第35卷，第5期 2015年5月
光谱学与光谱分析 Spectroscopy and Spectral Analysis
Vol.35,No.5-pp1320-1324
May,2015
基于差分反射光谱的真空环境有机薄膜生长在线监测方法
姚姚，胡春光，徐臻圆，张雷，傅星，胡小唐
天津大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，天津300072
摘要有机薄膜器件是微电子和光电子领域的重点研究方向。薄膜制备过程的在线监测作为研究成膜机理和优化工艺参数最直接的测量手段，对薄膜器件的高质量制备具有重要意义。为实现真空环境有机薄膜制备过程的实时在线监测，提出了一种基于差分反射光谱术的高精度测量方法。采用离轴抛物面反射镜、光学平板和光纤等基本光学元器件构建紧型光路系统，运用差分算法分析光谱信号，具有较高的测量性能。测试了不同实验环境下光谱信号的波动，得出在控温条件下，系统的长时间测量重复性优于2%。还研究了并五苯分子通过分子束外延制膜法在Au基底成膜初始阶段的生长过程。通过与膜厚仪和原子力显微镜测试结果比对，光谱信号精确反映出超薄膜在生长中引起的细微光学演变，其测量精度优于亚单分子层。实验结果表明，该差分反射光谱测量系统具有宽光谱（300～820nm）、高稳定性（重复性优于2×10-3）、高测量精度（亚单分子层)等特点，并有效地抑制了光路装配误差、光学器件缺陷和环境干扰等对光信号的影响，作为一种高精度表面表征方法，适合于薄膜制备过程的实时在线监测
关键词表面光学表征；差分反射光谱技术；在线测量；有机薄膜生长
中图分类号：0433.1
文献标识码：A
引言
DOI : 10, 3964 /j. issn. 1000-0593 (2015 )05-1320-05
flectancedifferencespectroscopy）相比，DRS能直接反映表面变化引起的光学差异，并可测量光学各向同性的样品汀
理想的在线监测用DRS不仅需要与真空系统配合良好，
薄膜是微/纳米尺度典型的功能结构，在微电子、光电子、生物、先进传感器等领域具有广泛的应用口。随着薄膜厚度的不断缩减，厚度小于100nm的超薄膜因结构受到衬底和制备工艺的显著影响，呈现出众多新奇特性，已成为新功能器件的重要研究方向。作为薄膜研究的两个核心内容，成膜机理和工艺优化都需要精确掌握薄膜在生长过程中的演变规律，因此实时在线监测技术的需求日益突出，
具有非接触、无损伤等特点的光学检测手段在实时在线检测方面优势显著，其中差分反射光谱技术（differentialre-flectancespectroscopy，DRS)是一种高灵敏度的光谱测量方法2.3。相比其他表面检测手段，如扫描隧道显微镜、扫描电子显微镜、高能/低能电子衍射法等，DRS技术以经典的线性光学为测量理论，测试结构较为简单，对使用环境要求低，更为重要的是，可以在不十扰不中断薄膜生长过程的同时，对研究对象的光学特性进行实时检测。与椭圆偏振光谱技术(spectroscopicellipsometry）和反射差分光谱技术（re-
收稿日期：2014-04-25，修订日期：2014-07-28
还应具有宽光谱范围、短测量时间、高测量精度和长时间的测量稳定性等性能。虽然DRS技术早在20世纪60年代就已提出(5-8]，但受探测器件和信号处理能力的限制，测量速度、精度等处于较低水平，无法满足超薄膜、弱光信号（10-"及以下量级的测量要求。随者计算机和光电子技术的发展， Selci等设计出基于光学新波器的DRS系统，有效降低了测量噪声，但全光谱测量需要对波长进行机械扫描，全谱测量速度较慢。之后出现的基于二极管阵列的斜人射式 DRS[10.11)，则实现了全谱信号的并行测量，有效提升了全谱测量速度。2005年，Fritz等结合透镜组和高性能科学级相机，将真空环境下DRS光束的探测直径缩小到0.75mm以下，并通过适当延长积分时间，代替光强调制法抑制随机噪声，进一步提高了仪器的光谱范围、可操作性和测量速度[12.13]。当然，该方法因采用斜人射测量结构，人射光路与出射光路需要使用真空设备上两个位置对称的光学观察窗口，因此光学器件多，光路安装调试较为复杂，易受到振动、
基金项目：国家自然科学基金项目(61008028），全国博士学位论文作者专项资金项目(201140)和天津市应用基础及前沿技术研究计划项目
(11JCJBJC25700)资助
作者简介：姚姚，女，1991年生，天津大学硕士研究生
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