CN116773507A - 一种三维激光剥蚀质谱仪、联用检测系统及检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维激光剥蚀质谱仪、联用检测系统及检测方法，所述三维激光剥蚀质谱仪包括激光剥蚀系统、检测池、磨抛系统和质谱检测装置；所述联用检测系统包括：上述三维激光剥蚀质谱仪和拉曼激光系统，所述检测方法包括对样品检测后进行样品表面磨抛。本发明通过引入机械磨抛，去除了样品表面由于激光剥蚀而产生的热变层，一方面利用了激光剥蚀的高效性，另一方面也消除了激光剥蚀的聚焦点的能量对检测可能产生的影响。
Description
技术领域
本发明属于激光剥蚀技术领域，尤其涉及一种三维激光剥蚀质谱仪、联用检测系统及检测方法。
背景技术
拉曼光谱分析是一种快速的无损检测技术，主要用于分子结构研究的一种分析方法；激光剥蚀电感耦合等离子体质谱是一种激光剥蚀作为固体直接进样方式，与质谱的联合使用进行样品元素分析得技术。这两种分析方法都有着广泛的应用。
拉曼光谱(Raman spectra)，是一种散射光谱。拉曼光谱分析法是基于印度科学家C.V.拉曼(Raman)所发现的拉曼散射效应，对与入射光频率不同的散射光谱进行分析以得到分子振动、转动方面信息，并应用于分子结构研究的一种分析方法。
当用波长比样品粒径小的多的单色光照射样品时，大部分的光会按照原来的方向透射，而一小部分则按不同的角度散射产生散射光。在垂直方向观察时，除了与原入射光有相同频率的瑞利散射外，还有一系列对称分布的若干条很弱的与入射光频率发生位移(频移增加或减少)的拉曼谱线，这种现象被称为拉曼效应。
拉曼光谱对于分子键合以及样品的结构非常敏感，因而每种分子或样品都会有其特有的光谱“指纹”。这些“指纹”可以用来进行化学鉴别、形态与相、内压力/应力以及组成成份等方面的研究和分析。
拉曼光谱技术以其信息丰富，制样简单，水的干扰小、不受样品物质形态的影响，另外拉曼光谱分析对样品无损伤、快速分析、维护成本低，使用简单等独特的优点，在化学、材料、物理、高分子、生物、医药、地质等领域有广泛的应用。
激光剥蚀电感耦合等离子体质谱利用激光器发出激光束，使用物镜使激光聚焦样品特定区域，利用脉冲激光的能量把固体样品直接形成微小的颗粒，与载气形成气溶胶，然后通过电感耦合等离子体源(ICP)将颗粒等离子化后，进入质谱进行元素检测。
相对于传统的溶液分析，激光剥蚀电感耦合等离子体质谱采用激光剥蚀固体直接分析技术具有省时省力高效的特点，减少了样品前处理繁琐过程，同时避免在前处理中引入强酸等其它物质造成样品污染以及破坏了样品原来的状态与结构，保留了样品成分的空间分布和深度分布等信息。
随着激光剥蚀系统的逐步成熟，激光剥蚀作为固体直接进样方式，与质谱的联合使用在微量、痕量、超痕量元素、同位素分析等方面具有很大优势，不仅在地球科学微区技术发展中发挥了重要作用，而且延伸到材料科学、环境科学、海洋科学、生命科学等领域。
目前拉曼光谱分析与激光剥蚀电感耦合等离子体质谱分析在实验室中均以单独的分析方法独立的存在，市面上还没有人将两者联合起来进行应用的案例。
现有的元素分析主要通过X荧光光谱分析，但检测灵敏度不高，检测元素有限；另外一种是是ICP-MS分析，但现有对样品进行预处理，需要引入强酸等其它物质进行消解，这会造成样品污染以及破坏了样品原来的状态与结构，且无法获得样品的原位信息。
