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HINTERGRUND
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1. Gebiet der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung betrifft allgemein die Spektroskopie, insbesondere
Monochromator-Systeme für
die Spektroskopie (z.B. für
die Raman-Spektroskopie).
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2.
Stand der Technik
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Es
kann eine Anzahl von Techniken verwendet werden, um Information über Materialien
zu erhalten. Eine Technik, die zur Anwendung kommen kann, ist die
Raman-Spektroskopie. Bei der Raman-Spektroskopie fällt Laserlicht
auf eine Oberfläche
eines zu analysierenden Materials. Der größte Teil des Lichts wird an
der Oberfläche
elastisch gestreut (was man als Rayleigh-Streuung bezeichnet). Ein
Teil des Lichts wechselwirkt jedoch mit dem Material an und nahe
der Oberfläche
und wird inelastisch gestreut infolge Anregung von Schwingungs-, Rotations-
und/oder Niederfrequenzmoden des Materials. Das inelastisch gestreute
Licht wird in der Wellenlänge
gegenüber
dem einfallenden Laserlicht verschoben, entweder nach unten in der
Frequenz (korrespondierend zu der Anregung einer Materialmode durch
die einfallenden Photonen, auch als Raman-Stokes bezeichnet), oder
nach oben in der Frequenz (korrespondierend zu der Wechselwirkung
der einfallenden Photonen mit einer bereits angeregten Materialmode,
auch als Anti-Stokes-Raman bezeichnet). Der Betrag der Verschiebung
ist unabhängig von
der Anregungswellenlänge,
und die Stokes- und Anti-Stokes-Linien sind um Beträge der gleichen Größenordnung
von dem Anregungssignal versetzt.
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Durchgeführt wird
die Raman-Spektroskopie durch Detektieren des wellenlängenverschobenen Lichts.
Zum Detektieren von Licht einer bestimmten Wellenlänge von
Interesse, z.B. von Raman-verschobenem Laserlicht, umfasst ein Spektroskopie-System
einen Monochromator.
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1 zeigt ein vereinfachtes
Beispiel eines Raman-Spektroskopie-Systems 100 gemäß dem Stand
der Technik. Eine Laserquelle 110 beleuchtet eine Probe 120,
die an einem Tisch 130 gehalten ist. Von der Probe 120 reflektiertes
Licht 115 umfasst elastisch gestreutes Licht (welches als
Rayleigh-gestreutes
Licht bezeichnet werden kann) sowie inelastisch (Raman-)gestreutes
Licht. Um das Raman-gestreute Licht zu isolieren, umfasst das System 100 einen
Monochromator 105, umfassend ein Beugungsgitter 140,
einen Filtermechanismus wie ein Notch-Filter 155 und/oder
einen Spalt 107 und einen festen Detektor 150.
Um verschiedene Regionen der Probe 120 zu analysieren,
kann der Tisch 130 verwendet werden, um eine Relativbewegung
der Probe bezüglich
des eintretenden Lichts bereitzustellen.
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Das
Licht 115 fällt
auf ein rotierbares Beugungsgitter 140, welches das Licht
gemäß seiner Wellenlänge dispergiert.
In 1 ist die relative
Position von Gitter 140 und Detektor 150 so gewählt, dass
eine gewünschte
Wellenlänge λd detektiert
wird, andere Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 aber
nicht detektiert werden. Weil die Ramanverschiebung relativ klein
ist, umfasst das System 100 ferner ein Notch-Filter 155,
welches vor dem Detektor 150 positioniert und ausgebildet
ist zum Filtern der starken Rayleigh-Streukomponente bei der Anregungswellenlänge.
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Es
können
verschiedene Detektortypen verwendet werden. In älteren Spektroskopie-Systemen waren
Photomultiplierröhren
(PMTs) üblich.
PMTs integrieren jedoch das an der gesamten Detektoroberfläche empfangene
Signal. Im Gegensatz dazu verwenden neuere Spektroskopie-Systeme
generell Array-Detektoren, z.B. Charge-Coupled-Device-(CCD-)Array-Detektoren,
Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS-)Detektoren
und Photodioden-Array-Detektoren.
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Zum
Detektieren der gewünschten
Wellenlänge
(und/oder zum Scannen einer Anzahl von Wellenlängen) wird bei einigen existierenden
Systemen das Beugungsgitter 140 rotiert, während der
Detektor 150 fest ist. Wenn beispielsweise die Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 von
Interesse sind, kann das Beugungsgitter 140 rotiert werden,
um den Bereich von Wellenlängen
zu scannen, wie in 1 gezeigt.
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Für existierende
Spektroskopie-Systeme ist die Wellenlängenauflösung für eine bestimmte Messung (d.h.
die bei einem bestimmten Rotationswinkel des Beugungsgitters 140 gesammelten
Daten) fest.
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Eine
Methode, nach der frühere
Systeme verwendet werden konnten, um mehr Daten über bestimmte Wellenlängenbereiche
von Interesse zu erhalten, war das Scannen des Lichts über den
Detektor durch Rotieren des Beugungsgitters 140. Für ein niedrigauflösendes System
konnte ein Nutzer die Wellenlängen
zuerst schnell scannen durch Rotieren des Beugungsgitters 140 um
einen ersten Winkelbereich bei einer ersten Geschwindigkeit. Nach
Identifizierung der Wellenlängenbereiche
von Interesse konnte der Nutzer einen oder mehrere zusätzliche Scans
durchführen.
Durch Durchführung
der Scans bei einer niedrigeren Geschwindigkeit (und üblicherweise
für einen
kleineren Winkelbereich) kann die Auflösung der Spektroskopie erhöht werden.
