CN107884599B - 扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扫描探针‑椭圆偏振多功能耦合原位测量装置，包括XY微动扫描器、扫描探针显微测量机构和椭圆偏振光测量机构。待测样品支架、Z轴压电微动扫描器、XY微动扫描器与XYZ粗动扫描器沿Z轴串联且与扫描探针测量机构刚性连接在基座上。扫描探针的针尖在椭圆偏振光测量机构的入射光与反射光的交点上，且扫描探针与Z轴形成的YZ平面垂直于椭圆偏振光测量机构的入射光与反射光所在XZ平面；本发明的有益效果是：可以原位、同步、实时测量工作样品的宏观光学厚度和微观几何量信息。操作方便，测试准确形象，测量表征效率高。

Description

扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置

技术领域

本发明涉及一种薄膜材料宏观性能与微观结构的原位测试技术领域，特别涉及一种用于原位探测的扫描探针显微测量-椭圆偏振光测量多功能耦合检测装置。

背景技术

作为先进制造技术的一个重要分支的薄膜材料研究，薄膜材料特征参数的表征与检测方法是其关键基础。扫描探针显微测量(Scanning Probe Microscope,SPM)，是一种对物质表面微观结构及性质测量的分析方法。这种显微方法具有分辨率高、成本低、消耗低、工作范围宽等一系列优点；可得到高分辨率物体表面的三维形貌；可以进行连续动态分析；缺点是仅能进行微观局部分析；椭圆偏振光测量仪(Ellipsometer)测量，是一种通过测定样品表面入射光和反射光前后偏振态的变化(振幅比和相位差)，从而获得待测样品的信息的光学测量方法。而随着器件结构的复杂化，需要测量的未知量不断增加，使得传统椭圆偏振光测量仪对于薄膜的膜厚测量及形貌特征等都表现出一定的局限性。

近年来，随着薄膜材料的不断发展，单纯的原子力显微测量和椭圆偏振光测量已无法满足原位、微观与宏观、多功能耦合同时测量的需求。本发明为了满足原位光电多功能耦合的宏观性能与微观测试需要，提出一种将扫描探针显微测量与椭圆偏振光测量相结合的检测装置，拓展现有测量的测量表征功能和应用范围、提高检测与表征的效率，将对薄膜材料的研究发展起到很好的促进作用。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能满足科研人员对样品进行原位、同步、实时宏观性能测试和微观结构表征相结合要求的基于原位探测的扫描探针显微测量-椭圆偏振光测量多功能耦合检测装置。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：一种扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置，包括设置在C型基座上的待测样品支架、XY微动扫描器、扫描探针显微测量机构和椭圆偏振光测量机构。

所述扫描探针显微测量机构包括：由上至下依次连接的CCD检测仪、螺旋测微仪、Z轴压电微动扫描器和带有夹持架的扫描探针，还包括同轴照明观察机构和外接照明光源；所述椭圆偏振光测量机构包括：椭圆偏振光光源、起偏器、检偏器、光电探测器和XYZ粗动扫描器，所述扫描探针的针尖在椭圆偏振光测量机构的入射光与反射光的交点上，且扫描探针与Z轴形成的YZ平面垂直于椭圆偏振光测量机构的入射光与反射光所在XZ平面；所述XYZ粗动扫描器与扫描探针测量机构刚性连接在基座上，待测样品支架、XY微动扫描器与XYZ粗动扫描器沿Z轴串联。

所述Z轴压电微动扫描器电连接微动扫描器驱动器，所述扫描探针电连接扫描探针驱动控制器和探针信号前置放大器。

所述待测样品支架与XY微动扫描器通过磁力或空气负压连接，XY微动扫描器与XYZ粗动扫描器通过螺钉连接固定。

所述同轴照明观察机构包括光准直镜、反射镜和半透半反镜。

所述XY微动扫描器为二维压电陶瓷机构；XYZ粗动扫描器为步进电机丝杠螺母机构。

所述扫描探针显微测量机构和椭圆偏振光测量机构的扫描点的坐标和轨迹相同，形成原位测量。

所述扫描探针显微机构在测量时，椭圆偏振光测量机构入射光斑的中心接触或非接触被测表面。

本发明的有益效果是：本检测装置将椭圆偏振光测量机构与扫描探针显微测量机构有机结合在一起，可以原位、同步、实时测量工作样品的宏观光学信息(如折射率及吸收系数等)及厚度和微观几何量信息(如表面形貌及粗糙度等微观信息)。与其他离线测试的装置相比，原位探测的扫描探针显微测量-椭圆偏振光测量多功能耦合检测装置操作方便，测试结果更准确形象，可以原位、同步、实时测量样品的宏观性能和微观结构信息，既解决了两种仪器分别测量不能保证是统一测量区域的非原位测量问题，同时将需要几小时、几天的测量时间缩短到几分钟，提高了测量表征效率。