晶圆是现代半导体的基础，发挥着巨大的作用。晶圆生产过程中会引入元件间的痕量杂质元素可能使芯片的合格率降低；特定的污染问题可导致半导体器件不同的缺陷，例如：碱金属或碱土金属(Li、Na、K、Ca、Mg、Ba等)会导致元件击穿电压的降低；过渡金属与重金属(Fe、Cr、Ni、Cu、Au、Mn、Pb等)污染可使元件降低使用寿命或使元件工作时暗电流增大等等。
现有晶圆表面金属沾污检测技术主要有两类，一类为TXRF检测技术，利用TXRF全反射荧光光谱检测仪进行检测。TXRF测试原理：当X射线发生全发射时，入射X射线和出射X射线的强度相等，消除了原级X射线在反射体上的相干和不相干散射现象，使散射本底降低了约3-4个数量级，从而大大提高了峰背比。TXRF就是利用X射线全反射原理，将样品在反射体兼样品架上涂成薄层(nm级)进行激发，达到降低散射本底，提高峰背比，以实现痕量元素分析的一种分析技术。测试晶圆样品尺寸为2寸-8寸，W靶能够测试元素：(S,Cl,K,Ca,Ti,Cr,Ba,Fe,Ni,Cu,Zn,Pb,Sn)，Mo靶能够测试元素：(Br,Au,Ga,As,Pb,Ta,W,Pt)，W靶和Mo靶元素不可同时检测。检测时标准3个点，特殊要求可以增加到5个点。
另一类晶圆表面金属沾污检测技术是VPD-ICPMS检测，这是目前晶圆厂主流的检测技术。VPD：Vapor Phase Decomposition化学气象分解，ICP-MS全称电感耦合等离子体质谱。该技术测试晶圆尺寸为2寸-12寸。测试过程包括四个步骤：1.将硅片置于VPD室中，并暴露于HF蒸气中以溶解自然氧化物或热氧化的SiO2表面层；2.将提取液滴(通常为250μL的2％HF/2％H2O2)置于晶圆上，然后以精心控制的方式倾斜，使得液滴在晶圆表面上“扫掠”；3.随着提取液滴在晶圆表面上移动，它会收集溶解态SiO2与所有污染物金属；4.将提取液滴从晶圆表面上转移至ICP-MS系统中进行分析。
综上所述，现有技术存在如下主要问题：
1.拉曼光谱分析与激光剥蚀电感耦合等离子体质谱分析都是独立测试，如果要同时得到样品的分子结构图与元素图，必须分别在不同的实验室进行测试；由于是分开独立测试，同个样品的分子结构图与元素图在原位信息上无法完全吻合，无法呈现一一对应关系；
2.对样品进行预处理，需要引入强酸等其它物质进行消解，这会造成样品污染以及破坏了样品原来的状态与结构，且无法获得样品的原位信息；
3.现有手段无法精确获得样品的带原位信息三维分子结构图，尤其是拉曼光谱一般只能检测样品的表层信息无法对样品进行三维成像，分析效率非常低；
4.硅片污染测试TXRF检测一次只能检测部分元素，不能够检测有机物污染；VPD-ICPMS检测样品前处理步骤多，比较复杂，会引入其它的污染物，对分析造成干扰，且只能做元素分析。
而直接将拉曼光谱分析与激光质谱分析联用时，在进行三维联合成像的过程中，由于激光聚焦产生的能量会对焦点周围的材料产生影响，产生例如元素迁移、成键形式改变(包括有机污染物的成分发生改变)，从而影响最终成像结果，使其检测结果准确度和精度低于预期。
因此，如何能够将拉曼光谱分析与激光剥蚀电感耦合等离子体质谱分析联用，并且更精确地获取原位信息以及提升分析效率，是一个亟待解决的问题。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的在于提供一种三维激光剥蚀质谱仪、联用检测系统及检测方法，通过引入机械磨抛，去除了样品表面由于激光剥蚀而产生的热变层，一方面利用了激光剥蚀的高效性，另一方面也消除了激光剥蚀的聚焦点的能量对检测可能产生的影响。
