CN102519885B - 材料表面局部光谱测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供材料表面局部光谱测量装置及测量方法，属于半导体测试技术领域。装置包括反应腔、光源和光谱仪，光源和光谱仪均与反应腔相连，反应腔又包括第一真空腔、第二真空腔、真空阀门、真空传递装置、聚焦离子束刻蚀装置和光路耦合装置；其方法步骤为：将待测样品置于样品台上；关闭真空阀；将探针插入至第一针尖台；去除探针的污染物和氧化物；对探针刻蚀，形成天线结构；打开真空阀；将探针从第一针尖台传递并插入至第二针尖台；关闭真空阀；测量待测样品的表面光谱。本发明解决了针尖在刻蚀加工和使用之间的传递过程中的表面的污染和氧化，扩展了用于针尖镀膜的金属材料的选择范围。

Description

材料表面局部光谱测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及材料测试技术领域，尤其涉及材料表面局部光谱测量技术领域。

背景技术

吸收、荧光和散射光谱是研究半导体材料内部载流子的跃迁、复合过程以及晶格运动模式的重要实验手段。而随着纳米技术的发展，人们感兴趣的材料和器件的尺度越来越小，对光谱实验手段空间分辨率的要求也越来越高。通过利用金属表面等离激元震荡的局域增强作用，将电磁场局域在针尖周围形成增强的近场光学信号，这些信号被显微物镜等光学系统收集，从而得到突破衍射极限的光学空间分辨率。这一领域的目标之一是达到10 nm数量级的高空间分辨率，而单纯依靠镀有金属膜的原子力显微镜探针难以达到这一目标。

实现这一目标的途径之一是在探针尖端附近构造金属纳米天线结构，这种结构由具有一定间隙的多块金属薄膜组成，利用其等离激元震荡的耦合和偶极天线效应等进一步提高针尖对电磁场的局域增强作用。目前在探针尖端构造这种纳米天线结构主要有两种方法。

第一种方法是将待测样品（如有机分子、纳米碳管等）置于金属衬底上，将针尖靠近衬底表面，二者之间间距在1nm数量级上，这时在垂直于样品表面的方向上有效的形成了两块金属中等离激元震荡相互耦合的纳米天线结构。但这种方式缺点在于：第一，衬底必须是金属；第二，待测样品必须非常薄，可以置于针尖和金属衬底之间很小的间隙内，例如一般的半导体样品不适合其用来研究；第三，由于天线震荡方向垂直于样品表面，因此只对附近电磁场中偏振方向垂直于样品表面方向的分量起到局域增强作用，限制了激发光使用的方向和偏振配置。

第二种方法则是在探针尖端所镀的金属薄膜上加工出纳米结构，如环形沟槽或者领结形结构，利用其形成的横向天线结构增强近场局域效应以提高空间分辨率，能够克服上述第一种方法中的缺点。而这种方法的核心在于如何在探针尖端加工出这种横向的纳米天线结构，目前聚焦离子束刻蚀（Focus Ion Beam, 以下简称FIB）是它的理想方法。但目前使用FIB加工探针和利用加工好的探针进行近场光谱测量分散在不同系统中，从加工到使用间不可避免的要暴露在大气环境中，表面的污染和氧化会使得加工的尖端具有纳米天线结构的探针性能会偏离预期或者不能使用。这使得针尖镀膜所用金属材料的种类受到很大限制，只能是金这类性质非常稳定的金属材料。金的表面等离激元增强的波段在红光范围，对于其它波段，例如蓝绿光波段所用的银，紫外波段所用的铝等化学性质不够稳定的金属来说，就会存在上面提到的问题。因此，对于半导体等非金属样品来讲，对其进行高空间分辨的光谱测量，需要能够在同一真空系统中完成尖端具有金属纳米天线结构的探针制备并用于针尖增强近场光学的测量。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供材料表面局部光谱测量装置及测量方法。

为了解决上述问题，本发明提供了一种材料表面局部光谱测量装置，包括一反应腔、一光源和一光谱仪；光源和光谱仪均与反应腔相连；反应腔是真空系统，包括一第一真空腔、一第二真空腔、一真空阀门、一真空传递装置、一聚焦离子束刻蚀装置和一光路耦合装置；第一真空腔和第二真空腔的腔体相连，通过真空阀门控制连通与隔绝；第一真空腔包括一第一窗口、一镀有金属膜的探针和一第一针尖台；第二真空腔包括一第二窗口、一第二针尖台、一样品台；聚焦离子束刻蚀装置通过第一窗口与第一真空腔相连，光路耦合装置通过第二窗口与第二真空腔相连；真空传递装置用于在第一针尖台和第二针尖台之间传递探针。

