高光谱和时间分辨率的辉光放电光谱测定设备和方法与流程

本发明涉及用于通过辉光放电光谱测定来分析固体样品的设备和方法。

背景技术：

1、辉光放电光谱(gds)是一种分析技术，该技术允许测量均匀或多层固体样品的元素和/或分子化学成分。测量可以在整体上进行，也可以进行深度解析。此外，对使用质谱测定(gd-ms，用于辉光放电质谱测定)分析固体样品的辉光放电设备或源或使用光学发射光谱测定(gd-oes，用于辉光放电光学发射光谱测定)的设备或源进行了区分。

2、辉光放电光谱测定的原理在于使用等离子体侵蚀样品的表面，然后激发和/或电离被侵蚀的化学物质，并通过质谱法检测被电离的物质，或分别通过光学发射光谱仪检测被激发的物质，以从中推断样品组成。将气体(也称为等离子体气体)注入放电灯的真空室中，并且在灯的电极之间施加电力以生成等离子体。等离子体气体通常是惰性气体，例如氩、氖、氪或氦。等离子体气体也可以由气体的混合物形成，例如氩和另一种气体如氧、氢、氮或氦的混合物。因此，放置在灯的真空外壳中的样品的表面暴露于烧蚀等离子体。该等离子体确保要分析的固体材料的侵蚀和气相中侵蚀空间的激发和/或电离。耦合到真空外壳的质谱仪或光学发射光谱仪允许分析等离子体中存在的化学物质。作为侵蚀持续时间的函数，gds允许对某些样品进行深度分辨定量分析，从而提供被分析样品的成分分布。

3、gds使用起来相对简单，并且有多种应用。它允许分析金属或非金属固体样品中的微量或主要微量元素。辉光放电光谱仪(gds)允许分析大块固体材料的化学成分，但也作为深度的函数(深度分布)。获得深度分布的能力显然是gds区别于其他基本分析技术的地方，如火花光谱、激光诱导击穿光谱(libs)或x射线荧光。

4、市场上gds设备中使用的光学安装件通常基于paschen-runge安装件中多色仪的使用，该多色仪与光电倍增管(pm)传感器相关联以获取几个波长的信号和/或与一系列ccd传感器相关联，该ccd传感器被布置为使得每个传感器获取光谱的一部分。

5、然而，gds信号的强度远低于libs信号。为了以高深度空间分辨率执行gds分布测量，有必要使用允许获得高灵敏度和高获取速度的pm传感器。然而，pm传感器是固定的，并且不允许在整个光谱上进行采集，而只允许在几个预定波长下进行采集。

6、对于薄层样品的分布测量的应用，希望具有表现出高时间分辨率的gds设备，同时使得能够获取比具有pm的多色仪gds设备更多数量的波长。

7、某些样品的成分未知。确定pm定位的波长需要进行初步研究。因此，希望在最大可能的光谱范围内获得以高光谱分辨率获取光学发射光谱，以便能够检测样品成分中的所有化学物质，而无需事先知道它们。

技术实现思路

1、为此，本发明涉及一种辉光放电光谱测定设备，该设备包括适于形成辉光放电等离子体的辉光放电灯和适于接收由辉光放电等离子体发射的光束的一部分的光学发射光谱仪。

2、根据本发明，光学发射光谱仪包括：色散光学部件和中阶梯光栅，被布置并配置为形成光束的二维光谱，该二维光谱被色散成多个衍射级(p1，…pj，…pt)，多个衍射级(p1，…pj，…pt)沿着第一方向(x)延伸，并且每个衍射级(p1，…pj，…pt)根据横向(transverse)于第一方向(x)的第二方向(y)光谱地(spectrally)延伸；以及像素阵列cmos传感器，被布置和配置为获取二维光谱作为时间函数。

3、根据一个具体和有利的方面，cmos传感器适于每秒获取至少20帧(图像)，例如每秒30、50或甚至100帧。

4、在一个实施例中，cmos传感器包括n行m个像素，其中n大于或等于512并且m大于或等于512，例如，1024×1024像素或优选地2048×2048像素。

5、根据另一具体和有利的方面，每个衍射级(p1，…pj，…pt)沿着cmos传感器的行延伸。

6、有利地，辉光放电光谱测定设备包括数据处理系统，该数据处理系统被配置为基于宏像素(macropixel)处理cmos传感器信号，每个宏像素包括cmos传感器的至少2×2个相邻像素。

7、在示例性实施例中，辉光放电光谱测定设备包括在辉光放电灯和光学发射光谱仪的输入之间的光学耦合系统。

8、根据一个具体和有利的方面，色散光学部件包括棱镜。

9、根据一个具体实施例，辉光放电光谱测定设备包括适于接收由辉光放电等离子体发射的光束的另一部分的单色仪或多色仪，该单色仪、多色仪分别包括衍射光栅和光电倍增管传感器、相应的若干光电倍增管传感器，每个光电倍增管传感器适于检测在确定的波长处的光学发射。