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ZUSAMMENFASSUNG
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Allgemein
gemäß einem
Aspekt umfasst ein spektroskopisches System ein dispersives Element (z.B.
ein festes oder rotierbares Reflexionsbeugungsgitter, Transmissionsbeugungsgitter,
Prisma oder anderes dispersives Element), positioniert zum Empfangen
von eintretendem Licht, welches eine Mehrzahl von Wellenlängen umfasst,
und zum Transmittieren von wellenlängendispergiertem Licht. Das System
umfasst ferner einen Detektor, ausgebildet zum Empfangen von mindestens
einem Teil des wellenlängendispergierten
Lichts, wobei der mindestens eine Teil des dispergierten Lichts
divergentes dispergiertes Licht umfasst. Das System umfasst ferner
einen beweglichen Detektorhalter (z.B. einen motorisierten Rotations-
und Lineartranslationstisch), ausgebildet zum Positionieren des
Detektors, um einen gewünschten
Teil des divergenten dispergierten Lichts zu empfangen, und wobei
der Detektor an dem beweglichen Detektorhalter gehalten ist. Der
bewegliche Detektorhalter (z.B. der motorisierte Rotations- und
Lineartranslationstisch) kann eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung
umfassen, ausgebildet zum Empfangen von Signalen, welche indikativ
sind für
eine gewünschte
Position des Detektors, und zum Positionieren des Detektors, um
den gewünschten Teil
des divergenten dispergierten Lichts bei der gewünschten Position zu empfangen.
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Der
bewegliche Detektorhalter kann ausgebildet sein zum Positionieren
des Detektors bei einer vorbestimmten optischen Pfadlänge von
dem dispersiven Element, um eine vorbestimmte Auflösung zu erhalten.
Der Detektor kann bei einer ersten vorbestimmten optischen Pfadlänge von
dem dispersiven Element positioniert werden, um eine erste Auflösung zu
erhalten, und dann bei einer zweiten vorbestimmten optischen Pfadlänge von
dem dispersiven Element positioniert werden, um eine zweite Auflösung zu
erhalten. Die zweite Auflösung
kann höher sein
als die erste Auflösung,
und die zweite optische Pfadlänge
kann größer sein
als die erste optische Pfadlänge.
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Der
bewegliche Detektorhalter kann ausgebildet sein zum Positionieren
des Detektors bei einer ersten Position mit einer ersten vorbestimmten
Winkelbeziehung zu dem dispersiven Element und kann ferner ausgebildet
sein zum Positionieren des Detektors bei einer zweiten Position
mit einer zweiten, verschiedenen vorbestimmten Winkelbeziehung zu
dem dispersiven Element.
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Das
System kann ferner ausgebildet sein zum Durchführen von Tiefenprofilierung
mittels Licht verschiedener Anregungswellenlängen. Beispielsweise können die
Mehrzahl von Wellenlängen
eine erste Anregungswellenlänge
und eine zweite Anregungswellenlänge
umfassen. Das System kann ausgebildet sein zum Bewegen des Detektorhalters
zu einer ersten Position, welche der ersten Anregungswellenlänge zugeordnet
ist, und zum Erhalten von spektroskopischen Daten, welche indikativ
sind für eine
oder mehrere physikalische Charakteristika einer ersten Probenregion
bis zu einer ersten Tiefe. Das System kann ausgebildet sein zum
Bewegen des Detektorhalters zu einer zweiten Position, welche der
zweiten Anregungswellenlänge
zugeordnet ist, und zum Erhalten von spektroskopischen Daten, welche
indikativ sind für
die eine oder die mehreren physikalischen Charakteristika der ersten
Probenregion bis zu einer zweiten, verschiedenen Tiefe. Die erste
Position, welche der ersten Anregungswellenlänge zugeordnet ist, kann eine
Position zum Empfangen von Raman-verschobenem Licht von der ersten
Probenregion umfassen, wobei das Raman-verschobene Licht inelastisch
gestreutes Licht, welches auf die erste Probenregion bei der ersten
Anregungswellenlänge
einfällt,
umfasst.
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Die
Mehrzahl von Wellenlängen
können
eine erste Anregungswellenlänge
und eine zweite Anregungswellenlänge
umfassen, und das System kann ferner einen weiteren Detektor umfassen,
ausgebildet zum Empfangen von mindestens einem Teil des divergenten
dispergierten Lichts. Das System kann einen weiteren beweglichen
Detektorhalter umfassen, ausgebildet zum Positionieren des weiteren
Detektors, um einen verschiedenen gewünschten Teil des divergenten
dispergierten Lichts zu empfangen. Der weitere Detektor kann an
dem weiteren beweglichen Detektorhalter gehalten sein. Der gewünschte Teil
des divergenten dispergierten Lichts kann Licht umfassen, welches
der ersten Anregungswellenlänge
zugeordnet ist, während
der verschiedene gewünschte
Teil des divergenten dispergierten Lichts Licht umfassen kann, welches
der zweiten Anregungswellenlänge
zugeordnet ist.
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Das
dispersive Element, der Detektor und der bewegliche Detektorhalter
sind in einem Monochromator enthalten. Das System kann ferner einen Probenhalter
und eine Lichtquelle, die zum Erzeugen von Licht bei einer ersten
Anregungswellenlänge ausgebildet
ist, umfassen. Die Lichtquelle kann positioniert sein zum Transmittieren
von Licht bei der ersten Anregungswellenlänge zu einer an dem Probenhalter
gehaltenen Probe, und das dispersive Element kann positioniert sein
zum Empfangen von Licht, welches an der Probe als Antwort auf den
Empfang des Lichts bei der ersten Anregungswellenlänge gestreut wird.
Das an der Probe gestreute Licht kann Rayleigh-gestreutes Licht
und Raman-gestreutes Licht umfassen.
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Das
System kann ferner einen Lichtstopper benachbart zu dem Detektor
umfassen. Der Lichtstopper kann ausgebildet sein, den Empfang von Licht
bei einer ersten Anregungsfrequenz in dem Detektor zu einer ersten
Zeit zu erlauben, und kann ferner ausgebildet sein, den Empfang
von Licht bei der ersten Anregungsfrequenz in dem Detektor zu einer zweiten,
verschiedenen Zeit im Wesentlichen zu verhindern. Das System kann
ferner einen Bewegungsmechanismus umfassen, der ausgebildet ist,
den Lichtstopper zu der ersten Zeit von dem Detektor weg zu positionieren.
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Das
System kann ein oder mehrere zusätzliche
optische Elemente umfassen. Zum Beispiel kann das System ferner
einen gekrümmten
Spiegel umfassen, der positioniert ist zum Empfangen von Licht, welches
von einer Oberfläche
reflektiert wird, und zum Reflektieren des empfangenen Lichts zu
dem dispersiven Element als eintretendes Licht. Das System kann
ferner einen zweiten Spiegel umfassen, wobei der zweite Spiegel
ausgebildet ist zum Empfangen von dispergiertem Licht von dem dispersiven Element
und zum Reflektieren des empfangenen dispergierten Lichts als divergentes
dispergiertes Licht.