为实现上述目的，本发明一方面提供了一种三维激光剥蚀质谱仪，激光剥蚀系统，所述激光剥蚀系统用于发射剥蚀激光，所述激光剥蚀系统包括三维振镜系统；
检测池，所述检测池包括检测池壳体、载物台、样品门、进气口、出气口、剥蚀激光窗口和真空泵，所述载物台用于盛放样品，所述载物台设置在检测池壳体内，所述样品门、进气口、出气口、剥蚀激光窗口开设在检测池壳体上；
磨抛系统，所述磨抛系统用于对经过激光剥蚀系统扫描后的样品表面进行磨抛；
质谱检测装置，所述质谱检测装置用于对激光剥蚀系统产生的气溶胶进行质谱检测。
优选地，还包括晶圆机械手，所述晶圆机械手用于晶圆上下料。
优选地，所述激光剥蚀系统还包括激光发射器和场镜；所述激光发射器发射剥蚀激光聚焦在样品表面上；
所述三维振镜系统包括移动镜头、聚焦镜头、X轴振镜和Y轴振镜；
所述移动镜头可以轴向移动，所述移动镜头通过调节其与所述聚焦镜头的距离，使所述剥蚀激光聚焦的位置在所述样品表面沿Z轴发生改变；
所述X轴振镜和Y轴振镜可以分别进行高频绕轴往复转动，所述X轴振镜和Y轴振镜用于调节在所述样品表面的水平方向的聚焦位置。
优选地，所述磨抛系统包括磨抛头、夹持器、磨抛盘、电机及PLC控制模块，所述磨抛盘用于盛放样品，所述夹持器用于固定盛放在磨抛盘的样品，所述PLC控制模块用于控制所述磨抛系统。
本发明另一方面提供了一种联用检测系统，包括：如上所述的三维激光剥蚀质谱仪；拉曼激光系统，所述拉曼激光系统用于发射拉曼检测激光并对拉曼散射光进行检测；
所述检测池为联用检测池，所述联用检测池还包括拉曼激光窗口，所载物台为移动载物台，所述移动载物台还用于将样品在所述拉曼激光窗口和剥蚀激光窗口对应的位置之间切换定位，所述移动载物台包括一光栅尺反馈控制系统，所述拉曼激光窗口开设在检测池壳体上。
优选地，所述联用检测池还包括样品观察窗，所述样品观察窗用于快速观察样品位置。
本发明另一方面提供了一种三维激光剥蚀质谱仪的检测方法，使用如上述的三维激光剥蚀质谱仪，所述样品为晶圆。
优选地，包括如下步骤：
步骤S1：将样品放入所述检测池，并固定在载物台上剥蚀激光窗口对应的位置，用载气对所述检测池进行气体置换；
步骤S2：将所述剥蚀激光聚焦在样品表面，进行二维激光剥蚀-质谱扫描，所述二维激光剥蚀-质谱扫描包括若干次激光剥蚀以及将激光剥蚀产生的气溶胶送入质谱检测装置进行检测；
步骤S3：关闭载气，将样品送入所述磨抛系统，所述磨抛系统自动对样品经过剥蚀后的表面进行抛磨、清洗，并常温吹干；
步骤S4：重复步骤S1至S3，直至完成三维扫描；
步骤S5：进行数据处理。
本发明另一方面提供了一种联用检测系统的检测方法，使用如上述的联用检测系统。
优选地，包括如下步骤：
步骤S1：将样品放入所述联用检测池，并将样品固定在所述移动载物台上，用载气对所述联用检测池进行气体置换；
步骤S2：通过所述移动载物台将样品移动至拉曼激光窗口对应的位置；
步骤S3：将所述拉曼检测激光聚焦在样品表面，进行二维拉曼光谱扫描；
步骤S4：通过所述移动载物台将样品移动至剥蚀激光窗口对应的位置；
步骤S5：将所述剥蚀激光聚焦在样品表面，进行二维激光剥蚀-质谱扫描，所述二维激光剥蚀-质谱扫描包括若干次激光剥蚀以及将激光剥蚀产生的气溶胶送入质谱检测装置进行检测；
步骤S6：关闭载气，将样品送入所述磨抛系统，所述磨抛系统自动对样品经过剥蚀后的表面进行抛磨、清洗，并常温吹干；
步骤S7：重复步骤S1至S6，直至完成三维扫描；
