CN108956664B - 一种高透射率的原子束显微装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及对材料的显微技术领域，一种高透射率的原子束显微装置，包括储气罐、气管、由腔体I和腔体II连接成的真空腔体、喷射头、分流器、气体透射窗片、原子衍射片、第一阶菲涅尔环带透射区域上的通孔、第二阶菲涅尔环带透射区域上的通孔、探测器I、样品、样品台、计算机、探测器II、抽气口I、真空泵组I、抽气口II、真空泵组II，探测器I和探测器II分别探测被样品表面反射的原子，并以差分对模式工作，本发明采用具有通孔的原子衍射片，原子衍射片易于加工，且通孔按照相应的菲涅尔区有序排列，增加了一定原子束流横截面积上的通孔总面积，提高了原子束流的透射率，能够得到锐利的聚焦束斑，并能够抑制更高阶的衍射，增加了装置的信噪比。
Description
技术领域
本发明涉及对材料的显微技术领域，尤其是一种具有特殊设计的原子衍射片的一种高透射率的原子束显微装置。
背景技术
在显微技术领域，现有电子显微镜只能对导电样品进行成像，且其工作时发射出的电子束的能量较高，会使某些较为敏感的样品表面受到辐射损伤。原子束显微镜能够克服以上缺陷，对易损或绝缘样品进行成像，其通常采用惰性气体原子作为发射原子，惰性气体原子束能量很低，且化学性质非常稳定，这些因素使原子束显微镜能够非破坏性地得到样品表面图像。原子束显微镜的工作原理是：在高真空中，自由原子流通过喷嘴和孔径形成一束气体原子束射向样品表面，同时令样品或孔径在二维平面内扫描，采用质量过滤探测器探测被样品表面反射的原子，并根据气体分压输出图像密度信号。
现有技术存在的缺陷是在原子束显微镜的一种工作方式中，采用菲涅尔波带片将原子以德布罗意物质波的形式聚焦，终极的分辨率由菲涅尔区最外侧的波带的波长所决定，由于原子束流的能量较低，原子不会穿透固态材料，因此菲涅尔波带片上用于透射原子的环必须采用无支撑的结构，这在加工上具有较大难度，另外，某些采用通孔结构的原子衍射片的通孔是随机分布的，其缺点是限制了一定原子束流横截面积上的通孔数量，限制了原子透射率，且原子束聚焦效果不够好，束斑会受到高阶的衍射的干涉，所述一种高透射率的原子束显微装置能够解决问题。
发明内容
为了解决上述问题，本发明一种高透射率的原子束显微装置具有特殊的原子聚焦结构，优点是原子衍射片上每个菲涅尔衍射区上具有更多的通孔，增加了原子束流的透射率，特别是对第一阶的聚焦有更高的透射率及更高的束流强度。
本发明所采用的技术方案是：
所述一种高透射率的原子束显微装置，包括储气罐、气管、由腔体I和腔体II连接成的真空腔体、喷射头、分流器、气体透射窗片、原子衍射片、探测器I、样品、样品台、计算机、探测器II、抽气口I、真空泵组I、抽气口II和真空泵组II，原子衍射片上具有第一阶菲涅尔环带透射区域上的通孔、第二阶菲涅尔环带透射区域上的通孔，所述腔体I和腔体II通过分流器连接，腔体II通过抽气口I连接真空泵组I，腔体I通过抽气口II连接真空泵组II，探测器I和探测器II相同；喷射头位于腔体I内，喷射头通过气管与真空腔体外的储气罐连接，喷射头出口与分流器的入口相对，所述气体透射窗片、原子衍射片、探测器I、探测器II、样品和样品台均位于腔体II内，气体透射窗片位于分流器与原子衍射片之间，样品固定于样品台上且位于原子衍射片后方，样品表面垂直于喷射头出口与分流器的入口的连线，探测器I和探测器II分别位于样品表面两侧，样品台能够三维移动，样品台、探测器I和探测器II分别电缆连接计算机，当气体原子从储气罐通过气管传输至喷射头并以自由射流形式射入腔体I时，原子束流的一部分进入分流器入口并通过分流器进入腔体II，能够依次通过气体透射窗片及原子衍射片后射到样品表面，从而形成原子束流的传输路径，在确定气体原子种类、原子束流的动能及显微装置所需的焦距后，能够计算出原子衍射片上相应的菲涅尔环带的透射区域和不透射区域，用于确定通孔的直径及中心位置，原子衍射片中心位于喷射头出口中心和分流器入口中心的连线的延长线上，原子衍射片为圆片状，直径为40微米，总厚度为50纳米，由厚度为30纳米的硅片在正反面各镀上厚度为10纳米氮化硅制成，原子衍射片上具有大量孔截面为圆形的通孔，所述通孔的直径及中心位置为在每个透射的菲涅尔环对应的区域设置，通孔中心位于所述透射的菲涅尔环的中心线上，通孔直径为其中心所位于的透射的菲涅尔环的宽度的1.1倍，相邻所述通孔之间的间隙大于40纳米，探测器I和探测器II分别探测被样品表面反射的原子，并以差分对模式工作。气体透射窗片中心位于喷射头出口中心和分流器入口中心的连线的延长线上，气体透射窗片上某一位置的透射率随其与气体透射窗片中心之间的距离线性递减，中心处透射率90％，距离中心20微米处透射率96％。