附图说明

图1是本发明扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置的正视整体框图示意图；

图2是图1的扫描探针显微测量机构的侧视逻辑框图示意图，

图3是本发明扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置的各部分机构的侧视相对位置示意图；

图4是扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量方法流程图。

其中：

101：CCD检测仪

102：同轴照明观察机构

1021：光准直镜 1022：反射镜 1023：半透半反镜

103：Z轴压电微动扫描器

104：扫描探针及夹持架

105：微动扫描器驱动器

106：扫描探针驱动控制器

107：探针信号前置放大器

108：螺旋测微仪

109：外接照明光源

201：椭圆偏振光光源

202：起偏器

203：检偏器

204：光电探测器

205：XYZ粗动扫描器

1：扫描探针显微测量机构

2：椭圆偏振光测量机构

3：样品支架

4：XY微动扫描器

5：基座

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释以本发明，而非对本分明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

本发明提供了一种扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置的技术方案。如图1、图2及图3所示，用于原位、同步、实时测量工作样品的宏观光学信息及厚度和微观几何量信息，即如表面形貌及粗糙度等微观信息，包括：扫描探针显微测量机构1，用于获取待测样品的微观形貌，即(Z)ij；XY微动扫描机构4，用于获得XY平面内扫描点位置信息，即(X、Y)ij，共同构成(X、Y、Z)ij，i、j为XY平面内扫描点序号；椭圆偏振光测量机构2，用于获取样品的逐点光学和材料特性(Ψ、Δ)ij。

待测样品支架3、XY微动扫描器4、XYZ粗动扫描器205沿Z轴串联，待测样品支架3与XY微动扫描器4通过磁力或空气负压连接，XY微动扫描器4与XYZ粗动扫描器205通过螺钉连接固定；XY微动扫描器4为二维压电陶瓷机构；XYZ粗动扫描器205为步进电机丝杠螺母机构，不仅提供水平面内的椭圆偏振测量光斑的大范围扫描和与扫描探针测量机构1共同测量区域的粗动扫描，还提供离面的Z轴方向的探针与样品间距的粗动位置调整；Z轴压电扫描器103完成Z轴方向的微动扫描跟踪；椭圆偏振光测量机构2、XYZ粗动扫描器205与扫描探针测量机构1通过机械结构刚性连接在检测装置的基座5上；探针的针尖在椭圆偏振光测量机构2的入射光与反射光的交点上，且探针与Z轴形成的YZ平面垂直于椭圆偏振光测量机构的入射光与反射光所在XZ平面。

扫描探针显微测量机构1包括：螺旋测微仪108，Z轴压电微动扫描器103，微动扫描器驱动器105，扫描探针及夹持架104，扫描探针驱动控制器106，探针信号前置放大器107；XYZ粗动扫描器205的Z轴粗动扫描机构及螺旋测微仪108分别用于电动和手动方式的扫描探针显微测量机构1的探针与样品表面间距的调整，并将探针设置在椭圆偏振光测量机构2入射到样品上的激光光斑中心位置；螺旋测微仪108还用于完成扫描探针显微测量后将探针沿Z轴移出激光光斑后，椭圆偏振光测量机构2进行光学参数和膜厚的测量；Z轴压电微动扫描器103分别与螺旋测微仪108和扫描探针夹持架104连接，扫描探针驱动控制器106和探针信号前置放大器107分别用于提供探针的激励信号和被样品表面形貌调制的激励信号的检测与前置放大。

同轴照明观察机构102，用于观测扫描探针显微测量机构1的探针与待测样品的相对位置，并提供视场照明。外接光源109发出一束白光经过光准直镜1021准直再经过反射镜1022反射到半透半反镜1023后入射到样品表面照明观察视场，样品与探针的图像经过半透半反镜1023反射到CCD检测仪101上成像。

