材料表面局部光譜測量裝置及測量方法
2023-10-11 06:32:44
專利名稱：材料表面局部光譜測量裝置及測量方法
技術領域：
本發明涉及材料測試技術領域，尤其涉及材料表面局部光譜測量技術領域。
背景技術：
吸收、螢光和散射光譜是研究半導體材料內部載流子的躍遷、複合過程以及晶格運動模式的重要實驗手段。而隨著納米技術的發展，人們感興趣的材料和器件的尺度越來越小，對光譜實驗手段空間解析度的要求也越來越高。通過利用金屬表面等離激元震蕩的局域增強作用，將電磁場局域在針尖周圍形成增強的近場光學信號，這些信號被顯微物鏡等光學系統收集，從而得到突破衍射極限的光學空間解析度。這一領域的目標之一是達到 10 nm數量級的高空間解析度，而單純依靠鍍有金屬膜的原子力顯微鏡探針難以達到這一目標。實現這一目標的途徑之一是在探針尖端附近構造金屬納米天線結構，這種結構由具有一定間隙的多塊金屬薄膜組成，利用其等離激元震蕩的耦合和偶極天線效應等進一步提高針尖對電磁場的局域增強作用。目前在探針尖端構造這種納米天線結構主要有兩種方法。第一種方法是將待測樣品(如有機分子、納米碳管等)置於金屬襯底上，將針尖靠近襯底表面，二者之間間距在Inm數量級上，這時在垂直於樣品表面的方向上有效的形成了兩塊金屬中等離激元震蕩相互耦合的納米天線結構。但這種方式缺點在於第一，襯底必須是金屬；第二，待測樣品必須非常薄，可以置於針尖和金屬襯底之間很小的間隙內，例如一般的半導體樣品不適合其用來研究；第三，由於天線震蕩方向垂直於樣品表面，因此只對附近電磁場中偏振方向垂直於樣品表面方向的分量起到局域增強作用，限制了激發光使用的方向和偏振配置。第二種方法則是在探針尖端所鍍的金屬薄膜上加工出納米結構，如環形溝槽或者領結形結構，利用其形成的橫向天線結構增強近場局域效應以提高空間解析度，能夠克服上述第一種方法中的缺點。而這種方法的核心在於如何在探針尖端加工出這種橫向的納米天線結構，目前聚焦離子束刻蝕(Focus Ion Beam,以下簡稱FIB)是它的理想方法。但目前使用FIB加工探針和利用加工好的探針進行近場光譜測量分散在不同系統中，從加工到使用間不可避免的要暴露在大氣環境中，表面的汙染和氧化會使得加工的尖端具有納米天線結構的探針性能會偏離預期或者不能使用。這使得針尖鍍膜所用金屬材料的種類受到很大限制，只能是金這類性質非常穩定的金屬材料。金的表面等離激元增強的波段在紅光範圍，對於其它波段，例如藍綠光波段所用的銀，紫外波段所用的鋁等化學性質不夠穩定的金屬來說，就會存在上面提到的問題。因此，對於半導體等非金屬樣品來講，對其進行高空間分辨的光譜測量，需要能夠在同一真空系統中完成尖端具有金屬納米天線結構的探針製備並用於針尖增強近場光學的測量
發明內容
本發明所要解決的技術問題是，提供材料表面局部光譜測量裝置及測量方法。為了解決上述問題，本發明提供了一種材料表面局部光譜測量裝置，包括一反應腔、一光源和一光譜儀；光源和光譜儀均與反應腔相連；反應腔是真空系統，包括一第一真空腔、一第二真空腔、一真空閥門、一真空傳遞裝置、一聚焦離子束刻蝕裝置和一光路耦合裝置；第一真空腔和第二真空腔的腔體相連，通過真空閥門控制連通與隔絕；第一真空腔包括一第一窗口、一鍍有金屬膜的探針和一第一針尖臺；第二真空腔包括一第二窗口、一第二針尖臺、一樣品臺；聚焦離子束刻蝕裝置通過第一窗口與第一真空腔相連，光路耦合裝置通過第二窗口與第二真空腔相連；真空傳遞裝置用於在第一針尖臺和第二針尖臺之間傳遞探針。光路耦合裝置包括一真空光窗，一顯微物鏡、一平面鏡和一濾光片；真空光窗位於第二窗口的位置，平面鏡用於轉折光束，濾光片用於分開激發光和信號光。