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Allgemein
gemäß einem
weiteren Aspekt kann ein Monochromator-System ein dispersives Element umfassen,
ausgebildet zum Empfangen von Licht, welches eine Mehrzahl von Wellenlängen umfasst,
und zum Dispergieren der Mehrzahl von Wellenlängen gemäß der Wellenlänge. Das
System kann ferner eine Steuer- und/oder Regeleinrichtung umfassen,
ausgebildet zum Empfangen von Information, welche indikativ ist
für eine
gewünschte
spektroskopische Auflösung,
und zum Erzeugen von einem oder mehreren Signalen, welche indikativ
sind für
die gewünschte
spektroskopische Auflösung.
Das System kann ferner einen Zoom-Mechanismus umfassen, umfassend
mindestens einen der Mechanismen, welche sind ein optischer Zoom-Mechanismus und
ein mechanischer Zoom-Mechanismus, wobei der Zoom-Mechanismus mindestens
ein Element umfasst, welches bezüglich
des dispersiven Elements beweglich ist. Der Zoom-Mechanismus kann mit
der Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Kommunikation stehen und
ausgebildet sein zum Bewegen des mindestens einen Elements als Antwort
auf den Empfang des einen oder der mehreren Signale, welche indikativ
sind für
die gewünschte
spektroskopische Auflösung.
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Beispielsweise
kann der Zoom-Mechanismus einen mechanischen Zoom-Mechanismus umfassen,
umfassend einen Detektorhalter, der bezüglich des dispersiven Elements
beweglich ist. Der Detektorhalter kann eine Positionssteuer- und/oder
-regeleinrichtung umfassen, ausgebildet zum Empfangen des einen
oder der mehreren Signale, welche indikativ sind für die gewünschte spektroskopische Auflösung, und
zum Bewegen des Detektorhalters zu einer Position, die der gewünschten
spektroskopischen Auflösung
zugeordnet ist.
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Gemäß einem
weiteren Beispiel kann der Zoom-Mechanismus einen optischen Zoom-Mechanismus
umfassen, umfassend mindestens ein bewegliches optisches Element,
und wobei der optische Zoom-Mechanismus ausgebildet ist zum Empfangen
des einen oder der mehreren Signale, welche indikativ sind für die gewünschte spektroskopische Auflösung, und
zum Bewegen mindestens des einen beweglichen optischen Elements
relativ zu dem dispersiven Element zu einer Position, die der gewünschten
spektroskopischen Auflösung
zugeordnet ist. Das Monochromator-System kann einen Detektor umfassen,
ausgebildet zum Empfangen von Raman-verschobenem Licht, welches
an einer Probe gestreut wird.
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Allgemein
gemäß einem
weiteren Aspekt, kann ein Monochromator-System ein optisches System umfassen,
ausgebildet zum Empfangen von Licht, welches an einer ersten Region
einer Probenoberfläche
als Antwort auf den Empfang von Licht bei einer Mehrzahl von Anregungswellenlängen gestreut wird,
und zum Dispergieren des empfangenen Lichts gemäß der Wellenlänge. Das
System kann ferner einen ersten Detektor umfassen, welcher an einem ersten
beweglichen Detektorhalter gehalten ist, und einen zweiten Detektor,
welcher an einem zweiten beweglichen Detektorhalter gehalten ist.
Der erste bewegliche Detektorhalter kann ausgebildet sein zum Bewegen
des ersten Detektors zu einer ersten Position, welche einer ersten
Anregungswellenlänge der
Mehrzahl von Anregungswellenlängen
zugeordnet ist. Der zweite bewegliche Detektorhalter kann ausgebildet
sein zum Bewegen des zweiten Detektors zu einer zweiten Position,
welche einer zweiten, verschiedenen Anregungswellenlänge der
Mehrzahl von Anregungswellenlängen
zugeordnet ist.
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Der
erste Detektor kann ferner ausgebildet sein zum Detektieren eines
empfangenen Teils von Licht, welches an der ersten Region der Probenoberfläche als
Antwort auf den Empfang von Licht bei der ersten Anregungswellenlänge zu einer
ersten Zeit gestreut wird, während
der zweite Detektor ferner ausgebildet sein kann zum Detektieren
eines empfangenen Teils von Licht, welches an der ersten Region
der Probenoberfläche
als Antwort auf den Empfang von Licht bei der zweiten Anregungswellenlänge zu der
ersten Zeit gestreut wird.
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Das
optische System kann ein Dispersionselement umfassen, ausgewählt aus
der Gruppe, welche aus einem Transmissionsbeugungsgitter, einem Reflexionsbeugungsgitter
und einem Prisma besteht. Der empfangene Teil von Licht, welches
an der ersten Region der Probenoberfläche als Antwort auf den Empfang
von Licht bei der ersten Anregungswellenlänge zu der ersten Zeit gestreut
wird, kann divergentes Licht oder im Wesentlichen paralleles Licht
umfassen.
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Der
erste Detektor kann ferner ausgebildet sein zum Empfangen von Licht,
welches an mindestens einer zweiten Region der Probenoberfläche als Antwort
auf den Empfang von Licht bei der ersten Anregungswellenlänge zu der
ersten Zeit gestreut wird. Das optische System kann eine erste optische
Faser, positioniert zum Empfangen von Licht, welches an der ersten
Region der Probenoberfläche
gestreut wird, und eine zweite optische Faser, positioniert zum Empfangen
von Licht, welches an der zweiten Region der Probenoberfläche gestreut
wird, umfassen.
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Der
erste Detektor kann einen Array-Detektor umfassen, z.B. einen Detektor,
der aus der Gruppe ausgewählt
ist, welche aus einem CCD-Array-Detektor,
einem Photodioden-Array-Detektor und einem CMOS-Detektor besteht.
Das optische System kann einen flachen Spiegel umfassen, ausgebildet
zum Reflektieren von divergentem Licht, welches in dem ersten Detektor
empfangen werden soll.