光路耦合装置包括一真空光窗，一显微物镜、一平面镜和一滤光片；真空光窗位于第二窗口的位置，平面镜用于转折光束，滤光片用于分开激发光和信号光。

进一步的，探针为原子力显微镜探针，并与一原子力显微镜控制器相连。

探针包括一悬臂梁和一针尖；针尖位于悬臂梁的端部，并斜向前伸出。

材料表面局部光谱测量装置进一步包括一探针控制器和一样品台控制器，分别与探针和样品台相连，用于控制探针和样品台的平移。

为了解决上述问题，本发明还提供了一种采用上述装置进行材料表面局部光谱测量的方法，包括以下步骤：1)将待测样品置于样品台上，且待测样品的裸露表面面向第二窗口；2)关闭真空阀，使得第一真空腔和第二真空腔隔绝；3)采用真空传递装置将带有探针的探针座插入至第一针尖台；4)采用聚焦离子束刻蚀装置去除探针的污染物和氧化物；5)采用聚焦离子束刻蚀装置按照预先设计对探针刻蚀，形成天线结构；6)打开真空阀，使得第一真空腔和第二真空腔连通；7)采用真空传递装置将带有探针的探针座从第一针尖台传递并插入至第二针尖台；8) 关闭真空阀，使得第一真空腔和第二真空腔隔绝；9) 在第二真空腔内测量待测样品的表面光谱。

步骤2进一步包括如下步骤：关闭真空阀，使得第一真空腔和第二真空腔隔绝；使用真空泵组抽取第一真空腔和第二真空腔内的空气，使得第一真空腔和第二真空腔达到真空状态，且第二真空腔的真空度大于第一真空腔的真空度。

第一真空腔的真空状态为高真空状态，所述高真空状态的范围为1.33×10^-1~1×10^-6帕斯卡；所述第二真空腔的真空状态为超高真空状态，所述超高真空状态的范围为10^-6~10^-10帕斯卡。

步骤9中测量待测样品的表面光谱的步骤包括：a)调整第二针尖台和样品台的相对位置，使得待测样品的裸露表面处于光路耦合装置的焦平面，且探针位于待测样品和真空光窗之间；b)调整并保持探针的针尖与待测样品的间距；c)通过光路耦合装置，将光源发出的光聚集到探针的针尖前端；d)通过光路耦合装置收集待测样品的裸露表面所发出的光，并传递至光谱仪采集近场光谱。

其中，探针的针尖与待测样品的间距的范围为1nm～10nm。

其中，天线结构的形状为环形和领结形中任意一种。

本发明的优点在于，聚焦离子束刻蚀的装置与使用加工好的探针进行局域光谱探测的装置位于同一真空系统中，避免了针尖在刻蚀加工和使用之间的传递过程中的表面的污染和氧化，扩展了用于针尖镀膜的金属材料的选择范围而不仅限于化学性质稳定的金、铂等，以在不同的光波波段实现高空间分辨的局域光谱的测量。

附图说明

图1是本发明提供的材料表面局部光谱测量装置实施例一组成结构示意图；

图2A是本发明提供的材料表面局部光谱测量装置实施例一中具有环形天线结构的探针的针尖剖面图；

图2B是本发明提供的材料表面局部光谱测量装置实施例一中具有环形天线结构的探针的针尖俯视图；

图2C是本发明提供的材料表面局部光谱测量装置实施例一中具有领结形天线结构的探针的针尖剖面图；

图2D是本发明提供的材料表面局部光谱测量装置实施例一中具有领结形天线结构的探针的针尖俯视图；

图3是本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二步骤流程图；

图4A～4I是本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二测量步骤图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的材料表面局部光谱测量装置及测量方法的具体实施方式做详细说明。