進一步的，探針為原子力顯微鏡探針，並與一原子力顯微鏡控制器相連。探針包括一懸臂梁和一針尖；針尖位於懸臂梁的端部，並斜向前伸出。材料表面局部光譜測量裝置進一步包括一探針控制器和一樣品臺控制器，分別與探針和樣品臺相連，用於控制探針和樣品臺的平移。為了解決上述問題，本發明還提供了一種採用上述裝置進行材料表面局部光譜測量的方法，包括以下步驟1)將待測樣品置於樣品臺上，且待測樣品的裸露表面面向第二窗口 ；2)關閉真空閥，使得第一真空腔和第二真空腔隔絕；3)採用真空傳遞裝置將帶有探針的探針座插入至第一針尖臺；4)採用聚焦離子束刻蝕裝置去除探針的汙染物和氧化物； 5)採用聚焦離子束刻蝕裝置按照預先設計對探針刻蝕，形成天線結構；6)打開真空閥，使得第一真空腔和第二真空腔連通；7)採用真空傳遞裝置將帶有探針的探針座從第一針尖臺傳遞並插入至第二針尖臺；8)關閉真空閥，使得第一真空腔和第二真空腔隔絕；9)在第二真空腔內測量待測樣品的表面光譜。步驟2進一步包括如下步驟關閉真空閥，使得第一真空腔和第二真空腔隔絕；使用真空泵組抽取第一真空腔和第二真空腔內的空氣，使得第一真空腔和第二真空腔達到真空狀態，且第二真空腔的真空度大於第一真空腔的真空度。第一真空腔的真空狀態為高真空狀態，所述高真空狀態的範圍為 1. 33 X 10^1 X IO-6帕斯卡；所述第二真空腔的真空狀態為超高真空狀態，所述超高真空狀態的範圍為10_6 ΙΟ—"1帕斯卡。步驟9中測量待測樣品的表面光譜的步驟包括a)調整第二針尖臺和樣品臺的相對位置，使得待測樣品的裸露表面處於光路耦合裝置的焦平面，且探針位於待測樣品和真空光窗之間；b)調整並保持探針的針尖與待測樣品的間距；c)通過光路耦合裝置，將光源發出的光聚集到探針的針尖前端；d)通過光路耦合裝置收集待測樣品的裸露表面所發出的光，並傳遞至光譜儀採集近場光譜。其中，探針的針尖與待測樣品的間距的範圍為Inm 10nm。其中，天線結構的形狀為環形和領結形中任意一種。本發明的優點在於，聚焦離子束刻蝕的裝置與使用加工好的探針進行局域光譜探測的裝置位於同一真空系統中，避免了針尖在刻蝕加工和使用之間的傳遞過程中的表面的汙染和氧化，擴展了用於針尖鍍膜的金屬材料的選擇範圍而不僅限於化學性質穩定的金、鉬等，以在不同的光波波段實現高空間分辨的局域光譜的測量。
圖1是本發明提供的材料表面局部光譜測量裝置實施例一組成結構示意圖2A是本發明提供的材料表面局部光譜測量裝置實施例一中具有環形天線結構的探針的針尖剖面圖2B是本發明提供的材料表面局部光譜測量裝置實施例一中具有環形天線結構的探針的針尖俯視圖2C是本發明提供的材料表面局部光譜測量裝置實施例一中具有領結形天線結構的探針的針尖剖面圖2D是本發明提供的材料表面局部光譜測量裝置實施例一中具有領結形天線結構的探針的針尖俯視圖3是本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二步驟流程圖； 圖4A 41是本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二測量步驟圖。
具體實施例方式下面結合附圖對本發明提供的材料表面局部光譜測量裝置及測量方法的具體實施方式
做詳細說明。實施例一