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Das
Licht, welches an der ersten Region der Probenoberfläche als
Antwort auf den Empfang von Licht bei der ersten Anregungswellenlänge zu der ersten
Zeit gestreut wird, kann an einem Teil der ersten Region der Probenoberfläche gestreut
werden, der sich eine erste Tiefe nach unten erstreckt, während das
Licht, das an der ersten Region der Probenoberfläche als Antwort auf den Empfang
von Licht bei der zweiten Anregungswellenlänge zu der ersten Zeit gestreut
wird, an einem Teil der ersten Region der Probenoberfläche gestreut
werden kann, der sich eine zweite Tiefe, die von der ersten Tiefe
verschieden ist, nach unten erstreckt. Damit kann das System ausgebildet
sein zum Erzeugen eines Tiefenprofils der Probe.
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Allgemein
gemäß einem
weiteren Aspekt kann ein Spektroskopie-Verfahren das Empfangen von Information
umfassen, welche indikativ ist für eine
erste gewünschte
Auflösung
für eine
Spektroskopie-Messung. Das Verfahren kann ferner umfassen das Positionieren
von mindestens einem Teil einer Zoom-Vorrichtung relativ zu einem
dispersiven Element basierend auf der ersten gewünschten Auflösung. Das
Verfahren kann ferner umfassen das Erhalten von ersten Spektroskopie-Daten
mit der ersten gewünschten
Auflösung
mittels des Detektors. Das Verfahren kann ferner umfassen das Empfangen von
Information, welche indikativ ist für eine zweite gewünschte Auflösung für eine Spektroskopie-Messung,
und das Positionieren des mindestens einen Teils einer Zoom-Vorrichtung
relativ zu dem dispersiven Element basierend auf der zweiten gewünschten Auflösung. Das
Verfahren kann ferner umfassen das Erhalten von zweiten Spektroskopie-Daten
mit der zweiten gewünschten
Auflösung
mittels des Detektors.
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Das
Verfahren kann ferner umfassen das Empfangen von Information, welche
indikativ ist für einen
ersten gewünschten
Wellenlängenbereich
für die
Spektroskopie-Messung, wobei der erste gewünschte Wellenlängenbereich
sich von einer ersten Extremumwellenlänge (d.h. einem Minimum oder Maximum des
Bereichs) zu einer zweiten Extremumwellenlänge (dem jeweils anderen Extremum – Minimum
bzw. Maximum – des
Bereichs) erstreckt. Das Verfahren kann ferner umfassen das Positionieren des
Detektors relativ zu dem dispersiven Element basierend auf der ersten
Extremumwellenlänge,
und das Erhalten von ersten Spektroskopie-Daten mit der ersten gewünschten
Auflösung
mittels des Detektors kann das Scannen des Detektors relativ zu
dem dispersiven Element von der Position basierend auf der ersten
Extremumwellenlänge
bis zu einer Position basierend auf einer zweiten Extremumwellenlänge umfassen.
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Das
Verfahren kann ferner umfassen das Empfangen von Information, welche
indikativ ist für einen
zweiten gewünschten
Wellenlängenbereich
für die
Spektroskopie-Messung, wobei der zweite gewünschte Wellenlängenbereich
sich von einer initialen Extremumwellenlänge zu einer finalen zugeordneten
Extremumwellenlänge
erstreckt. Der zweite gewünschte
Wellenlängenbereich
kann kleiner sein als der erste gewünschte Wellenlängenbereich.
Das Verfahren kann ferner umfassen das Positionieren des Detektors
relativ zu dem dispersiven Element basierend auf der initialen Extremumwellenlänge. Das Spektroskopie-Verfahren
kann ein Raman-Spektroskopie-Verfahren sein.
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Allgemein
gemäß einem
weiteren Aspekt kann ein Spektroskopie-Verfahren umfassen: Erzeugen von Anregungslicht,
umfassend eine Mehrzahl von im Wesentlichen diskreten Anregungswellenlängen, umfassend
eine erste Anregungswellenlänge und
eine zweite Anregungswellenlänge.
Das Verfahren kann ferner umfassen das Streuen des Anregungslichts
an einer ersten Region einer Probe und das Dispergieren des gestreuten
Lichts gemäß der Wellenlänge. Das
Verfahren kann ferner umfassen das Empfangen eines ersten Teils
des dispergierten Lichts an einem ersten Detektor, positioniert
zum Empfangen von Licht, welches der ersten Anregungswellenlänge zugeordnet
ist, und das Empfangen eines zweiten, verschiedenen Teils des dispergierten
Lichts an einem zweiten Detektor, positioniert zum Empfangen von
Licht, welches der zweiten Anregungswellenlänge zugeordnet ist. Das Verfahren kann
ferner umfassen das Bestimmen von einer oder mehreren Charakteristika
der ersten Region der Probe basierend auf dem ersten Teil und dem
zweiten Teil.
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Das
Streuen des Anregungslichts an einer ersten Region einer Probe kann
das Streuen von Licht mit der ersten Anregungswellenlänge an einer ersten
Tiefe der ersten Region der Probe umfassen und kann ferner das Streuen
von Licht mit der zweiten Anregungswellenlänge an einer zweiten, verschiedenen
Tiefe der ersten Region der Probe umfassen. Das Verfahren kann ferner
umfassen, dass das Bestimmen von einer oder mehreren Charakteristika
der ersten Region der Probe basierend auf dem ersten Teil und dem
zweiten Teil das Erzeugen eines Tiefenprofils der ersten Region
der Probe umfasst. Das Tiefenprofil kann Daten umfassen, welche indikativ
sind für
eine oder mehrere physikalische Charakteristika der ersten Region
der Probe bei der ersten Tiefe, und Daten, die indikativ sind für eine oder
mehrere physikalische Charakteristika der ersten Region der Probe
bei der zweiten Tiefe.
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Diese
und andere Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben
sich aus der nachfolgenden Detailbeschreibung der beispielhaften
Implementierungen in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung.
