專利名稱：光致發(fā)光光譜掃描成像儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種光致發(fā)光光譜掃描成像儀，用于光電材料外延片工業(yè)生產(chǎn)中外延芯片的在線發(fā)光強(qiáng)度檢測(cè)，屬于物理測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。
光電材料外延片是用于生產(chǎn)發(fā)光二級(jí)管(LED)和半導(dǎo)體激光器的基礎(chǔ)材料，LED被認(rèn)為具有廣泛的發(fā)展前途，半導(dǎo)體激光器則是最有發(fā)展前途的激光器種類。近年來(lái)GaN藍(lán)光LED的出現(xiàn)，使得LED全彩化大屏平板顯示成為現(xiàn)實(shí)。超高亮度、長(zhǎng)的壽命LED的產(chǎn)生則有可能帶動(dòng)照明工業(yè)的革命性轉(zhuǎn)變，使LED顯示由室內(nèi)走向室外，并將促進(jìn)新一代LED照明光源進(jìn)入市場(chǎng)。在激光器生產(chǎn)方面，目前其它種類的激光器價(jià)格較貴、體積大和功耗高，而半導(dǎo)體激光器的價(jià)格相對(duì)便宜、體積小、功耗低。隨著技術(shù)的發(fā)展，其價(jià)格還將進(jìn)一步降低。
由于國(guó)際上光電材料外延片的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)激烈，生產(chǎn)過(guò)程必須十分重視成品率和質(zhì)量，所以產(chǎn)品的在線檢測(cè)和質(zhì)量控制十分重要。目前我國(guó)各企業(yè)缺乏必要的檢測(cè)條件和設(shè)備，尤其是外延片生產(chǎn)過(guò)程中的高速、無(wú)損在線測(cè)量設(shè)備。目前對(duì)LED的質(zhì)量檢測(cè)通常是在封裝完畢后逐一點(diǎn)亮，根據(jù)其發(fā)光亮度和光譜純度來(lái)對(duì)外延片的質(zhì)量進(jìn)行分類，這樣成品率較低，浪費(fèi)較大。因此研制一種外延片的在線檢測(cè)設(shè)備對(duì)我國(guó)外延片生產(chǎn)工業(yè)的發(fā)展十分必要。目前在國(guó)內(nèi)的外延片工業(yè)生產(chǎn)中還沒(méi)有任何采用光致熒光光譜掃描成像原理的檢測(cè)設(shè)備和其它任何在線檢測(cè)設(shè)備。
本實(shí)用新型的目的是設(shè)計(jì)一種光致發(fā)光光譜掃描成像儀，在光電材料外延片的生產(chǎn)過(guò)程中，對(duì)外延片的發(fā)光亮度和光譜純度進(jìn)行在線檢測(cè)，以控制處延片的生產(chǎn)質(zhì)量。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的光致發(fā)光光譜掃描成像儀，由計(jì)算機(jī)及控制電路、激光源、聚焦透鏡、反射鏡、掃描臺(tái)、吸盤(pán)、真空泵、光譜儀和顯示器組成。激光源包括電源和激光器，聚焦透鏡和反射鏡置于激光器和掃描臺(tái)之間，聚焦透鏡置于光譜儀與反射鏡之間，計(jì)算機(jī)及控制電路置于顯示器與光譜儀之間，掃描臺(tái)由步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，吸盤(pán)固定在掃描臺(tái)上，真空泵與吸盤(pán)相連?？刂齐娐钒ú竭M(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和控制程序軟件，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由緩沖器和三極管組成。
利用本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的光致發(fā)光光譜掃描成像儀，光強(qiáng)的探測(cè)靈敏度小于0.1mcd，儀器探測(cè)的空間分辨率優(yōu)于0.1mm，對(duì)直徑為2英寸的外延芯片，測(cè)量時(shí)間小于15分鐘，能夠連續(xù)地在線測(cè)量和顯示被檢測(cè)樣品發(fā)光峰的積分強(qiáng)度、峰位和半高寬等參數(shù)，以控制外延片的生產(chǎn)質(zhì)量，提高成品率。


圖1是檢測(cè)原理示意圖。