圖1所示為本發明提供的一種材料表面局部光譜測量裝置的結構示意圖。該結構包括一反應腔、一光源111和一光譜儀110 ；光源111和光譜儀110均與反應腔相連；反應腔是真空系統，包括一第一真空腔100a、一第二真空腔100b、一真空閥門105、一真空傳遞裝置102、一聚焦離子束刻蝕裝置104和一光路耦合裝置114 ；第一真空腔IOOa和第二真空腔 IOOb的腔體相連，通過真空閥門105控制連通與隔絕；第一真空腔IOOa包括一第一窗口、 一鍍有金屬膜的原子力顯微鏡探針103和一第一針尖臺101 ；第二真空腔IOOb包括一第二窗口、一第二針尖臺108、一樣品臺106 ；聚焦離子束刻蝕裝置104通過第一窗口與第一真空腔IOOa相連，光路耦合裝置114通過第二窗口與第二真空腔IOOb相連；真空傳遞裝置102 用於在第一針尖臺101和第二針尖臺108之間傳遞原子力顯微鏡探針103。第一針尖臺101位於聚焦離子束刻蝕裝置104的微束聚焦處，以放置原子力顯微鏡探針103並在原子力顯微鏡探針103尖端加工天線結構；樣品臺106用於放置待測樣品 107 ；第二針尖臺108用於放置加工好天線結構的原子力顯微鏡探針103並使原子力顯微鏡探針103位於待測樣品107表面；真空傳遞裝置102用於在第一針尖臺101和第二針尖臺 107之間傳遞原子力顯微鏡探針103 ；光源111發出的光通過光路耦合裝置114聚焦於待測樣品107表面的原子力顯微鏡探針103的針尖處，待測樣品107發出的光通過光路耦合系統114傳導至光譜儀110。聚焦離子束刻蝕裝置104，與聚焦離子束控制器相連控制刻蝕的位置，使用鎵金屬離子束。原子力顯微鏡探針103包括一懸臂梁以及設置在懸臂梁端部的針尖，針尖並斜向前伸出。當原子力顯微鏡探針103進行測量待測樣品107局部光譜時候，原子力顯微鏡探針103的針尖在樣品臺106表面垂直投影點的位置在懸臂梁在樣品臺106表面垂直投影面的範圍之外。這樣是為了避免原子力顯微鏡探針103的針尖對光路的遮擋，故採用此原子力顯微鏡探針103的針尖位於懸梁臂最前端並斜向前伸出的探針結構。本具體實施方式
進一步採用鍍有金屬膜的原子力顯微鏡探針作為原子力顯微鏡探針103，並與一原子力顯微鏡控制裝置連接，近場光譜的空間分布可以與原子力顯微鏡探針掃描得到的表面三維形貌信息相對應，以獲知表面電子態與天線結構之間的對應關係，解決半導體納米材料和器件測量中的關鍵技術問題表面附近載流子的躍遷、複合過程以及晶格晶格振動模式與天線結構之間的關係。光路耦合系統114包括置於第二真空腔IOOb的第二窗口上的真空光窗109、第二真空腔體IOOb的腔體外長工作距離顯微物鏡115、用於轉折光束的平面鏡112以及用於分開激發光和信號光的濾光片113。本裝置可進一步包括一探針控制器和一樣品臺控制器，分別用於控制原子力顯微鏡探針103和樣品臺106的平移。圖2A為本發明提供的材料表面局部光譜測量裝置實施例一中具有環形天線結構的原子力顯微鏡探針103的針尖剖面圖，圖2B為本發明提供的材料表面局部光譜測量裝置實施例一中具有環形天線結構的原子力顯微鏡探針103的針尖俯視圖。原子力顯微鏡探針 103的針尖表面的金屬膜201具有環形溝槽的天線結構。作為可選實施方式，環形溝槽的內環直徑範圍為50nm lOOnm，刻蝕寬度約為 lOnm，刻蝕深度為金屬膜201的厚度，即刻透金屬膜201。圖2C為本發明提供的材料表面局部光譜測量裝置實施例一中具有領結形天線結構的原子力顯微鏡探針103的針尖剖面圖，圖2D為本發明提供的材料表面局部光譜測量裝置實施例一中具有領結形天線結構的原子力顯微鏡探針103的針尖俯視圖。原子力顯微鏡探針103的針尖表面的金屬膜201具有領結形溝槽的天線結構。作為可選實施方式，刻蝕深度為金屬膜201的厚度，即刻透金屬膜201。實施例二
圖3所示為本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二步驟流程圖。步驟301，將待測樣品置於樣品臺上，且待測樣品的裸露表面面向真空光窗； 步驟302，關閉真空閥，使得第一真空腔和第二真空腔隔絕；