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KURZBESCHREIBUNG
DER FIGUREN
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1 ist
eine Draufsicht auf ein Raman-Spektroskopie-System nach dem Stand
der Technik;
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2 ist
eine Draufsicht auf einen Monochromator;
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3 ist
eine schematische Draufsicht auf ein Spektroskopie-System gemäß einigen
Ausführungsformen;
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4A ist
eine Draufsicht auf ein Monochromator-System gemäß einigen Ausführungsformen;
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4B veranschaulicht
die Auflösungsunterschiede
für drei
verschiedene Radialpositionen eines Detektors in einem Spektroskopie-System;
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4C ist
eine perspektivische Darstellung eines Monochromator-Systems gemäß einigen
Ausführungsformen;
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5 ist
eine Draufsicht auf eine Ausführungsform
eines Spektroskopie-Systems;
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6 ist
eine Draufsicht auf eine Ausführungsform
eines Spektroskopie-Systems zum Detektieren multipler Wellenlängen;
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7 ist
eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Spektroskopie-Systems
zum Detektieren multipler Wellenlängen;
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8 ist
eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform eines Spektroskopie-Systems
zum Detektieren multipler Wellenlängen;
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9A und 9B sind
Draufsichten auf Ausführungsformen
eines Spektroskopie-Systems zum Detektieren multipler Wellenlängen;
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9C ist
eine perspektivische Darstellung einer Ausführungsform eines Spektroskopie-Systems
zum Detektieren multipler Wellenlängen; und
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9D ist
eine Illustration einer CCD-Anzeige für die Spektroskopie von multiplen
Lokalisationen einer Probe.
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Gleiche
Bezugssymbole in den verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche Elemente.
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DETAILBESCHREIBUNG
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Hierin
bereitgestellte Systeme und Techniken können eine flexiblere Spektroskopie
als die mit existierenden Spektroskopie-Systemen bereitgestellte
erlauben.
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Für optische
Spektrometer werden Monochromatoren verwendet, um bestimmte Wellenlängen oder
Wellenlängenbereiche
von Interesse zu isolieren. Typisch wählt ein Nutzer einen bestimmten Monochromator
basierend auf der erwarteten Anwendung. Beispielsweise werden für Raman-Spektroskopie-Anwendungen allgemein
voluminöse
hochauflösende
Monochromatoren verwendet, um hochauflösende Daten für die Raman-Peaks
von Interesse zu erhalten. Für
andere Anwendungen mag ein Nutzer einen kompakten und leicht bedienbaren
niedrigauflösenden
Monochromator zu wählen
wünschen.
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Zur
Bereitstellung von verbesserter Flexibilität umfassen hierin bereitgestellte
Systeme und Techniken Monochromator- und Spektrometer-Ausführungen
mit Zoom-In-/Zoom-Out-Funktion. Als eine Folge davon kann sowohl
niedrig- als auch hochauflösende
Spektroskopie durchgeführt
werden.
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2 ist
eine Draufsicht auf einen Monochromator 205, die veranschaulicht,
wie die Auflösung
eines Systems 200 von dem Abstand zwischen Beugungsgitter 240 und
Detektor 250 abhängt,
für divergentes
Licht, welches auf den Detektor 250 einfällt.
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Wenn
der Detektor 250 in einem Abstand d1 positioniert
ist, der relativ nahe dem Beugungsgitter 240 ist, fängt er Licht
in einem relativ großen
Raumwinkel auf. Dies liefert eine niedrigauflösende "Sicht" des Materials (d.h. einen relativ großen Wellenlängenbereich
des reflektierten Lichts). Wenn aber der Detektor 250 in
einem Abstand d2 positioniert ist, der von
dem Beugungsgitter 240 relativ weit entfernt ist, fängt er Licht
in einem relativ kleinen Raumwinkel auf. Das aufgefangene Licht
umfasst einen schmaleren Wellenlängenbereich,
so dass eine höher
auflösende
Sicht des Materials bereitgestellt wird.
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3 zeigt
ein Diagramm eines Spektroskopie-Systems 300 mit Zoom-In-/Zoom-Out-Funktion gemäß einigen
Ausführungsformen.
Das System 300 umfasst eine Probe 320, welche
an einem Tisch 330 gehalten ist, und ein Monochromator-System 305. Das
Monochromator-System 305 umfasst einen Wellenlängendispersionsmechanismus,
z.B. ein Beugungsgitter 340, das zum Dispergieren von eintretendem
Licht 315 gemäß der Wellenlänge ausgebildet ist.
Der Monochromator 350 umfasst ferner einen beweglichen
Detektor 350. Ein Nutzer kann die Position des beweglichen
Detektors 350 einstellen, um die gewünschte spektrale Auflösung zu
erhalten. Beispielsweise kann der Nutzer dem Spektroskopie-System via
eine Nutzerschnittstelle, z.B. via einen Computer, einen oder mehrere
Parameter bereitstellen, die indikativ sind für eine gewünschte Positionierung, und eine
oder mehrere Steuer- und/oder Regeleinrichtungen des Systems 300 (nicht
gezeigt) können
den Detektor 350 auf Basis des einen oder der mehreren
Parameter positionieren. Bei einigen Ausführungsformen kann ein Nutzer
den Detektor 350 mindestens teilweise mittels eines oder
mehrerer Handbedienungselemente (z.B. Knöpfen, Hebeln oder anderer Handbedienungselemente)
positionieren.
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Beispielsweise
kann zu einer ersten Zeit t1 der Detektor 350 in
einem Abstand d1 von dem Beugungsgitter 340 positioniert
werden, und der Detektor 350 kann niedrigauflösende Daten
der Probe 320 erhalten. Die niedrigauflösenden Daten können analysiert
werden, um eine oder mehrere Wellenlängenregionen von Interesse
zu bestimmen. Zu einer späteren
Zeit t2 kann der Detektor 350 in
einem verschiedenen Abstand d1 von dem Beugungsgitter 340 positioniert
werden, und der Detektor 350 kann hochauflösende Daten
von der Probe 320 (oder von einer verschiedenen Probe,
die höher
auflösende
Daten verlangt) erhalten.
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Der
Monochromator 305 kann ferner ausgebildet sein zum Bereitstellen
einer relativen Winkelversetzung zwischen Beugungsgitter 340 und
Detektor 350. Die relative Winkelbewegung kann verwendet
werden, um den Detektor 350 nach Wunsch auszurichten (z.B.
zum Auffangen von Raman-verschobenem Licht) und/oder um den Strahl über den
Detektor 350 zu scannen. Die relative Winkelbewegung kann
bereitgestellt werden durch Rotieren des Detektors 350 um
das Beugungsgitter 340, während das Beugungsgitter 340 fest
ist. Stattdessen (oder zusätzlich)
kann das Beugungsgitter 340 rotiert werden. Zusätzlich,
wie oben erwähnt,
können
dispersive Elemente verwendet werden, die von Reflexionsbeugungsgittern
verschieden sind, z.B. Transmissionsgitter oder Prismen.