步骤S8：进行数据处理。
优选地，所述样品为晶圆；
优选地，所述样品为金属有机框架化合物；
优选地，所述样品为新型半导体材料，如氮化镓、砷化镓、碳化硅。
本发明具有以下有益效果：
1)本发明通过引入机械磨抛，去除了样品表面由于激光剥蚀而产生的热变层，一方面利用了激光剥蚀的高效性，另一方面也消除了激光剥蚀的聚焦点的能量对检测可能产生的影响；
2)本发明可以应用于硅片在线自动检测，可以检测晶圆的有机污染和元素污染情况，并且检测前无需对样品进行预处理，就能满足集成电路生产环节硅片表面颗粒及整个污染成分的实时快速在线检测的特点要求，还不会造成硅片的二次污染或损伤；
3)本发明的联用检测方法可以同时获得样品带原位信息三维分子结构图以及三维元素成像图，并且三维可以在原位信息上呈现对应关系；在检测样品时，激光剥蚀系统一方面用于获取质谱检测所需气溶胶，另一方面也起到了表层剥蚀作用，使得拉曼激光系统可以检测到样品表层以下的内部的结构信息，机械磨抛一方面避免了热变层中元素迁移对质谱的影响，另一方面也避免了热变层中耐热性较差的化学结构对拉曼光谱的影响；并且由于激光剥蚀系统的扫描速度大大加快，因此无需拉曼激光系统-激光剥蚀系统进行共聚焦，简化了装置。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例一的结构示意图；
图2为本发明实施例一的三维振镜系统的结构示意图；
图3为本发明实施例一的检测方法的流程示意图；
图4为本发明实施例二的结构示意图；
图5为本发明实施例二的联用检测池的结构示意图；
图6为本发明实施例二的联用检测方法的流程示意图；
其中：
101拉曼检测激光发射器；102干涉滤光片；103功率衰减片；104光源偏振片；105光源反射镜；106瑞利滤光片；107显微镜系统；108共聚焦针孔；109狭缝；110光栅；111检测器；112检测偏振片；113检测反射镜；201剥蚀激光发射器；202三维振镜系统；2021移动镜头；2022聚焦镜头；2023X轴振镜；2024Y轴振镜；203场镜；300检测池；301样品；302载气；303样品杯；304载物台；305气溶胶；401磨抛头；402夹持器；403喷水嘴；404磨抛盘；405电机；406PLC控制模块。
具体实施方式
本发明的核心之一在于一种三维激光剥蚀质谱仪、联用检测系统及检测方法，通过引入机械磨抛，去除了样品表面由于激光剥蚀而产生的热变层，一方面利用了激光剥蚀的高效性，另一方面也消除了激光剥蚀的聚焦点的能量对检测可能产生的影响。
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
请首先参考图1，本实施例的三维激光剥蚀质谱仪包括全自动磨抛系统。激光剥蚀系统、检测池和质谱检测装置，激光剥蚀系统用于发射剥蚀激光，激光剥蚀系统包括三维振镜系统；全自动磨抛系统用于对经过激光剥蚀系统扫描后的样品表面进行磨抛；质谱检测装置用于对激光剥蚀系统产生的气溶胶进行质谱检测。除此以外，本实施例还包括晶圆机械手(图中未示出)，晶圆机械手用于晶圆的上下料。
如图1所示，全自动磨抛系统包括磨抛头401、夹持器402、喷水嘴403、磨抛盘404、电机405及PLC控制模块406，磨抛头401用于对样品进行打磨抛光，磨抛盘404用于盛放样品，夹持器402用于固定盛放在磨抛盘401的样品，喷水嘴403用于清洗打磨抛光后的样品，电机405用于驱动前述部件，PLC控制模块406用于控制全自动磨抛系统的各部件运行。