本发明原理是：装置的原子衍射片基于菲涅耳衍射原理，一般的原子衍射片或称为波带片采用半波带将原子对应的物质波的波面分割为若干相邻的且不同半径的同心圆环，每个圆环对应物质波的一个半波带，只让其中的奇数或偶数半波带透射，透过波带片的原子，在聚焦平面处光程差依次为物质波的波长，位相相同，振动方向也相同，合振动增强，衍射后的束流强度增强。
原子衍射片的制备方法步骤为：
一.确定波带，确定显微装置所采用的气体原子类型，可选择的原子种类有氦、氖、氩、氪；确定显微装置工作时原子束流的动能，范围从0.04eV到2.5eV；根据德布罗意波波长公式确定所采用的原子对应的物质波波长；确定显微装置所需的焦距，范围从6毫米到16毫米；根据菲涅耳半波带法计算出原子衍射片上相应的菲涅尔环的透射和不透射区域。
二.根据所需满足的条件，模拟出通孔的直径和位置分布，此步骤全部在计算机中模拟，最终得到的是通孔的分布，通孔所需满足的一般条件是，在每个透射的菲涅尔环对应的区域设置通孔，通孔中心位于所述透射的菲涅尔环中，通孔直径为所述透射的菲涅尔环的宽度的1.1倍，通孔之间的间隙最小值为40纳米。
三.微加工技术打孔，将上述步骤二中得到的通孔分布结果输入微加工设备，通过微加工技术，在氮化硅片制成的原子衍射片的对应区域打孔，孔的直径能够达到的最小值是根据所采用的微加工技术来确定，采用电子束刻蚀技术，孔的直径最小值为200纳米。
利用所述一种高透射率的原子束显微装置进行测量的方法步骤为：
一.开启真空泵组II和真空泵组I，分别对腔体I和腔体II抽真空，使得腔体I内真空优于10-1Pa，腔体II内真空优于10-2Pa；
二.储气罐通过气管输出气体至喷射头，气体原子以自由射流形式进入腔体I，并通过分流器后，以原子束流形式进入腔体II；
三.原子束流依次通过气体透射窗片和原子衍射片后射到样品表面；
四.样品台在1×1微米范围内平移，以使得样品表面1×1微米范围内能够被原子束直接照射；
五.被样品表面反射的部分原子进入探测器I和探测器II，探测器I和探测器II所得数据输入计算机；
六.计算机处理数据，得到样品表面的相关信息。
本发明的有益效果是：
本发明采用具有通孔的原子衍射片，原子衍射片采用一系列通孔代替波带片的环状结构，并通过选择合适的通孔直径和通孔分布，能够优化原子束流的聚焦效果，能够得到锐利的聚焦束斑，并抑制更高阶的衍射；本发明采用双探测器分别探测被样品表面反射的原子，以差分对模式工作，增加了装置的信噪比。
附图说明
下面结合本发明的图形进一步说明：
图1是本发明示意图；
图2是原子衍射片上的菲涅尔区放大示意图；
图3是原子衍射片上通孔放大示意图。
图中，1.储气罐，2.气管，3.真空腔体，3-1.腔体I，3-2.腔体II，4.喷射头，5.分流器，6.气体透射窗片，7.原子衍射片，7-1.第一阶菲涅尔环带透射区域上的通孔，7-2.第二阶菲涅尔环带透射区域上的通孔，8.探测器I，9.样品，10.样品台，11.计算机，12.探测器II，13.抽气口I，14.真空泵组I，15.抽气口II，16.真空泵组II。
具体实施方式
如图1是本发明示意图，包括储气罐(1)、气管(2)、由腔体I(3-1)和腔体II(3-2)连接成的真空腔体(3)、喷射头(4)、分流器(5)、气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、探测器I(8)、样品(9)、样品台(10)、计算机(11)、探测器II(12)、抽气口I(13)、真空泵组I(14)、抽气口II(15)和真空泵组II(16)，原子衍射片(7)上具有第一阶菲涅尔环带透射区域上的通孔(7-1)、第二阶菲涅尔环带透射区域上的通孔(7-2)，所述腔体I(3-1)和腔体II(3-2)通过分流器(5)连接，腔体II(3-2)通过抽气口I(13)连接真空泵组I(14)，腔体I(3-1)通过抽气口II(15)连接真空泵组II(16)，探测器I(8)和探测器II(12)相同；喷射头(4)位于腔体I(3-1)内，喷射头(4)通过气管(2)与真空腔体(3)外的储气罐(1)连接，喷射头(4)出口与分流器(5)的入口相对，所述气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