步驟303，採用真空傳遞裝置將帶有探針的探針座插入至第一針尖臺； 步驟304，採用聚焦離子束刻蝕裝置去除探針的汙染物和氧化物； 步驟305，採用聚焦離子束刻蝕裝置按照設計對探針刻蝕，形成天線結構； 步驟306，打開真空閥，使得第一真空腔和第二真空腔連通；
步驟307，採用真空傳遞裝置將帶有探針的探針座從第一針尖臺傳遞並插入至第二針
個麼大 I=I ；
步驟308，關閉真空閥，使得第一真空腔和第二真空腔隔絕； 步驟309，在第二真空腔內測量待測樣品的表面光譜。圖4A 圖41所示為本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二測量步驟圖。圖4A所示為本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二步驟301，將待測樣品107置於樣品臺106上，且待測樣品107表面面向第二真空腔IOOb的真空光窗109。
同時，將裝有鍍金屬膜的原子力顯微鏡探針103的探針座置於真空傳遞裝置上並夾緊探針座，此時真空傳遞裝置102位於第一真空腔IOOa內。圖4B所示為本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二步驟302，關閉真空閥105，使得第一真空腔IOOa和第二真空腔IOOb隔絕。關閉連接第一真空腔IOOa和第二真空腔IOOb之間的真空閥門105，通過真空泵組抽取其中氣體，使其中第一真空腔IOOa 達到高真空狀態，第二真空腔IOOb達到超高真空狀態，以避免在進行刻蝕的時候汙染樣品臺106附近的真空環境。其中所述高真空狀態的範圍為1.33X10，1X10_6帕斯卡(Pa)， 所述超高真空的範圍為10_6 10_1(1帕斯卡(Pa)。圖4C所示為本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二步驟303，採用真空傳遞裝置102將帶有原子力顯微鏡探針103的探針座插入至第一針尖臺101。移動第一針尖臺101，使之對準真空傳遞裝置102，將裝有鍍金屬膜的原子力顯微鏡探針103的探針座插入第一針尖臺101並使針尖朝向聚焦離子束方向移動，然後鬆開真空傳遞裝置102釋放探針座，將真空傳遞裝置102撤回原位。圖4D所示為本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二步驟304，採用聚焦離子束刻蝕裝置104去除原子力顯微鏡探針103的汙染物和氧化物。移動第一針尖臺 101使原子力顯微鏡探針103的針尖正對聚焦離子束，在聚焦離子束的小束流下將原子力顯微鏡探針103的針尖附近所鍍金屬膜的表面快速全部轟擊一遍，以去除汙染物和金屬氧化層，小束流的範圍為IpAlO pA。圖4E所示為本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二步驟305，採用聚焦離子束刻蝕裝置104按照設計對原子力顯微鏡探針103刻蝕，形成天線結構。在聚焦離子束控制器控制下，仍用聚焦離子束的小束流按照設計的圖形在原子力顯微鏡探針103的尖端刻蝕天線結構。作為可選的實施方式，設計的圖形為環形、領結形中任意一種。天線結構刻蝕完畢後，再次移動第一針尖臺101使之對準真空傳遞裝置102，用真空傳遞裝置102夾持針尖座並從第一針尖臺101上抽出。