实施例一

图1所示为本发明提供的一种材料表面局部光谱测量装置的结构示意图。该结构包括：一反应腔、一光源111和一光谱仪110；光源111和光谱仪110均与反应腔相连；反应腔是真空系统，包括一第一真空腔100a、一第二真空腔100b、一真空阀门105、一真空传递装置102、一聚焦离子束刻蚀装置104和一光路耦合装置114；第一真空腔100a和第二真空腔100b的腔体相连，通过真空阀门105控制连通与隔绝；第一真空腔100a包括一第一窗口、一镀有金属膜的原子力显微镜探针103和一第一针尖台101；第二真空腔100b包括一第二窗口、一第二针尖台108、一样品台106；聚焦离子束刻蚀装置104通过第一窗口与第一真空腔100a相连，光路耦合装置114通过第二窗口与第二真空腔100b相连；真空传递装置102用于在第一针尖台101和第二针尖台108之间传递原子力显微镜探针103。

第一针尖台101位于聚焦离子束刻蚀装置104的微束聚焦处，以放置原子力显微镜探针103并在原子力显微镜探针103尖端加工天线结构；样品台106用于放置待测样品107；第二针尖台108用于放置加工好天线结构的原子力显微镜探针103并使原子力显微镜探针103位于待测样品107表面；真空传递装置102用于在第一针尖台101和第二针尖台108之间传递原子力显微镜探针103；光源111发出的光通过光路耦合装置114聚焦于待测样品107表面的原子力显微镜探针103的针尖处，待测样品107发出的光通过光路耦合系统114传导至光谱仪110。聚焦离子束刻蚀装置104，与聚焦离子束控制器相连控制刻蚀的位置，使用镓金属离子束。

原子力显微镜探针103包括一悬臂梁以及设置在悬臂梁端部的针尖，针尖并斜向前伸出。当原子力显微镜探针103进行测量待测样品107局部光谱时候，原子力显微镜探针103的针尖在样品台106表面垂直投影点的位置在悬臂梁在样品台106表面垂直投影面的范围之外。这样是为了避免原子力显微镜探针103的针尖对光路的遮挡，故采用此原子力显微镜探针103的针尖位于悬梁臂最前端并斜向前伸出的探针结构。本具体实施方式进一步采用镀有金属膜的原子力显微镜探针作为原子力显微镜探针103，并与一原子力显微镜控制装置连接，近场光谱的空间分布可以与原子力显微镜探针扫描得到的表面三维形貌信息相对应，以获知表面电子态与天线结构之间的对应关系，解决半导体纳米材料和器件测量中的关键技术问题表面附近载流子的跃迁、复合过程以及晶格晶格振动模式与天线结构之间的关系。

光路耦合系统114包括置于第二真空腔100b的第二窗口上的真空光窗109、第二真空腔体100b的腔体外长工作距离显微物镜115、用于转折光束的平面镜112以及用于分开激发光和信号光的滤光片113。

本装置可进一步包括一探针控制器和一样品台控制器，分别用于控制原子力显微镜探针103和样品台106的平移。

图2A为本发明提供的材料表面局部光谱测量装置实施例一中具有环形天线结构的原子力显微镜探针103的针尖剖面图，图2B为本发明提供的材料表面局部光谱测量装置实施例一中具有环形天线结构的原子力显微镜探针103的针尖俯视图。原子力显微镜探针103的针尖表面的金属膜201具有环形沟槽的天线结构。

作为可选实施方式，环形沟槽的内环直径范围为50nm～100nm，刻蚀宽度约为10nm，刻蚀深度为金属膜201的厚度，即刻透金属膜201。

图2C为本发明提供的材料表面局部光谱测量装置实施例一中具有领结形天线结构的原子力显微镜探针103的针尖剖面图，图2D为本发明提供的材料表面局部光谱测量装置实施例一中具有领结形天线结构的原子力显微镜探针103的针尖俯视图。原子力显微镜探针103的针尖表面的金属膜201具有领结形沟槽的天线结构。

作为可选实施方式，刻蚀深度为金属膜201的厚度，即刻透金属膜201。

实施例二

图3所示为本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二步骤流程图。

步骤301，将待测样品置于样品台上，且待测样品的裸露表面面向真空光窗；

步骤302，关闭真空阀，使得第一真空腔和第二真空腔隔绝；

步骤303，采用真空传递装置将带有探针的探针座插入至第一针尖台；

步骤304，采用聚焦离子束刻蚀装置去除探针的污染物和氧化物；

步骤305，采用聚焦离子束刻蚀装置按照设计对探针刻蚀，形成天线结构；

步骤306，打开真空阀，使得第一真空腔和第二真空腔连通；

步骤307，采用真空传递装置将带有探针的探针座从第一针尖台传递并插入至第二针尖台；

步骤308，关闭真空阀，使得第一真空腔和第二真空腔隔绝；

步骤309，在第二真空腔内测量待测样品的表面光谱。

图4A~图4I所示为本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二测量步骤图。

图4A所示为本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二步骤301，将待测样品107置于样品台106上，且待测样品107表面面向第二真空腔100b的真空光窗109。