本发明的用于原位探测的扫描探针显微测量-椭圆偏振光测量多功能耦合检测装置的工作原理是：

利用置于扫描探针显微测量机构探针的正上方的同轴照明观察机构中的外接光源109发出一束白光经过光准直镜1021准直再经过反射镜1022反射到半透半反镜1023后入射到样品表面照明观察视场，样品与探针的图像经过半透半反镜1023反射到CCD检测仪101上成像，根据所成的像通过XYZ粗动扫描器205的Z轴粗动扫描机构及螺旋测微仪108分别以电动和手动方式调整扫描探针显微测量机构1的探针与样品表面间距，并将探针设置在椭圆偏振光测量机构2的样品台的激光入射光点中心位置，记录该点为测量原点；

以测量原点为基准，通过控制XY粗微动扫描平台在水平面内移动一定的相对XY坐标即扫描区域，扫描探针驱动控制器106和前置放大器107分别提供探针的激励信号和被样品表面形貌调制的激励信号的检测与前置放大，从而进行被测样品微观形貌的扫描探针显微测量机构测量，并记录扫描轨迹；

沿Z轴方向通过Z轴的粗动和微动扫描器，将扫描探针显微测量机构1的探针移出椭圆偏振光测量机构2的入射光斑范围，并依据扫描轨迹，将XY微动扫描器4恢复到测量原点位置；

根据上述扫描区域及扫描轨迹，椭圆偏振光测量机构2通过激光光源201发射出的非偏振光经过起偏器202后变为线偏振光，调节起偏器202改变光束的偏振方向，线偏振光经过λ/4波片后变为椭圆偏振光，椭圆偏振光通过照射在薄膜样品上后偏振态的改变，利用检偏器203测量其反射光的偏振状态(幅值和相位)来获得所述扫描区域获取样品的逐点光学和材料特性；

这样，每一个扫描点实际上包含了(Ψ、Δ、X、Y、Z)ij，i为扫描点序号，既包括了光学信息(Ψ、Δ)ij，又包含了表面形貌信息(X、Y、Z)ij。

扫描探针显微测量和椭圆偏振光测量扫描点的坐标和轨迹相同，形成原位测量；扫描探针显微测量机构1在测量时，其探针在椭圆偏振光测量入射光点的中心且测量时要接触或非接触被测表面，非接触测量时，扫描探针与样品测量表面的间距小于20nm，虽不能同时进行椭圆偏振光的测量，但采用光谱型椭圆偏振光测量时间短(秒级)、扫描探针显微测量时间(分级)，可以近似认为是同时测量。

通过上述实施例可知，通过本发明在系统上的创新设计，可以原位、同步、实时测试薄膜材料宏观光学特性参数及厚度信息和微观几何量信息，更能准确分析微观结构对光学信息的对应关系和调制作用，能直接解释薄膜材料的微观结构变化所引起的薄膜光学特性的变化。

本发明提供了一种扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量方法。如图4所示，具体实施步骤如下：

利用置于扫描探针显微测量机构1的探针正上方的同轴照明观察机构102和成像CCD检测仪101通过XYZ粗动扫描器205的Z轴离面粗动扫描和Z轴压电微动扫描器103，使扫描探针显微测量机构1的探针接近样品表面，并设置在椭圆偏振光测量测量机构2的入射样品上激光光斑中心位置，记录该点为测量原点；以测量原点为基准，通过控制XY微动扫描器在水平面内移动一定的相对XY坐标即扫描区域，进行被测样品微观形貌的扫描探针显微测量，并记录扫描轨迹；依据扫描轨迹，将XY微动扫描器回复到测量原点位置，然后沿Z轴方向将扫描探针显微测量机构移出椭圆偏振光测量机构的入射光斑范围；椭圆偏振光测量根据上述扫描区域及扫描轨迹，获得所述扫描区域获取样品的逐点光学和材料特性。这样，每一个扫描点实际上包含了(Ψ、Δ、X、Y、Z)ij，i为扫描点序号，既包括了光学信息(Ψ、Δ)ij，又包含了表面形貌信息(X、Y、Z)ij。