如图2所示，三维振镜系统202包括移动镜头2021、聚焦镜头2022、X轴振镜2023和Y轴振镜2024；移动镜头2021可以轴向移动，移动镜头2021通过调节其与聚焦镜头2022的距离，使剥蚀激光聚焦的位置在样品301表面沿Z轴发生改变；X轴振镜2023和Y轴振镜2024可以分别进行高频绕轴往复转动，X轴振镜2023和Y轴振镜2024用于调节在样品301表面的水平方向的聚焦位置。
检测池300包括检测池壳体、载物台304、样品门、进气口、出气口、剥蚀激光窗口和真空泵。
本实施例还公开了使用上述三维激光剥蚀质谱仪的检测方法，如图3所示：
1.将晶圆片放在晶圆片架上；
2.计算机发出指令，通过PLC控制模块将样品门打开以及控制晶圆机械手将晶圆片从晶圆片架上移动到样品池内晶圆固定座上；
3.样品门关闭并密封；
4.检测池实现换气操作；真空泵自动打开抽真空，达到设定真空度后，停止抽真空，通入载气；当检测池压力达到设置值后，真空泵自动打开抽真空，达到设定真空度后，停止抽真空，通入载气，如此往复执行3次；
5.计算机自动精密调整移动台，实现激光聚焦在晶圆片上。显微镜系统配有高分辨彩色摄像头，自动拍摄存储图像。计算机精确控制待测样品三维移动，激光剥蚀系统开始工作，按照预先设置的相关工作参数进行工作(激光的频率、能量密度、光斑尺寸及载气流速以及X、Y和Z坐标参数等)，激光器模块产生激光束，X轴、Y轴高速偏转，激光光束进入场镜聚焦到工作面上，“Z”轴自动高速精确调焦，进行样品的三维激光剥蚀；
6.激光剥蚀样品直接形成微小的颗粒，与载气形成气溶胶，然后通过电感耦合等离子体源(ICP)将颗粒等离子化后，进入质谱进行元素检测形成样品的高质量的元素平面图。
7.激光剥蚀完成后，样品门自动打开，关闭载气，晶圆机械手将晶圆移动到检测池外晶圆片架上，样品仓门自动关闭；
8.晶圆机械手将晶圆片从晶圆片架上取出，放入全自动磨抛系统夹持器上进行固定；
9.全自动磨抛系统自动对晶圆片进行抛磨、清洗，并常温吹干；
10.抛磨完成后，晶圆机械手将晶圆片移动到晶圆片架上；
11.重复方法中2～10步骤，直至分析任务结束；
12.将晶圆片样品取出，放入样品盒，做好标志，放到指定位置存储；
13.按标准程序关闭载气及系统各装置
14.计算机系统自动处理数据后给出样品的带原位信息的三维元素成像图。
激光剥蚀扫描相比于传统的机械磨抛来说，可以更快的去除特点厚度的样品层，但由于激光聚焦点处能量聚焦，因此会具有热效应使剥蚀后的表面产生一热变区域(完成一层二维剥蚀扫描后即形成一热变层)，该区域内的物质成键方式会发生一定的变化，对于检测精度要求较高的晶圆而言，掺杂元素也可能发生表面迁移或横向迁移，因此对检测结果可能造成干扰。本实施例通过机械磨抛去除表面的热变层，以消除其影响，而热变层本身厚度极小，因此对其进行磨抛的处理效率较高。
在其他的一些应用中，本领域技术人员也可以只对指定的几个深度或者深度区间进行扫描，可通过多次二维剥蚀从前一深度跳变至下一深度之后再对表面进行磨抛处理。
实施例二
本实施例与实施例一的区别在于额外加入了拉曼激光系统，拉曼激光系统和激光剥蚀系统可以共用同一个检测池300，即联用检测池。