同时，将装有镀金属膜的原子力显微镜探针103的探针座置于真空传递装置上并夹紧探针座，此时真空传递装置102位于第一真空腔100a内。

图4B所示为本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二步骤302，关闭真空阀105，使得第一真空腔100a和第二真空腔100b隔绝。关闭连接第一真空腔100a和第二真空腔100b之间的真空阀门105，通过真空泵组抽取其中气体，使其中第一真空腔100a达到高真空状态，第二真空腔100b达到超高真空状态，以避免在进行刻蚀的时候污染样品台106附近的真空环境。其中所述高真空状态的范围为 1.33×10^-1~1×10^-6 帕斯卡(Pa)，所述超高真空的范围为 10^-6~10^-10帕斯卡(Pa)。

图4C所示为本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二步骤303，采用真空传递装置102将带有原子力显微镜探针103的探针座插入至第一针尖台101。移动第一针尖台101，使之对准真空传递装置102，将装有镀金属膜的原子力显微镜探针103的探针座插入第一针尖台101并使针尖朝向聚焦离子束方向移动，然后松开真空传递装置102释放探针座，将真空传递装置102撤回原位。

图4D所示为本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二步骤304，采用聚焦离子束刻蚀装置104去除原子力显微镜探针103的污染物和氧化物。移动第一针尖台101使原子力显微镜探针103的针尖正对聚焦离子束，在聚焦离子束的小束流下将原子力显微镜探针103的针尖附近所镀金属膜的表面快速全部轰击一遍，以去除污染物和金属氧化层，小束流的范围为1pA~10 pA。

图4E所示为本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二步骤305，采用聚焦离子束刻蚀装置104按照设计对原子力显微镜探针103刻蚀，形成天线结构。在聚焦离子束控制器控制下，仍用聚焦离子束的小束流按照设计的图形在原子力显微镜探针103的尖端刻蚀天线结构。作为可选的实施方式，设计的图形为环形、领结形中任意一种。

天线结构刻蚀完毕后，再次移动第一针尖台101使之对准真空传递装置102，用真空传递装置102夹持针尖座并从第一针尖台101上抽出。

图4F所示为本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二步骤306，打开真空阀门，使得第一真空腔100a和第二真空腔100b连通。打开真空阀，方便真空传递装置在第一真空腔100a和第二真空腔100b之间传递原子力显微镜探针103。

图4G所示为本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二步骤307，采用真空传递装置102将带有原子力显微镜探针103的探针座从第一针尖台101传递并插入至第二针尖台108。移动第一针尖台101、样品台106让出真空传递装置102传递原子力显微镜探针103的通道；移动第二针尖台108，使之对准真空传递装置102；旋转真空传递装置102，使原子力显微镜探针103的尖端朝向待测样品107的裸露表面，背对光路耦合装置114；将针尖座插入第二针尖台108；松开真空传递装置102，释放针尖座，然后撤回真空传递装置102至原位。

图4H所示为本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二步骤308，关闭真空阀，使得第一真空腔100a和第二真空腔100b隔绝。关闭连接第一真空腔100a和第二真空腔100b之间的真空阀门105，以避免在进行测量光谱时候污染样品台106附近的真空环境。

图4I所示为本发明提供的材料表面局部光谱测量方法实施例二步骤309，在第二真空腔内测量待测样品107的表面光谱。该步骤可以进一步包括：

移动第二针尖台108和样品台106，使待测样品107表面位于光路耦合装置114的显微物镜115的焦平面，原子力显微镜探针113位于待测样品107和真空光窗109之间；

移动第二针尖台108使原子力显微镜探针103的尖端靠近样品表面，并在原子力显微镜控制器的控制下，使针尖和待测样品107间保持一定距离，距离范围为1nm~10 nm；

通过光路耦合装置114，将光源111发出的光聚焦到原子力显微镜探针103的针尖前端；

通过光路耦合装置114收集待测样品107表面所发出的光散射光谱、吸收光谱或者荧光光谱，并传递到光谱仪110从而采集近场光谱；

如要获得待测样品107裸露表面其他局部的近场光谱，需保持激发光焦点和原子力显微镜探针103的针尖相对位置固定，通过平移样品台106改变原子力显微镜探针103在待测样品107表面的位置，重复上述测量光谱步骤，从而获得近场光散射光谱、吸收光谱或者荧光光谱的位置分布图。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (11)