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Ausführungsformen,
bei denen das Beugungsgitter 340 fest ist, können für einige
Anwendungen besonders vorteilhaft sein. Beispielsweise kann bei
einigen Spektroskopie-Systemen eine Anzahl von zusätzlichen
optischen Elementen (z.B. flache Spiegel, gekrümmte Spiegel etc.) mit dem
Gitter 340 verwendet werden. Die Einbeziehung eines beweglichen
Detektors 350 kann verbesserte Benutzerfreundlichkeit erlauben.
Anstatt Elemente des optischen Systems zu bewegen, um ein Signal
bei der Wellenlänge
von Interesse zu detektieren, muss der Nutzer eher nur den Dispersionswinkel
der Wellenlänge
von Interesse berechnen und/oder die gewünschte Auflösung bestimmen und den Detektor 350 entsprechend
positionieren.
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Der
Detektor 350 kann auf verschiedene Weise bewegt werden.
Beispielsweise kann der Detektor 350 an einem Tisch 370 gehalten
sein, um die gewünschte
Bewegung bereitzustellen (z.B. eine Radial- und/oder Winkelbewegung).
Bei einigen Ausführungsformen
kann der Tisch 370 ein motorisierter Rotations- und Lineartranslationstisch
sein. Der Tisch kann eine Steuer- und/oder
Regeleinrichtung umfassen, ausgebildet zum Empfangen von Signalen,
welche indikativ sind für
eine gewünschte
Position des Tischs 370, und zum Bewegen des Tischs als
Antwort auf die empfangenen Signale.
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Das
System 300 kann ferner einen Einlassspalt umfassen (nicht
gezeigt). Enge Spalte können verwendet
werden, um die Auflösung
zu verbessern, können
aber auch die Lichtmenge reduzieren, die für die Detektion zur Verfügung steht.
Größere Einlassspalte
erhöhen
die für
die Detektion zur Verfügung stehende
Lichtmenge, aber die Auflösung
kann geringer sein als erwünscht.
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4A zeigt
eine Ausführungsform
eines Monochromator-Systems 405. Das System 405 empfängt Licht
(einschließlich
zu analysierendes Licht) durch einen Eingangsspalt 407 (der
eine für
die jeweilige Anwendung gewählte
Breite haben kann, wie oben erwähnt).
Das Licht wird von einem gekrümmten
Spiegel 409 reflektiert und fällt dann auf ein dispersives
Element, z.B. ein Transmissionsgitter 440. Das dispergierte
Licht wird von einem flachen Spiegel 411 reflektiert. Verschiedene
Teile des reflektierten Lichts können
von einem Detektor 450 empfangen werden, bei dem es sich
um einen CCD-Array-Detektor,
einen Photodioden-Array-Detektor, einen Komplementär-Metalloxid-Halbleiter-(CMOS-)Detektor
oder einen anderen Typ von Detektor handeln kann.
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Es
sei angemerkt, dass einige existierende Systeme ein ähnliches
optisches System verwenden wie das in 4A gezeigte,
ausgenommen, dass an Stelle des flachen Spiegels 411 ein
gekrümmter
Spiegel verwendet wird. Bei diesem System reflektiert das dispergierte
Licht von dem gekrümmten
Spiegel als parallele Lichtstrahlen, die sich in der Wellenlänge über ihre
Ausdehnung unterscheiden. Durch Ersetzen des gekrümmten Spiegels
durch den flachen Spiegel 411 divergiert das dispergierte
Licht, so dass das Auffangen des Lichts bei verschiedenen Abständen Messungen
mit verschiedener Auflösung
erlaubt.
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4B veranschaulicht
die verschiedenen Auflösungen,
die bei drei verschiedenen Radialpositionen des Detektors 450 erhalten
werden können. Bei
einer ersten Position, die dem Spiegel 411 am nächsten liegt
(und damit die kürzeste
optische Pfadlänge
zu dem Beugungsgitter 440 aufweist), kann ein niedrigauflösendes Spektrum
erhalten werden, welches einen breiten Wellenlängenbereich enthält. Bei einer
zweiten Position, die von dem Spiegel 411 am weitesten
entfernt liegt, kann ein hochauflösendes Spektrum erhalten werden,
welches einen schmalen Wellenlängenbereich
enthält.
Bei einer dritten, dazwischenliegenden Position kann ein mittelauflösendes Spektrum
erhalten werden.
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4C ist
eine perspektivische Darstellung einer weiteren Ausführungsform
eines Monochromators 405. Der Monochromator 405 umfasst
einen Eintrittsspalt 407 zum Empfangen von Licht von einer Probe.
Das empfangene Licht fällt
auf einen gekrümmten
Spiegel 409 und wird dann über ein Gitter 440 dispergiert.
Im Gegensatz zu dem Monochromator von 4A ist
der flache Spiegel 411 weggelassen. Das dispergierte Licht
fällt auf
einen Detektor 450, der näher zu dem Gitter 440 für niedrigere
Auflösung
oder weiter entfernt von dem Gitter 440 für höhere Auflösung positioniert
werden kann.
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Bei
einigen Ausführungsformen
kann eine optische Zoom-In-/Zoom-Out-Funktion
verwendet werden an Stelle oder zusätzlich zu der mechanischen
Zoom-In-/Zoom-Out-Funktion wie oben beschrieben und in den 3, 4A und 4C veranschaulicht.
Beispielsweise kann ein Monochromator einen festen Detektor umfassen,
mit einem oder mehreren optischen Elementen positioniert zwischen dem
Dispersionselement und dem Detektor. Das eine oder die mehreren
optischen Elemente können eine
erste feste Linse und eine zweite bewegliche Linse umfassen, so
dass die Dispersion des Lichts am Detektor erhöht (Zoom-In, für erhöhte Auflösung) oder
reduziert (Zoom-Out, für
reduzierte Auflösung) wird.