圖4F所示為本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二步驟306，打開真空閥門，使得第一真空腔IOOa和第二真空腔IOOb連通。打開真空閥，方便真空傳遞裝置在第一真空腔IOOa和第二真空腔IOOb之間傳遞原子力顯微鏡探針103。圖4G所示為本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二步驟307，採用真空傳遞裝置102將帶有原子力顯微鏡探針103的探針座從第一針尖臺101傳遞並插入至第二針尖臺108。移動第一針尖臺101、樣品臺106讓出真空傳遞裝置102傳遞原子力顯微鏡探針103的通道；移動第二針尖臺108，使之對準真空傳遞裝置102 ；旋轉真空傳遞裝置102，使原子力顯微鏡探針103的尖端朝向待測樣品107的裸露表面，背對光路耦合裝置 114 ；將針尖座插入第二針尖臺108 ；鬆開真空傳遞裝置102，釋放針尖座，然後撤回真空傳遞裝置102至原位。圖4H所示為本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二步驟308，關閉真空閥，使得第一真空腔IOOa和第二真空腔IOOb隔絕。關閉連接第一真空腔IOOa和第二真空腔IOOb之間的真空閥門105，以避免在進行測量光譜時候汙染樣品臺106附近的真空環
^Ml O圖41所示為本發明提供的材料表面局部光譜測量方法實施例二步驟309，在第二真空腔內測量待測樣品107的表面光譜。該步驟可以進一步包括
移動第二針尖臺108和樣品臺106，使待測樣品107表面位於光路耦合裝置114的顯微物鏡115的焦平面，原子力顯微鏡探針113位於待測樣品107和真空光窗109之間；
移動第二針尖臺108使原子力顯微鏡探針103的尖端靠近樣品表面，並在原子力顯微鏡控制器的控制下，使針尖和待測樣品107間保持一定距離，距離範圍為IrniTlO nm ；
通過光路耦合裝置114，將光源111發出的光聚焦到原子力顯微鏡探針103的針尖前
端；
通過光路耦合裝置114收集待測樣品107表面所發出的光散射光譜、吸收光譜或者螢光光譜，並傳遞到光譜儀110從而採集近場光譜；
如要獲得待測樣品107裸露表面其他局部的近場光譜，需保持激發光焦點和原子力顯微鏡探針103的針尖相對位置固定，通過平移樣品臺106改變原子力顯微鏡探針103在待測樣品107表面的位置，重複上述測量光譜步驟，從而獲得近場光散射光譜、吸收光譜或者螢光光譜的位置分布圖。 以上所述僅是本發明的優選實施方式，應當指出，對於本技術領域的普通技術人員，在不脫離本發明原理的前提下，還可以做出若干改進和潤飾，這些改進和潤飾也應視為本發明的保護範圍。
權利要求
1.一種材料表面局部光譜測量裝置，其特徵在於，包括一反應腔、一光源和一光譜儀； 所述光源和光譜儀均與反應腔相連；所述反應腔是真空系統，包括一第一真空腔、一第二真空腔、一真空閥門、一真空傳遞裝置、一聚焦離子束刻蝕裝置和一光路耦合裝置；所述第一真空腔和第二真空腔的腔體相連，通過真空閥門控制連通與隔絕；所述第一真空腔包括一第一窗口、一鍍有金屬膜的探針和一第一針尖臺；所述第二真空腔包括一第二窗口、一第二針尖臺、一樣品臺；所述聚焦離子束刻蝕裝置通過第一窗口與第一真空腔相連，光路耦合裝置通過第二窗口與第二真空腔相連；所述真空傳遞裝置用於在第一針尖臺和第二針尖臺之間傳遞探針。
2.根據權利要求1所述一種材料表面局部光譜測量裝置，其特徵在於，所述光路耦合裝置包括一真空光窗，一顯微物鏡、一平面鏡和一濾光片；所述真空光窗位於第二窗口的位置，平面鏡用於轉折光束，濾光片用於分開激發光和信號光。