如图4所示，本实施例的拉曼激光系统为激光共聚焦显微拉曼光谱仪，激光共聚焦显微拉曼光谱仪包括：拉曼检测激光发射器101、干涉滤光片102、功率衰减片103、偏振片、反射镜、瑞利滤光片106、显微镜系统107、共聚焦针孔108、狭缝109、光栅110和检测器111，偏振片包括光源偏振片104和检测偏振片112，反射镜105包括光源反射镜105和检测反射镜113；激光剥蚀系统包括三维振镜系统、剥蚀激光发射器201和场镜203；剥蚀激光发射器201发射剥蚀激光聚焦在样品301表面上；拉曼检测激光发射器101发射的激光光束通过第一光路聚焦在样品301表面上，拉曼检测激光发射器101、干涉滤光片102、功率衰减片103、光源偏振片104、光源反射镜105和瑞利滤光片106设置在第一光路上；样品301表面产生的拉曼散射光通过第二光路进入检测器111，瑞利滤光片106、检测偏振片112、检测反射镜113、共聚焦针孔108、狭缝109、光栅110和检测器111设置在第二光路上；第一光路和第二光路共用显微镜系统107，激光光束通过第一光路在瑞利滤光片106上发生反射，拉曼散射光通过第二光路穿过瑞利滤光片106。
由于本实施例的激光剥蚀系统采用了可以高速切换聚焦位置的三维振镜系统202，大大加快了激光剥蚀二维扫描的速度，因此检测策略也可以从拉曼单点检测-质谱单点检测-切换检测点的策略转变为拉曼二维扫描-切换检测窗-质谱二维扫描的策略，大大简化了装置避免了共聚焦的困难。
如图5所示，检测池300包括检测池壳体、载物台304、样品门313、进气口306、出气口307、拉曼激光窗口309、剥蚀激光窗口310和真空泵308；载物台304为移动载物台，可将样品301在拉曼激光窗口309和剥蚀激光窗口310对应的位置之间切换定位，载物台304还包括一光栅尺反馈控制系统；检测器壳体为密封式壳体，载物台304设置在检测池壳体内，样品门313、进气口306、出气口307、拉曼激光窗口309、剥蚀激光窗口310开设在检测池壳体上。在一较佳的实施例中，也可以在检测池壳体上开设样品观察窗311，用于快速观察样品位置。
本实施例还公开了使用上述联用检测系统的检测方法，如图6所示：
1.将晶圆片放在晶圆片架上；
2.计算机发出指令，通过PLC控制模块将样品门打开以及控制晶圆机械手将晶圆片从晶圆片架上移动到样品池内晶圆固定座上；
3.样品门关闭并密封；
4.检测池实现换气操作；真空泵自动打开抽真空，达到设定真空度后，停止抽真空，通入载气；当检测池压力达到设置值后，真空泵自动打开抽真空，达到设定真空度后，停止抽真空，通入载气，如此往复执行3次；
5.换气完成后，移动载物台台将晶圆片移至拉曼激光窗口309的位置；
6.计算机自动精密调整移动台，实现激光聚焦在晶圆片上。同时显微镜系统配有高分辨彩色摄像头，可在计算机上显示存储图像。通过计算机精确控制移动载物台304使待测样品进行高精度的三维移动，选定发出拉曼散射光的试样微区，激光发射器发射的拉曼检测激光经单色仪纯化后经过反射镜改变光路再由物镜准确地聚焦在样品上；样品所发出的拉曼散射光再经聚光透镜准确地成像在单色器的入射狭缝上，经过光栅分光后进入检测器进行检测，获取拉曼信号特定范围强度的综合信息，可以指示表面物质成分、含量分布等相关信息的高分辨图像；
7.拉曼成像后，控制移动载物台304移动至剥蚀激光窗口；
8.激光剥蚀系统开始工作，按照预先设置的相关工作参数进行工作(激光的频率、能量密度、光斑尺寸及载气流速以及X、Y和Z坐标参数等)，激光器模块产生激光束，X轴、Y轴高速偏转，激光光束进入场镜聚焦到工作面上，“Z”轴自动高速精确调焦，进行样品的三维激光剥蚀；
9.激光剥蚀样品直接形成微小的颗粒，与载气形成气溶胶，然后通过电感耦合等离子体源(ICP)将颗粒等离子化后，进入质谱进行元素检测形成样品的高质量的元素平面图。