10、可选地，辉光放电光谱测定设备包括差分干涉仪，该差分干涉仪用于测量暴露于辉光放电等离子体的样品中的蚀坑的蚀刻深度。

11、本发明还涉及一种辉光放电光谱测定方法，包括以下步骤：形成辉光放电等离子体；在光学发射光谱仪的输入处接收由辉光放电等离子体发射的光束的一部分；通过中阶梯光栅和色散光学部件光谱地色散光束的一部分以形成二维光谱，该二维光谱被色散成多个衍射级(p1，…pj，…pt)，多个衍射级(p1，…pj，…pt)沿着第一方向(x)延伸，并且每个衍射级(p1，…pj，…pt)沿着横向于第一方向的方向光谱地延伸；并且在像素阵列cmos传感器上获取二维光谱作为时间函数。

12、显然，本发明的不同特征、替代方案和实施例可以根据各种组合相互关联，只要它们不是相互不相容或互斥的。

技术特征：

1.一种辉光放电光谱测定设备(100)，包括适于形成辉光放电等离子体(2)的辉光放电灯(1)以及适于接收由所述辉光放电等离子体发射的光束(20)的一部分的光学发射光谱仪，其特征在于，所述光学发射光谱仪包括：色散光学部件(7)和中阶梯光栅(8)，所述色散光学部件(7)和中阶梯光栅(8)被布置并配置为形成所述光束的二维光谱(26)，所述二维光谱(26)被色散成多个衍射级(p1，…pj，…pt)，所述多个衍射级(p1，…pj，…pt)沿第一方向(x)延伸，并且每个衍射级(p1，…pj，…pt)沿着横向于所述第一方向(x)的第二方向(y)光谱地延伸；以及像素阵列cmos传感器(10)，所述像素阵列cmos传感器(10)被布置并配置为获取所述二维光谱(26)作为时间函数。

2.根据权利要求1所述的辉光放电光谱测定设备(100)，其中，所述cmos传感器适于每秒获取至少20帧。

3.根据权利要求1或2所述的辉光放电光谱测定设备(100)，其中，所述cmos传感器包括n行m个像素，其中，n大于或等于512并且m大于或等于512。

4.根据权利要求1或2所述的辉光放电光谱测定设备(100)，其中，每个衍射级(p1，…pj，…pt)沿着所述cmos传感器的行延伸。

5.根据权利要求1或2所述的辉光放电光谱测定设备(100)，包括数据处理系统，所述数据处理系统被配置为基于宏像素来处理cmos传感器信号，每个宏像素包括所述cmos传感器的至少2×2个相邻像素。

6.根据权利要求1或2所述的辉光放电光谱测定设备(100)，在所述辉光放电灯(1)与所述光学发射光谱仪的输入(4)之间包括光学耦合系统。

7.根据权利要求1或2所述的辉光放电光谱测定设备(100)，其中，所述色散光学部件(7)包括棱镜。

8.根据权利要求1或2所述的辉光放电光谱测定设备(100)，包括适于接收由所述辉光放电等离子体发射的所述光束的另一部分(21)的单色仪或多色仪(15)，所述单色仪、所述多色仪(15)分别包括衍射光栅和光电倍增管传感器、相应的若干光电倍增管传感器，每个光电倍增管传感器适于检测在确定的波长处的光学发射。

9.根据权利要求1或2所述的辉光放电光谱测定设备(100)，包括差分干涉仪，所述差分干涉仪用于测量暴露于所述辉光放电等离子体(2)的样品中的蚀坑的蚀刻深度。

10.一种辉光放电光谱测定方法，包括以下步骤：

技术总结
本发明涉及高光谱和时间分辨率的辉光放电光谱测定设备和方法，该辉光放电光谱测定设备(100)包括辉光放电灯(1)和适于接收由辉光放电等离子体(2)发射的光束(20)的光学发射光谱仪。根据本发明，光学发射光谱仪包括：色散光学部件(7)和中阶梯光栅(8)，被布置并配置为形成光束的二维光谱(26)，二维光谱(26)被色散成多个衍射级(P<subgt;1</subgt;，…P<subgt;j</subgt;，…P<subgt;T</subgt;)，多个衍射级(P<subgt;1</subgt;，…P<subgt;j</subgt;，…P<subgt;T</subgt;)沿着第一方向(X)延伸，并且每个衍射级(P<subgt;1</subgt;，…P<subgt;j</subgt;，…P<subgt;T</subgt;)根据横向于第一方向(X)的第二方向(Y)光谱地延伸；以及像素阵列CMOS传感器(10)，被布置并配置为获取二维光谱(26)作为时间函数。

技术研发人员：帕特里克·沙蓬
受保护的技术使用者：堀场（法国）有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15