1.一种材料表面局部光谱测量装置，其特征在于，包括一反应腔、一光源和一光谱仪；所述光源和光谱仪均与反应腔相连；所述反应腔是真空系统，包括一第一真空腔、一第二真空腔、一真空阀门、一真空传递装置、一聚焦离子束刻蚀装置和一光路耦合装置；所述第一真空腔和第二真空腔的腔体相连，通过真空阀门控制连通与隔绝；所述第一真空腔包括一第一窗口、一镀有金属膜的探针和一第一针尖台；所述第二真空腔包括一第二窗口、一第二针尖台、一样品台；所述聚焦离子束刻蚀装置通过第一窗口与第一真空腔相连，光路耦合装置通过第二窗口与第二真空腔相连；所述真空传递装置用于在第一针尖台和第二针尖台之间传递探针。

2.根据权利要求1所述一种材料表面局部光谱测量装置，其特征在于，所述光路耦合装置包括一真空光窗，一显微物镜、一平面镜和一滤光片；所述真空光窗位于第二窗口的位置，平面镜用于转折光束，滤光片用于分开激发光和信号光。

3.根据权利要求1所述一种材料表面局部光谱测量装置，其特征在于，进一步所述探针为原子力显微镜探针，并与一原子力显微镜控制器相连。

4.根据权利要求1所述一种材料表面局部光谱测量装置，其特征在于，进一步包括一探针座，与所述探针相连，用于放置探针；所述探针包括一悬臂梁和一针尖；所述针尖位于悬臂梁的端部，并斜向前伸出。

5.根据权利要求1所述一种材料表面局部光谱测量装置，其特征在于，进一步包括一探针控制器和一样品台控制器，分别与探针和样品台相连，用于控制探针和样品台的平移。

6.一种采用如权利要求1所述的装置进行材料表面局部光谱测量的方法，其特征在于，包括如下步骤： 1)将待测样品置于样品台上，且待测样品的裸露表面面向第二窗口； 2)关闭真空阀，使得第一真空腔和第二真空腔隔绝； 3)采用真空传递装置将带有探针的探针座插入至第一针尖台； 4)采用聚焦离子束刻蚀装置去除探针的污染物和氧化物； 5)采用聚焦离子束刻蚀装置按照预先设计对探针刻蚀，形成天线结构； 6)打开真空阀，使得第一真空腔和第二真空腔连通； 7)采用真空传递装置将带有探针的探针座从第一针尖台传递并插入至第二针尖台； 8)关闭真空阀，使得第一真空腔和第二真空腔隔绝； 9)在第二真空腔内测量待测样品的表面光谱。

7.根据权利要求6所述材料表面局部光谱测量的方法，其特征在于，所述步骤2进一步包括如下步骤： 关闭真空阀，使得第一真空腔和第二真空腔隔绝； 使用真空泵组抽取第一真空腔和第二真空腔内的气体，使得第一真空腔和第二真空腔达到真空状态，且第二真空腔的真空度大于第一真空腔的真空度。

8.根据权利要求7所述材料表面局部光谱测量的方法，其特征在于，所述第一真空腔的真空状态为高真空状态，所述高真空状态的范围为1.33×10^-1~1×10^-6帕斯卡；所述第二真空腔的真空状态为超高真空状态，所述超高真空状态的范围为10^-6~10^-10帕斯卡。

9.根据权利要求6所述材料表面局部光谱测量的方法，其特征在于，所述步骤9中测量待测样品的表面光谱的步骤包括： a)调整第二针尖台和样品台的相对位置，使得待测样品的裸露表面处于光路耦合装置的焦平面，且探针位于待测样品和真空光窗之间； b)调整并保持探针的针尖与待测样品的间距； c)通过光路耦合装置，将光源发出的光聚集到探针的针尖前端； d)通过光路耦合装置收集待测样品的裸露表面所发出的光，并传递至光谱仪采集近场光谱。

10.根据权利要求9所述材料表面局部光谱测量的方法，其特征在于，所述探针的针尖与待测样品的间距的范围为1nm～10nm。

11.根据权利要求6所述材料表面局部光谱测量的方法，其特征在于，所述天线结构的形状为环形和领结形中任意一种。

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