、探测器I(8)、探测器II(12)、样品(9)和样品台(10)均位于腔体II(3-2)内，气体透射窗片(6)位于分流器(5)与原子衍射片(7)之间，样品(9)固定于样品台(10)上且位于原子衍射片(7)后方，样品(9)表面垂直于喷射头(4)出口与分流器(5)的入口的连线，探测器I(8)和探测器II(12)分别位于样品(9)表面两侧，样品台(10)能够三维移动，样品台(10)、探测器I(8)和探测器II(12)分别电缆连接计算机(11)，当气体原子从储气罐(1)通过气管(2)传输至喷射头(4)并以自由射流形式射入腔体I(3-1)时，原子束流的一部分进入分流器(5)入口并通过分流器(5)进入腔体II(3-2)，能够依次通过气体透射窗片(6)及原子衍射片(7)后射到样品(9)表面，从而形成原子束流的传输路径，原子衍射片(7)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上，原子衍射片(7)为圆片状，直径40微米，总厚度50纳米，由厚度30纳米的硅片在正反面各镀上10纳米氮化硅制成，探测器I(8)和探测器II(12)分别探测被样品(9)表面反射的原子，并以差分对模式工作。气体透射窗片(6)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上，气体透射窗片(6)上某一位置的透射率随其与气体透射窗片(6)中心之间的距离线性递减，中心处透射率90％，距离中心20微米处透射率96％。
如图2是原子衍射片上的菲涅尔区放大示意图，在确定气体原子种类、原子束流的动能及显微装置所需的焦距后，能够计算出原子衍射片上相应的菲涅尔环带的透射区域和不透射区域，用于确定通孔的直径及中心位置，图2中同心圆环的中心为原子衍射片(7)中心，黑色圆环为菲涅尔环带不透射区域，白色圆环为菲涅尔环带透射区域。
如图3是原子衍射片上通孔放大示意图，是图2的中心部分局部区域放大示意图，反映第一阶菲涅尔环带透射区域上的通孔(7-1)、第二阶菲涅尔环带透射区域上的通孔(7-2)，原子衍射片(7)上具有大量孔截面为圆形的通孔，所述通孔的直径及中心位置为在每个透射的菲涅尔环对应的区域设置，通孔中心位于所述透射的菲涅尔环的中心线上，通孔直径为其中心所位于的透射的菲涅尔环的宽度的1.1倍，相邻所述通孔之间的间隙大于40纳米。
所述一种高透射率的原子束显微装置包括储气罐(1)、气管(2)、由腔体I(3-1)和腔体II(3-2)连接成的真空腔体(3)、喷射头(4)、分流器(5)、气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、探测器I(8)、样品(9)、样品台(10)、计算机(11)、探测器II(12)、抽气口I(13)、真空泵组I(14)、抽气口II(15)和真空泵组II(16)，原子衍射片(7)上具有第一阶菲涅尔环带透射区域上的通孔(7-1)、第二阶菲涅尔环带透射区域上的通孔(7-2)，所述腔体I(3-1)和腔体II(3-2)通过分流器(5)连接，腔体II(3-2)通过抽气口I(13)连接真空泵组I(14)，腔体I(3-1)通过抽气口II(15)连接真空泵组II(16)，探测器I(8)和探测器II(12)相同；喷射头(4)位于腔体I(3-1)内，喷射头(4)通过气管(2)与真空腔体(3)外的储气罐(1)连接，喷射头(4)出口与分流器(5)的入口相对，所述气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、探测器I(8)、探测器II(12)、样品(9)和样品台(10)均位于腔体II(3-2)内，气体透射窗片(6)位于分流器(5)与原子衍射片(7)之间，样品(9)固定于样品台(10)上且位于原子衍射片(7)后方，样品(9)表面垂直于喷射头(4)出口与分流器(5)的入口的连线，探测器I(8)和探测器II(12)分别位于样品(9)表面两侧，样品台(10)能够三维移动，样品台(10)、探测器I(8)和探测器II(12)分别电缆连接计算机(11)，当气体原子从储气罐(1)通过气管(2)传输至喷射头(4)并以自由射流形式射入腔体I(3-1)时，原子束流的一部分进入分流器(5)入口并通过分流器(5)进入腔体II(3-2)，能够依次通过气体透射窗片(6)及原子衍射片(7)后射到样品(9)表面，从而形成原子束流的传输路径，在确定气体原子种类、原子束流的动能及显微装置所需的焦