Bei einigen Ausführungsformen
können
kommerzielle Zoom-In-/Zoom-Out-Linsenanordnungen für Kamerasysteme
verwendet werden. Jedoch können
für Anwendungen,
wo die verwendeten Wellenlängen
durch Glas unangemessen absorbiert werden, andere Linsenmaterialen
erforderlich sein. Zum Beispiel können Quarz oder andere UV-kompatible Materialien
erforderlich sein.
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Wie
bereits erwähnt,
kann in früheren
Spektroskopie-Systemen ein Notch-Filter verwendet werden, um das
starke Rayleigh-gestreute Lasersignal herauszufiltern, so dass das
Raman-Signal analysiert werden kann. Für ein System, welches einen
beweglichen Detektor umfasst, wie z.B. die in den 3 und 4A gezeigten
und oben beschriebenen Systeme, kann eine verschiedene Technik verwendet
werden, welche sowohl eine leichtere als auch eine genauere Spektroskopie-Kalibrierung
bereitstellen kann.
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Für die Raman-Spektroskopie
kann der Unterschied in der Wellenlänge zwischen der Anregungswellenlänge λexc und
der Raman-Wellenlänge λRaman als
?λ bezeichnet
werden. Um λRaman effizient und genau zu bestimmen, kann
das Rayleigh-Streusignal bei λexc verwendet werden, um die Position eines
Detektors 550 zu kalibrieren.
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Beispielsweise
kann der Detektor 550 anfänglich in einem Abstand von
einem Beugungsgitter 540 positioniert werden, bei dem sowohl
Rayleigh-gestreutes
Licht als auch Raman-gestreutes Licht über die Breite des Detektors 550 aufgefangen werden
kann (d.h. die Auflösung
ist niedrig genug, um beide Signale gleichzeitig detektieren zu
können).
Der Detektor 550 kann in einem Winkel bezüglich des
Gitters 540 bewegt werden, bis das starke Rayleigh-gestreute
Signal detektiert und so an dem Detektor 550 positioniert
ist, dass das Raman-gestreute Licht ebenfalls von dem Detektor 550 aufgefangen
wird. Es sei angemerkt, dass die relativen Positionen des Raman-
und des Rayleigh-gestreuten Lichts davon abhängen, ob die Stokes-Linie,
die Anti-Stokes-Linie
oder beide detektiert werden sollen.
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Sobald
der Detektor 550 positioniert ist, kann ein Lichtstopper 552 über einen
Aktuator 554 (z.B. ein Mikrometer) in Position bewegt werden,
bis das Rayleigh-gestreute Licht ausreichend geblockt ist. Der resultierende
Raman-Peak kann dann mittels des Detektors 550 aufgefangen
werden. Dies kann eine genauere Spektroskopie bereitstellen, weil
der Raman-Peak bezüglich
der Position des detektierten Rayleigh-Peaks gemessen wird, der
als eine Wellenlängenreferenz
für die
Messung dient.
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Die
Fähigkeit,
den Detektor 550 in einem Winkel bezüglich des Gitters 540 zu
rotieren, wie in 5 illustriert, kann ferner verwendet
werden zur Durchführung
von Spektroskopie bei multiplen Wellenlängen. Dies kann einen wesentlichen
Vorteil einbringen, weil verschiedene Lichtwellenlängen die Probe
bis in verschiedene Tiefen penetrieren. Größere Wellenlängen dringen
tiefer in ein Material ein, während
kleinere Wellenlängen
mit dem Probenmaterial näher
an der Probenoberfläche
wechselwirken. Als eine Folge davon erlaubt die gleichzeitige Verwendung
von multiplen Wellenlängen
ein Tiefenprofil des Materials zu erhalten.
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6 zeigt
eine Draufsicht auf ein vereinfachtes Spektrometrie-System 600,
welches zum Durchführen
von Spektrometrie bei multiplen Wellenlängen verwendet werden kann.
Eine Lichtquelle 610 stellt Anregungslicht mit mehr als
einer Wellenlänge bereit.
Zum Beispiel kann die Lichtquelle 610 ein Laser (z.B. ein
Argon-Ionen-Laser) sein, der Licht bei multiplen Anregungswellenlängen erzeugt,
oder sie kann multiple Laser umfassen, die Licht bei multiplen Wellenlängen erzeugen.
Gemäß 6 werden
Signale mit drei Wellenlängen, λ1, λ2 und λ3,
korrespondierend zu drei verschiedenen Anregungswellenlängen durch
ein Gitter 640 dispergiert. Bei einigen Ausführungsformen
kann ein einziger beweglicher Detektor 650 in einem Winkel
bezüglich
eines Beugungsgitters 640 positioniert werden, um jede
der Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 der
Reihe nach zu detektieren. Bei anderen Ausführungsformen können drei verschiedene
Detektoren 650, 650' und 650'' positioniert werden, um jede der
Wellenlängen λ1, λ2 und λ3 gleichzeitig
zu detektieren.
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Demgegenüber wird
bei einigen existierenden Systemen das Beugungsgitter rotiert, so
dass die Wellenlänge
von Interesse auf einen festen Detektor einfällt. In solchen Systemen kann
das Erhalten von Probendaten bei multiplen Wellenlängen kompliziert sein.
Beispielsweise kann ein erster Satz von Probendaten bei einer ersten
Wellenlänge
mittels einer ersten Lichtquelle erhalten werden. Die Lichtquelle kann
dann verändert
und ein zweiter Satz von Probendaten bei einer zweiten Wellenlänge erhalten werden.
Jedoch müssen
das System für
die neue Lichtquelle kalibriert und der zweite Satz von Daten mit
dem ersten Satz korreliert werden. Existierende Systeme können also
sowohl komplexer als auch weniger genau sein als die Verwendung
der gleichzeitigen Anregung der Probe mit multiplen Wellenlängen.
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7 zeigt
eine weitere Implementierung umfassend ein System 700,
welches ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis für Raman-gestreutes Licht bereitstellen
kann. Das System 700 umfasst einen Spalt 722,
so dass spiegelnd gestreutes Licht nicht auf Detektoren 750, 750' und 750'' einfällt. Ein kollimierter Strahl
fällt auf
ein Gitter 740, welches das Licht gemäß der Wellenlänge dispergiert. 7 veranschaulicht
ein Beispiel, wo drei Wellenlängen
von Interesse in den Detektoren 750, 750' und 750'' detektiert werden (obgleich natürlich verschiedene
Anzahlen von Detektoren verwendet werden können).