10.激光剥蚀完成后，样品门自动打开，关闭载气，晶圆机械手将晶圆移动到检测池外晶圆片架上，样品仓门自动关闭；
11.晶圆机械手将晶圆片从晶圆片架上取出，放入全自动磨抛系统夹持器上进行固定；
12.全自动磨抛系统自动对晶圆片进行抛磨、清洗，并常温吹干；
13.抛磨完成后，晶圆机械手将晶圆片移动到晶圆片架上；
14.重复方法中2～13步骤，直至分析任务结束；
15.将晶圆片样品取出，放入样品盒，做好标志，放到指定位置存储；
16.按标准程序关闭载气及系统各装置；
17.计算机系统自动处理数据后给出样品的带原位信息的三维拉曼光谱谱图和三维元素成像图，且样品同一个位置三维拉曼光谱谱图(分子结构)。
在其他的一些应用中，本领域技术人员也可以只对指定的几个深度或者深度区间进行扫描，可通过多次二维剥蚀从前一深度跳变至下一深度之后再对表面进行磨抛处理。
本实施例中，由于拉曼光谱检测是一种检测深度较小的表面检测技术，因此在与激光剥蚀质谱联用时，可以借助剥蚀去除样品表面的过程来完成对样品内部的深入检测扫描。
对于晶圆类样品，本实施例可以进一步通过拉曼光谱获取其成键结构等对应的相关信息；在其他的一些实施例中，若仅需对晶圆样品表面进行检测，例如检测其表面污染，则无需进行磨抛，仅在一次拉曼检测和一次激光剥蚀后即可得到对照信息。
除了晶圆类样品以外，对于一些结构包括有对热耐受性较低的化学键的固体样品，如金属有机框架化合物(MOFs)，在受到激光剥蚀时其表面化学结构也可能因为聚焦点的能量而发生改变，因此，本实施例的机械磨抛同样可以避免上述热变效应对检测结果的干扰。另外若将样品制成与晶圆相同规格，则可兼容晶圆相关的搬运装置简化流程。对于生物样品及分子晶体的固体样品，由于其分子间作用力可以吸收激光聚焦的能量，因此一般无需进行磨抛。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (11)
1.一种三维激光剥蚀质谱仪，其特征在于，包括：
激光剥蚀系统，所述激光剥蚀系统用于发射剥蚀激光，所述激光剥蚀系统包括三维振镜系统；
检测池，所述检测池包括检测池壳体、载物台、样品门、进气口、出气口、剥蚀激光窗口和真空泵，所述载物台用于盛放样品，所述载物台设置在检测池壳体内，所述样品门、进气口、出气口、剥蚀激光窗口开设在检测池壳体上；
磨抛系统，所述磨抛系统用于对经过激光剥蚀系统扫描后的样品表面进行磨抛；
质谱检测装置，所述质谱检测装置用于对激光剥蚀系统产生的气溶胶进行质谱检测。
2.根据权利要求1所述的三维激光剥蚀质谱仪，其特征在于，还包括晶圆机械手，所述晶圆机械手用于晶圆上下料。
3.根据权利要求1所述的三维激光剥蚀质谱仪，其特征在于，所述激光剥蚀系统还包括激光发射器和场镜；所述激光发射器发射剥蚀激光聚焦在样品表面上；
所述三维振镜系统包括移动镜头、聚焦镜头、X轴振镜和Y轴振镜；
所述移动镜头可以轴向移动，所述移动镜头通过调节其与所述聚焦镜头的距离，使所述剥蚀激光聚焦的位置在所述样品表面沿Z轴发生改变；
所述X轴振镜和Y轴振镜可以分别进行高频绕轴往复转动，所述X轴振镜和Y轴振镜用于调节在所述样品表面的水平方向的聚焦位置。
4.根据权利要求1所述的三维激光剥蚀质谱仪，其特征在于，所述磨抛系统包括磨抛头、夹持器、磨抛盘、电机及PLC控制模块，所述磨抛盘用于盛放样品，所述夹持器用于固定盛放在磨抛盘的样品，所述PLC控制模块用于控制所述磨抛系统。
