Z方向的调节而实现的。所说的激光光源功率为20-30mW，光束直径约为1mm。所说的光束扩束器用于将光束直径扩大约40倍，用扩束器的目的是为了改善激光的发散角。会聚显微物镜用于将宽激光束会聚为小光斑，光斑的几何尺寸至少要小于单元P-N结几何尺寸一个量级。两个步进马达用于驱动三维调节架，使激光束相对置于三维调整架上的样品上的X和Y方向进行扫描，步进马达由计算机控制。这样一次就可完成成千上万个焦平面列阵器件单元的测量。

小光斑激光束入射到半导体材料的表面时，只要激光的光子能量大于材料的禁带宽度，则会产生电子、空穴对，当材料中存在有局部电场时，电子一空穴对会在局部电场的作用下继续分离，进而形成电流。由于没有任何外加电场，这个电流完全取决于局部电场的特性，因此这个电流反映了材料的局部电场特性。材料中的缺陷往往能形成局部电场，这缺陷包括应力、沉淀物、位错等，因此本装置可用于半导体材料缺陷的检测。光伏器件上的P-N结乃是人为制造的周期分布电场，在结的两旁由于横向光伏效应，从而产生激光束感应电流，而在远离P-N结处由于照明为小光点，照明乃是非对称的，非对称照明时在远离P-N结处会产生平行于结的光伏效应，也会产生感应电流。综上所述，当激光束沿着P-N结逐点扫描时，会产生正负双峰结构的感应电流，在结的几何中点感应电流为零，感应电流在结外为指数衰减。必须指出的是激光束的直径要大大小于P-N结的几何尺寸，至少要小一个量级。而用于检测半导体材料缺陷，激光斑的尺寸也应足够小，激光光束的直径决定了测量结果的分辨率。

本装置具有以下优点：

1．本装置结构简单，测量方便，对半导体材料的电活性缺陷的检测、光伏器件的光电特性测量只需在样品的相对两边缘引输出电极即可；对多元器件在器件制备工艺过程中，用扫描的方式一次就可完成成千上万个单元的测量，并且对样品没有破坏。

2．本装置测量灵敏度高，目前微电流测量技术已经相当发达，材料中的电活性缺陷及P-N结的变化都会引起微小电流变化，可以十分准确测量出样品P-N结的精细结构及内部微小变化。

3．本装置分辨率高，激光束的光斑尺寸可以达到0.3μm至3μm，无论对材料的缺陷还是对器件尺寸是足够小了。

4．本装置所测得的扫描谱含有极丰富的信息，例如结的深度、掺杂浓度等对激光束感应电流形状、大小、峰值位置具有直接影响。

5．本装置所使用的部件是市场上已有的通用仪器，从而大大降低了成本。由于所采用的激光器功率很高，将光束扩大40倍后，虽然仅仅用扩束后的很小一部分，它的功率对于作为激发感应电流仍是足够的。由于采用了40倍的扩束器，激光束的发散角大大减小，于是可以使用较低放大倍数的会聚显微物镜，仍可以得到较小光斑，必须指出的是，所使用的显微物镜，由于它的工作距离较一般的生物显微物镜要长，因此这种物镜价格十分昂贵，倍率越高价格越贵，目前放大倍数大于10倍的物镜还要进口，由于可以使用较低倍率物镜，因此使这装置的价格又降低了。

附图说明：

图1：一种基于激光束感应电流的微激光束扫描谱装置示意图；

图2：光伏碲镉汞焦平面器件的激光束感应电流谱图。

实施例：

在图1的实验装置上，样品为置于液氮杜瓦瓶内的光伏碲镉汞焦平面器件，液氮杜瓦瓶再置于三维调整架上，激光束相对样品位置作X和Y向扫描，激光束感应电流与位置的函数关系即是激光束感应电流图谱。测量和数据的采集均由计算机完成。典型结果示于图2。

Claims (3)

1．一种基于激光束感应电流的微激光束扫描谱装置，包括氦氖激光器、声光调制器、反射镜、光扩束器、光分束器、CCD摄像机、会聚显微物镜、样品、步进马达、三维样品调整架、前置放大器、锁相放大器、数字电压表、计算机，其特征在于：

氦氖激光器发射的光源(1)前进的方向上依此置有声光调制器(2)、45°平面全反射镜(3)、光扩束器(4)、光分束器(5)、CCD摄像机(6)、会聚显微物镜(7)、置于带有步进马达(10)、(11)的三维样品调整架(9)上的样品(8)；样品上产生的感应电流输出经前置放大器(12)、锁相放大器(13)、数字电压表(14)、计算机(15)相联；步进马达(10)、(11)与计算机相联；

激光光源(1)经声光调制器(2)调制后，经过45°平面全反射镜(3)反射，通过光束扩束器(4)扩束，经分束器(5)后，光束进入会聚显微物镜(7)，经会聚显微物镜(7)会聚的激光束入射到样品(8)上，一部分光经样品表面反射再经会聚显微物镜(7)、光分束器(5)，入射到CCD摄像机(6)。

2．根据权利要求1．一种基于激光束感应电流的微激光束扫描谱装置，其特征在于：所说的光束扩束器(4)扩束倍率为30-40。

3．根据权利要求1．一种基于激光束感应电流的微激光束扫描谱装置，其特征在于：所说的激光光源(1)功率为20-30mW。