上述实施例，扫描探针显微测量机构1的Z轴离面粗动由椭圆偏振光测量机构2的XYZ粗动扫描器205提供，Z轴的微动扫描跟踪由固定在螺旋测微仪108上的Z轴压电微动扫描器103提供；XY微动扫描由兼做样品台的XY微动扫描器4提供，利用空气负压或磁性将样品固定在样品台支架上3，样品台支架与XY微动扫描器连接在一起；XY微动扫描器4与椭圆偏振光测量机构2的XYZ粗动扫描器205固接在一起，并由XYZ粗动扫描器205提供扫描探针显微测量机构1的粗动扫描；扫描探针显微测量机构1及其中的同轴照明观察机构102与椭圆偏振光测量机构2通过基座5固接在一起。在温度压强一定的情况下，基于原位探测的扫描探针显微测量-椭圆偏振光测量多功能耦合检测方法测量样品，可以在同一测量条件下，得到原位、同步、实时样品器件的宏观光学性能和厚度信息以及微观结构信息。

对比分析：分别使用扫描探针显微镜和椭圆偏振光测量仪测试其微观结构和宏观光学性能，得到的是非相同测量条件、非同一测量区域、非同时测量的各自独立的微观结构和光学性能参数及厚度，测试结果不能说明样品的微观结构与宏观光学参数之间的对应或调制关系。

通过上述实施例和对比例可知，通过本发明在系统上的创新设计，可以原位、同步、实时测试薄膜材料宏观光学特性参数及厚度信息和微观结构信息，更能准确分析微观结构对光学信息的对应关系和调制作用，能直接解释薄膜材料的微观结构变化所引起的薄膜光学特性的变化。

需要指出的是，上述说明及实施例虽然对本发明做了比较详细的文字描述，但这些描述只是对本发明设计思路的简单描述，而不是对本发明思路的限制。任何不超过本发明设计思路的组合，增加或修改，均落入本发明的保护范围内。

Claims (7)

1.一种扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置，其特征是，包括设置在C型基座(5)上的待测样品支架(3)、XY微动扫描器(4)、扫描探针显微测量机构(1)和椭圆偏振光测量机构(2)，所述扫描探针显微测量机构(1)包括：由上至下依次联接的CCD检测仪(101)、螺旋测微仪(108)、Z轴压电微动扫描器(103)和带有夹持架的扫描探针(104)，还包括同轴照明观察机构(102)和外接照明光源(109)；所述椭圆偏振光测量机构(2)包括：椭圆偏振光光源(201)、起偏器(202)、检偏器(203)、光电探测器(204)和XYZ粗动扫描器(205)，所述扫描探针(104)的针尖在椭圆偏振光测量机构的入射光与反射光的交点上，且扫描探针(104)与Z轴形成的YZ平面垂直于椭圆偏振光测量机构的入射光与反射光所在XZ平面；所述XYZ粗动扫描器(205)与扫描探针显微测量机构刚性连接在基座(5)上，待测样品支架(3)、XY微动扫描器(4)与XYZ粗动扫描器(205)沿Z轴串联。

2.根据权利要求1所述的扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置，其特征是：所述扫描探针显微测量机构(1)和椭圆偏振光测量机构(2)的扫描点的坐标和轨迹相同，形成原位测量。

3.根据权利要求2所述的扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置，其特征是：所述扫描探针显微测量机构(1)在测量时，椭圆偏振光测量机构(2)入射光斑的中心接触或非接触被测表面。

4.根据权利要求1所述的扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置，其特征是：所述Z轴压电微动扫描器(103)电连接微动扫描器驱动器(105)，所述扫描探针(104)电连接扫描探针驱动控制器(106)和探针信号前置放大器(107)。

5.根据权利要求1所述的扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置，其特征是：所述待测样品支架(3)与XY微动扫描器(4)通过磁力或空气负压连接，XY微动扫描器(4)与XYZ粗动扫描器(205)通过螺钉连接固定。

6.根据权利要求1所述的扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置，其特征是：所述同轴照明观察机构(102)包括光准直镜(1021)、反射镜(1022)和半透半反镜(1023)。

7.根据权利要求1所述的扫描探针-椭圆偏振多功能耦合原位测量装置，其特征是，所述XY微动扫描器(4)为二维压电陶瓷机构；XYZ粗动扫描器(205)为步进电机丝杠螺母机构。

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