圖2是本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的光譜掃描成像儀的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3是真空泵控制電路圖。
圖4是步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路圖。
圖5是計(jì)算機(jī)控制過(guò)程程序框圖。
圖6是被檢樣品的光強(qiáng)分布圖。
以下結(jié)合附圖，詳細(xì)介紹本實(shí)用新型的內(nèi)容。
圖2中，1是激光電源，2是激光器，3是顯示器，4是計(jì)算機(jī)及控制電路，5是光譜儀，6是樣品，7是聚焦透鏡，8是反射鏡，9是吸盤(pán)，10是掃描臺(tái)，11是步進(jìn)馬達(dá)，12是步進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)，13是真空泵。
如圖2所示，本實(shí)用新型的光致發(fā)光光譜掃描成像儀，由計(jì)算機(jī)及控制電路4、激光源、聚焦透鏡7、反射鏡8、掃描臺(tái)10、吸盤(pán)9、真空泵13、光譜儀5和顯示器3組成。激光源包括電源1和激光器2，聚焦透鏡7和反射鏡8置于激光器2和掃描臺(tái)10之間，另一聚焦透鏡7置于光譜儀5與反射鏡8之間，計(jì)算機(jī)及控制電路4置于顯示器3與光譜儀5之間，掃描臺(tái)10由步進(jìn)馬達(dá)11通過(guò)步進(jìn)傳動(dòng)系統(tǒng)12驅(qū)動(dòng)，吸盤(pán)9固定在掃描臺(tái)10上，真空泵13與吸盤(pán)9相連。
本實(shí)用新型設(shè)計(jì)的光致發(fā)光光譜掃描成像儀，其測(cè)量原理是，當(dāng)短波長(zhǎng)的光照射到某些樣品上時(shí)(光子的能量高于能隙的寬度)，處于低能級(jí)上的電子在吸收一個(gè)光子的能量后被激發(fā)到高能級(jí)(見(jiàn)附圖1(a))。由于處于高能級(jí)上的電子是不穩(wěn)定的，它會(huì)向低能級(jí)躍遷并同時(shí)發(fā)出一個(gè)光子(見(jiàn)附圖1(b))，光子的波長(zhǎng)為λ=hc/(Eh-El)式中λ發(fā)出光子的波長(zhǎng)，h普朗克常數(shù)，c光速，Eh電子在高能級(jí)時(shí)的能量，E1電子在高能級(jí)時(shí)的能量。
因此當(dāng)用短波長(zhǎng)的光照射樣品時(shí)，樣品會(huì)出現(xiàn)光致熒光。熒光的波長(zhǎng)和強(qiáng)度直接與樣品的能帶結(jié)構(gòu)和其它一些物理性質(zhì)相關(guān)。雖然在外延片使用中人們利用的是電致發(fā)光效應(yīng)，但由于光譜分布只與樣品的能帶結(jié)構(gòu)有關(guān)，因此光致發(fā)光和電致發(fā)光的光譜是一致的；同時(shí)由于影響材料光致發(fā)光的因素同樣將影響電致發(fā)光，即外延片上各點(diǎn)的光致熒光的強(qiáng)度比一致于制成LED(或激光器)后器件發(fā)出的光強(qiáng)比，所以可以用測(cè)量外延片光致發(fā)光強(qiáng)度來(lái)表示外延片的電致發(fā)光強(qiáng)度。因此通過(guò)對(duì)外延片表面各點(diǎn)光致光譜和強(qiáng)度的測(cè)量，來(lái)表征外延片表面各處的電致發(fā)光特性。根據(jù)強(qiáng)度(或其它光學(xué)參數(shù))的不同進(jìn)行篩選，以提高外延片生產(chǎn)的成品率。具體測(cè)量過(guò)程是計(jì)算機(jī)首先對(duì)光譜儀、掃描臺(tái)進(jìn)行初始化設(shè)置，然后將來(lái)自激光器2的激光束經(jīng)聚焦透鏡7聚焦后照射到置于掃描臺(tái)10上并被吸盤(pán)9吸住的光電材料外延片樣品6，這時(shí)在照射點(diǎn)處將出現(xiàn)光致發(fā)光現(xiàn)象。從照射點(diǎn)處發(fā)出的熒光經(jīng)反射鏡8、另一聚焦透鏡7進(jìn)入光譜儀5，經(jīng)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換后被計(jì)算機(jī)所記錄，這樣就可以得到照射點(diǎn)處光致熒光的光譜。通過(guò)掃描方式對(duì)樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量后，再經(jīng)過(guò)計(jì)算機(jī)進(jìn)行譜線成象處理就可以得到樣品表面的光譜和光強(qiáng)等信號(hào)的分布圖。整個(gè)測(cè)量過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制并顯示測(cè)量結(jié)果。所有測(cè)量數(shù)據(jù)可以離線顯示和進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。