3.根據權利要求1所述一種材料表面局部光譜測量裝置，其特徵在於，進一步所述探針為原子力顯微鏡探針，並與一原子力顯微鏡控制器相連。
4.根據權利要求1所述一種材料表面局部光譜測量裝置，其特徵在於，進一步包括一探針座，與所述探針相連，用於放置探針；所述探針包括一懸臂梁和一針尖；所述針尖位於懸臂梁的端部，並斜向前伸出。
5.根據權利要求1所述一種材料表面局部光譜測量裝置，其特徵在於，進一步包括一探針控制器和一樣品臺控制器，分別與探針和樣品臺相連，用於控制探針和樣品臺的平移。
6.一種採用如權利要求1所述的裝置進行材料表面局部光譜測量的方法，其特徵在於，包括如下步驟1)將待測樣品置於樣品臺上，且待測樣品的裸露表面面向第二窗口 ； 2)關閉真空閥，使得第一真空腔和第二真空腔隔絕；3)採用真空傳遞裝置將帶有探針的探針座插入至第一針尖臺；4)採用聚焦離子束刻蝕裝置去除探針的汙染物和氧化物；5) 採用聚焦離子束刻蝕裝置按照預先設計對探針刻蝕，形成天線結構；6)打開真空閥，使得第一真空腔和第二真空腔連通；7)採用真空傳遞裝置將帶有探針的探針座從第一針尖臺傳遞並插入至第二針尖臺；8)關閉真空閥，使得第一真空腔和第二真空腔隔絕；9)在第二真空腔內測量待測樣品的表面光譜。
7.根據權利要求6所述材料表面局部光譜測量的方法，其特徵在於，所述步驟2進一步包括如下步驟關閉真空閥，使得第一真空腔和第二真空腔隔絕；使用真空泵組抽取第一真空腔和第二真空腔內的氣體，使得第一真空腔和第二真空腔達到真空狀態，且第二真空腔的真空度大於第一真空腔的真空度。
8.根據權利要求7所述材料表面局部光譜測量的方法，其特徵在於，所述第一真空腔的真空狀態為高真空狀態，所述高真空狀態的範圍為1. 33X 10^1 X ΙΟ"6帕斯卡；所述第二真空腔的真空狀態為超高真空狀態，所述超高真空狀態的範圍為10-^10-1°帕斯卡。
9.根據權利要求6所述材料表面局部光譜測量的方法，其特徵在於，所述步驟9中測量待測樣品的表面光譜的步驟包括a)調整第二針尖臺和樣品臺的相對位置，使得待測樣品的裸露表面處於光路耦合裝置的焦平面，且探針位於待測樣品和真空光窗之間；b)調整並保持探針的針尖與待測樣品的間距；c)通過光路耦合裝置，將光源發出的光聚集到探針的針尖前端；d)通過光路耦合裝置收集待測樣品的裸露表面所發出的光，並傳遞至光譜儀採集近場光譜。
10.根據權利要求9所述材料表面局部光譜測量的方法，其特徵在於，所述探針的針尖與待測樣品的間距的範圍為Inm 10nm。
11.根據權利要求6所述材料表面局部光譜測量的方法，其特徵在於，所述天線結構的形狀為環形和領結形中任意一種。
全文摘要
本發明提供材料表面局部光譜測量裝置及測量方法，屬於半導體測試技術領域。裝置包括反應腔、光源和光譜儀，光源和光譜儀均與反應腔相連，反應腔又包括第一真空腔、第二真空腔、真空閥門、真空傳遞裝置、聚焦離子束刻蝕裝置和光路耦合裝置；其方法步驟為將待測樣品置於樣品臺上；關閉真空閥；將探針插入至第一針尖臺；去除探針的汙染物和氧化物；對探針刻蝕，形成天線結構；打開真空閥；將探針從第一針尖臺傳遞並插入至第二針尖臺；關閉真空閥；測量待測樣品的表面光譜。本發明解決了針尖在刻蝕加工和使用之間的傳遞過程中的表面的汙染和氧化，擴展了用於針尖鍍膜的金屬材料的選擇範圍。
文檔編號G01N21/25GK102519885SQ201110416229
公開日2012年6月27日 申請日期2011年12月14日 優先權日2011年12月14日
發明者劉爭暉, 周桃飛, 徐科, 徐耿釗, 曾雄輝, 樊英民, 王建峰, 邱永鑫, 鍾海艦 申請人:中國科學院蘇州納米技術與納米仿生研究所