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8 zeigt
eine weitere Implementierung umfassend ein System 800 für multiple
Wellenlängenanregung
einer Probe 820, welche an einem Tisch 830 gehalten
ist. Von der Probe 820 reflektiertes Licht kann zuerst
auf ein oder mehrere optische Elemente 823 einfallen, die
das Licht von der Probe 820 fokussieren können, welches
durch einen Spalt 822 transmittiert werden soll. Das Licht
kann dann von einem Spiegel 809 zu einem Beugungsgitter 840 reflektiert
werden. Das dispergierte Licht kann dann von einem flachen Spiegel 800 reflektiert
werden, und die Wellenlängen
von Interesse können
dann in Detektoren 850, 850' und 850'' detektiert
werden. Wie bei der Implementierung nach 4A kann
der flache Spiegel 811 bei einigen Ausführungsformen weggelassen werden.
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9A bis 9C zeigen
verschiedene Implementierungen von Systemen, die zum Erhalten von
Tiefenprofilinformation mittels eines oder mehrerer Monochromatoren 905 verwendet
werden können.
Beispielsweise umfasst gemäß 9A Licht von
einem oder mehreren Lasern 910 eine Mehrzahl von Anregungswellenlängen (z.B.
drei verschiedene Wellenlängen).
Das Licht fällt
auf eine Probe 920, die an einem Tisch 930 gehalten
ist. Reflektiertes Licht fällt
auf eine oder mehrere optische Fasern 928 und wird zu separaten
Monochromatoren 905A, 905B und 905C transmittiert,
die zugeordnete Detektoren 950, 950' und 950'' aufweisen.
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Gemäß 9B wird
Licht, welches von der an dem Tisch 930 gehaltenen Probe 920 reflektiert wird,
in einem Faserbündel 929 empfangen,
das eine Mehrzahl von optischen Fasern umfasst. Die Wellenlängen von
Interesse werden dann zu separaten Monochromatoren 905A, 905B und 905C oder
zu einem einzigen Monochromator 905, der zum Detektieren
multipler Wellenlängen
ausgebildet ist, transmittiert.
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Gemäß 9C kann
eine größere Fläche der
Probe 920 zu einer bestimmten Zeit analysiert werden durch
Einbeziehung eines Strahlaufweiters 913 nach der Lichtquelle 910.
Ein Faserbündel 929 kann
Licht von verschiedenen Regionen der Probe 920 empfangen
und das Licht zu multiplen Monochromatoren oder zu einem einzigen
Monochromator 905 mit multiplen zugeordneten Detektoren,
wie Detektor 950, 950' und 955'',
transmittieren. Ein Spektroskopie-System wie das in 9C gezeigte
kann besonderes geeignet sein für
die Halbleiterindustrie. Wenn eine Probe 920 eine Halbleiterprobe
ist, z.B. ein Siliciumwafer, können
verschiedene Regionen des Wafers (z.B. 9 verschiedene Regionen korrespondierend
zu 9 Fasern in dem Faserbündel 929) gleichzeitig
analysiert werden. 9D zeigt ein Beispiel einer
CCD-Ausgabe korrespondierend zu simultaner Raman-Spektrometrie von
multiplen Regionen des Wafers. Wie 9D zeigt,
zeigen Detektorpixel korrespondierend zu jeder der Probenregionen ein
Signal korrespondierend zu der 520 cm–1-Ramanverschiebung
von Silicium.
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Das
tatsächliche
System, welches zur Verwendung kommt, kann auf die jeweilige Spektroskopie-Anwendung
zugeschnitten sein. So kann z.B. für ein Raman-Spektroskopie-System
ein System mit festen optischen Elementen gewünscht sein wegen seiner Zuverlässigkeit.
Für andere
Spektroskopie-Anwendungen dagegen (z.B. Photolumineszenz-Anwendungen)
kann der Bereich von Wellenzahlen, die detektiert werden sollen,
groß genug
sein, um eine Rotation des Dispersionselements zu wünschen.
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Ähnlich kann
bei einigen Anwendungen ein Dispersionselement ohne andere optische
Elemente (oder mit nur einem Spalt oder einem ähnlichen Mechanismus) verwendet
werden. Obgleich ein solches System mehr Streulicht an dem Detektor
empfangen kann, kann die Größe des gewünschten
Signals größer sein,
weil es keine Dämpfung
infolge der Wechselwirkung des Lichts mit zusätzlichen optischen Elementen
wie Spiegeln und Linsen gibt. Jedoch können bei einigen Anwendungen
zusätzliche
optische Elemente ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis bereitstellen,
trotz der zusätzlichen
Dämpfung.
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In
Implementierungen können
die oben beschriebenen Techniken und ihre Variationen mindestens
teilweise als Computer-Software-Anweisungen implementiert sein.
Solche Anweisungen können
auf einem oder mehreren maschinenlesbaren Speichermedien oder -vorrichtungen
gespeichert sein und werden z.B. durch einen oder mehrere Computerprozessoren
ausgeführt
oder veranlassen die Maschine, die beschriebenen Funktionen und
Operationen durchzuführen.
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Es
wurde eine Anzahl von Implementierungen beschrieben. Zwar wurden
nur ein paar Implementierungen im Vorstehenden detailliert offenbart; andere
Modifikationen sind jedoch möglich,
und die vorliegende Offenbarung beabsichtigt, alle derartigen Modifikationen
abzudecken, ganz besonders jede Modifikation, die für den Durchschnittsfachmann
vorhersehbar ist. Beispielsweise können viele Typen von optischen
Elementen in dem Monochromator- und
Spektroskopie-System Verwendung finden.
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Ferner
sollen nur jene Ansprüche,
die das Wort "Mittel" verwenden, nach
35 USC 112, para. 6, interpretiert werden. Ferner sollen keine Begrenzungen
aus der Beschreibung in die Ansprüche hineingelesen werden, soweit
nicht diese Begrenzungen ausdrücklich
in den Ansprüchen
enthalten sind. Demgemäß fallen
weitere Ausführungsformen
in den Bereich der nachfolgenden Ansprüche.