上述裝置中的激光源，使用激光作為樣品的激發(fā)光源，它包括激光器和激光器電源。根據(jù)不同的外延片的類型，可選用532nm激光器、316.5nm He-Ne倍頻激光器等。
整個(gè)掃描過(guò)程由計(jì)算機(jī)控制，掃描系統(tǒng)由步進(jìn)馬達(dá)11、驅(qū)動(dòng)電路和相應(yīng)的機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)12組成，驅(qū)動(dòng)電路如圖4所示，出74LS07達(dá)林頓驅(qū)動(dòng)緩沖器和TIP122達(dá)林頓三極管組成，將I/O卡輸出的掃描信號(hào)經(jīng)過(guò)功率放大后，驅(qū)動(dòng)步進(jìn)馬達(dá)。
樣品通過(guò)吸盤(pán)與掃描臺(tái)保持同步運(yùn)動(dòng)，以通過(guò)掃描臺(tái)的運(yùn)動(dòng)，對(duì)樣品表面進(jìn)行逐點(diǎn)測(cè)量。吸盤(pán)由真空泵控制其對(duì)樣品的吸力，控制電路如圖3所示，由光電管和雙輸入與非門(mén)組成，用于控制真空泵的開(kāi)關(guān)。
計(jì)算機(jī)系統(tǒng)用于掃描控制、數(shù)據(jù)采集和光譜儀控制等。它由計(jì)算機(jī)、I/O卡和控制軟件組成。所使用的是常規(guī)的PC機(jī)(MMX-200)和32位I/O卡。
計(jì)算機(jī)控制用于控制整個(gè)裝置的工作和簡(jiǎn)單的數(shù)據(jù)處理，控制過(guò)程如圖5所示。
用本實(shí)用新型的儀器測(cè)得樣品的光強(qiáng)分布如圖6所示，其中上圖為表面發(fā)光強(qiáng)度的掃描成像圖，下圖為上圖中A-A斷面光強(qiáng)分布曲線。
權(quán)利要求1.一種光致發(fā)光光譜掃描成像儀，其特征在于該成像儀由計(jì)算機(jī)及控制電路、激光源、聚焦透鏡、反射鏡、掃描臺(tái)、吸盤(pán)、真空泵、光譜儀和顯示器組成；所述的激光源包括電源和激光器，聚焦透鏡和反射鏡置于激光器和掃描臺(tái)之間，聚焦透鏡置于光譜儀與反射鏡之間，計(jì)算機(jī)及控制電路置于顯示器與光譜儀之間，掃描臺(tái)由步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，吸盤(pán)固定在掃描臺(tái)上，真空泵與吸盤(pán)相連；所述的計(jì)算機(jī)及控制電路包括步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路和控制程序軟件，步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由緩沖器和三極管組成。
專利摘要本實(shí)用新型涉及一種光致發(fā)光光譜掃描成像儀,由計(jì)算機(jī)及控制電路、激光源、聚焦透鏡、反射鏡、掃描臺(tái)、吸盤(pán)、真空泵、光譜儀和顯示器組成。聚焦透鏡和反射鏡置于激光器和掃描臺(tái)之間,聚焦透鏡置于光譜儀與反射鏡之間,計(jì)算機(jī)及控制電路置于顯示器與光譜儀之間,掃描臺(tái)由步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng),吸盤(pán)固定在掃描臺(tái)上,真空泵與吸盤(pán)相連。本實(shí)用新型的成像儀在線測(cè)量和顯示樣品發(fā)光峰的積分強(qiáng)度、峰位和半高寬,以控制外延片的生產(chǎn)質(zhì)量,提高成品率。
文檔編號(hào)G02B26/10GK2340001SQ9824832
公開(kāi)日1999年9月22日 申請(qǐng)日期1998年11月6日 優(yōu)先權(quán)日1998年11月6日
發(fā)明者陳皓明, 董占民, 凌勇, 王秀鳳 申請(qǐng)人:清華大學(xué)