5.一种联用检测系统，其特征在于，包括：如权利要求1至4任一项所述的三维激光剥蚀质谱仪；拉曼激光系统，所述拉曼激光系统用于发射拉曼检测激光并对拉曼散射光进行检测；
所述检测池为联用检测池，所述联用检测池还包括拉曼激光窗口，所载物台为移动载物台，所述移动载物台还用于将样品在所述拉曼激光窗口和剥蚀激光窗口对应的位置之间切换定位，所述移动载物台包括一光栅尺反馈控制系统，所述拉曼激光窗口开设在检测池壳体上。
6.根据权利要求5所述的联用检测系统，其特征在于，所述联用检测池还包括样品观察窗，所述样品观察窗用于快速观察样品位置。
7.一种三维激光剥蚀质谱仪的检测方法，其特征在于，使用如权利要求1至4任一项所述的三维激光剥蚀质谱仪，所述样品为晶圆。
8.根据权利要求7所述的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将样品放入所述检测池，并固定在载物台上剥蚀激光窗口对应的位置，用载气对所述检测池进行气体置换；
步骤S2：将所述剥蚀激光聚焦在样品表面，进行二维激光剥蚀-质谱扫描，所述二维激光剥蚀-质谱扫描包括若干次激光剥蚀以及将激光剥蚀产生的气溶胶送入质谱检测装置进行检测；
步骤S3：关闭载气，将样品送入所述磨抛系统，所述磨抛系统自动对样品经过剥蚀后的表面进行抛磨、清洗，并常温吹干；
步骤S4：重复步骤S1至S3，直至完成三维扫描；
步骤S5：进行数据处理。
9.一种联用检测系统的检测方法，其特征在于，使用如权利要求5或6所述的联用检测系统。
10.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤S1：将样品放入所述联用检测池，并将样品固定在所述移动载物台上，用载气对所述联用检测池进行气体置换；
步骤S2：通过所述移动载物台将样品移动至拉曼激光窗口对应的位置；
步骤S3：将所述拉曼检测激光聚焦在样品表面，进行二维拉曼光谱扫描；
步骤S4：通过所述移动载物台将样品移动至剥蚀激光窗口对应的位置；
步骤S5：将所述剥蚀激光聚焦在样品表面，进行二维激光剥蚀-质谱扫描，所述二维激光剥蚀-质谱扫描包括若干次激光剥蚀以及将激光剥蚀产生的气溶胶送入质谱检测装置进行检测；
步骤S6：关闭载气，将样品送入所述磨抛系统，所述磨抛系统自动对样品经过剥蚀后的表面进行抛磨、清洗，并常温吹干；
步骤S7：重复步骤S1至S6，直至完成三维扫描；
步骤S8：进行数据处理。
11.根据权利要求9所述的检测方法，其特征在于，所述样品为晶圆或金属有机框架化合物或新型半导体材料。
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Denomination of invention: A three-dimensional laser ablation mass spectrometer, combined detection system and detection method Granted publication date: 20240126 Pledgee: Agricultural Bank of China Limited Shanghai pilot Free Trade Zone New Area Branch Pledgor: Shanghai Kailai Instrument Co.,Ltd. Registration number: Y2024980012039 |