距后，能够计算出原子衍射片上相应的菲涅尔环带的透射区域和不透射区域，用于确定通孔的直径及中心位置，原子衍射片(7)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上，原子衍射片(7)为圆片状，直径40微米，总厚度50纳米，由厚度30纳米的硅片在正反面各镀上10纳米氮化硅制成，原子衍射片(7)上具有大量孔截面为圆形的通孔，所述通孔的直径及中心位置为在每个透射的菲涅尔环对应的区域设置，通孔中心位于所述透射的菲涅尔环的中心线上，通孔直径为其中心所位于的透射的菲涅尔环的宽度的1.1倍，相邻所述通孔之间的间隙大于40纳米，探测器I(8)和探测器II(12)分别探测被样品(9)表面反射的原子，并以差分对模式工作。气体透射窗片(6)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上，气体透射窗片(6)上某一位置的透射率随其与气体透射窗片(6)中心之间的距离线性递减，中心处透射率90％，距离中心20微米处透射率96％。
本发明采用具有通孔的原子衍射片，优点是原子衍射片易于加工，且通孔按照相应的菲涅尔区有序排列，增加了一定原子束流横截面积上的通孔总面积，提高了原子束流的透射率，能够得到锐利的聚焦束斑，并能够抑制更高阶的衍射。另外，本发明采用以差分对模式工作的双探测器结构，增加了装置的信噪比。
Claims (1)
1.一种高透射率的原子束显微装置，包括储气罐(1)、气管(2)、由腔体I(3-1)和腔体II(3-2)连接成的真空腔体(3)、喷射头(4)、分流器(5)、气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、探测器I(8)、样品(9)、样品台(10)、计算机(11)、探测器II(12)、抽气口I(13)、真空泵组I(14)、抽气口II(15)和真空泵组II(16)，原子衍射片(7)上具有第一阶菲涅尔环带透射区域上的通孔(7-1)、第二阶菲涅尔环带透射区域上的通孔(7-2)，所述腔体I(3-1)和腔体II(3-2)通过分流器(5)连接，腔体II(3-2)通过抽气口I(13)连接真空泵组I(14)，腔体I(3-1)通过抽气口II(15)连接真空泵组II(16)，探测器I(8)和探测器II(12)相同；喷射头(4)位于腔体I(3-1)内，喷射头(4)通过气管(2)与真空腔体(3)外的储气罐(1)连接，喷射头(4)出口与分流器(5)的入口相对，所述气体透射窗片(6)、原子衍射片(7)、探测器I(8)、探测器II(12)、样品(9)和样品台(10)均位于腔体II(3-2)内，气体透射窗片(6)位于分流器(5)与原子衍射片(7)之间，样品(9)固定于样品台(10)上且位于原子衍射片(7)后方，样品(9)表面垂直于喷射头(4)出口与分流器(5)的入口的连线，探测器I(8)和探测器II(12)分别位于样品(9)表面两侧，样品台(10)能够三维移动，样品台(10)、探测器I(8)和探测器II(12)分别电缆连接计算机(11)，当气体原子从储气罐(1)通过气管(2)传输至喷射头(4)并以自由射流形式射入腔体I(3-1)时，原子束流的一部分进入分流器(5)入口并通过分流器(5)进入腔体II(3-2)，能够依次通过气体透射窗片(6)及原子衍射片(7)后射到样品(9)表面，从而形成原子束流的传输路径，在确定气体原子种类、原子束流的动能及显微装置所需的焦距后，能够计算出原子衍射片上相应的菲涅尔环带的透射区域和不透射区域，用于确定通孔的直径及中心位置，
其特征是：原子衍射片(7)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上，原子衍射片(7)为圆片状，直径为40微米，总厚度为50纳米，由厚度为30纳米的硅片在正反面各镀上厚度为10纳米氮化硅制成，原子衍射片(7)上具有大量孔截面为圆形的通孔，所述通孔的直径及中心位置为在每个透射的菲涅尔环对应的区域设置，通孔中心位于所述透射的菲涅尔环的中心线上，通孔直径为其中心所位于的透射的菲涅尔环的宽度的1.1倍，相邻所述通孔之间的间隙大于40纳米，探测器I(8)和探测器II(12)分别探测被样品(9)表面反射的原子，并以差分对模式工作；气体透射窗片(6)中心位于喷射头(4)出口中心和分流器(5)入口中心的连线的延长线上。
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