專利名稱：基于薄膜衰減光而分析相關(guān)試驗(yàn)的儀器的制作方法
本申請與申請?zhí)枮?0/147,682的美國臨時(shí)專利申請有關(guān)，并以該臨時(shí)申請為在先申請而要求優(yōu)先權(quán)，該臨時(shí)申請的申請日為1999年8月6日，這里結(jié)合該臨時(shí)申請的全部內(nèi)容，包括所有權(quán)利要求、附圖和表格在內(nèi)，以供參考。
通常用光學(xué)測量來確定薄膜的厚度。橢圓測量儀通過確定從薄膜反射的偏振光的橢圓度給出薄膜厚度信息。橢圓測量儀通常包括光源、偏振片、分析器、光學(xué)補(bǔ)償器或四分之一波片、以及探測器。例如，5,936,734號美國專利公開了使用單一的、部分的、和/或多重的偏振電磁輻射，對圖案樣本進(jìn)行橢圓測量的系統(tǒng)，而5,946,098號美國專利公開了包括棱鏡形式延時(shí)元件的改進(jìn)橢圓測量儀。
通常使用復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算確定薄膜厚度。為了使用這些數(shù)學(xué)計(jì)算，橢圓測量儀必須精確對準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)元件，以便測量探測器處的信號強(qiáng)度。必須使用昂貴的精確光學(xué)元件以便在薄膜厚度測量中優(yōu)化探測器信號。測量時(shí)間長，但是橢圓測量儀能夠提供精確厚度和折射率數(shù)據(jù)。
可以利用橢圓測量儀的元件旋轉(zhuǎn)在探測器處提供作為時(shí)間和旋轉(zhuǎn)元件的角速度函數(shù)的正弦強(qiáng)度曲線，如同美國專利5,581,350中公開的一樣。在兩個(gè)或多個(gè)分析器角度進(jìn)行測量以便確定偏振片光軸的角度和實(shí)際分析器角度相對于它的標(biāo)稱角度的偏離。測量提供偏振片光軸的角度和偏振片角度相對于其標(biāo)稱角的偏離。該信息用于校準(zhǔn)橢圓測量儀，但是裝置根據(jù)傳統(tǒng)的費(fèi)時(shí)的原理操作，該原理需要精確對準(zhǔn)旋轉(zhuǎn)元件，以便測量薄膜厚度。類似地，美國專利5,877,859公開了旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器橢圓測量儀方法，依靠旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器產(chǎn)生具有直流分量、2ω分量和4ω分量的信號。
根據(jù)美國專利3,985,447，也可以不同角速度旋轉(zhuǎn)光學(xué)補(bǔ)償器和偏振片來測量所產(chǎn)生的作為時(shí)間函數(shù)的透射光強(qiáng)度。利用傅立葉分析確定薄膜反射的光的斯托克斯參數(shù)。以這種方式根據(jù)斯托克斯參數(shù)也可以計(jì)算薄膜厚度和薄膜反射率。該裝置的缺點(diǎn)是系統(tǒng)需要附加元件，包括與時(shí)間相關(guān)的旋轉(zhuǎn)補(bǔ)償器。這些附加元件增加了系統(tǒng)的成本和復(fù)雜程度。
美國專利4,725,145公開了一種用于測量偏振態(tài)的儀器和方法。該儀器只包括光探測器。光探測器具有部分反射表面，并相對于入射光源以傾斜角放置。為光探測器所吸收的光產(chǎn)生電信號，該信號被探測并與光的偏振有關(guān)。偏振片可以旋轉(zhuǎn)以便確定光是否具有偏振特性。在優(yōu)選操作模式中整個(gè)系統(tǒng)旋轉(zhuǎn)。改進(jìn)在于儀器不包括任何波延時(shí)器或偏振片。系統(tǒng)可以包含一個(gè)或多個(gè)光探測器。吸收的光量是入射光的一部分，并與入射光源和入射面的方位定向有關(guān)。探測器表面以圓錐方式旋轉(zhuǎn)。因此入射面是圍繞并包含入射光的平面。電輸出通過旋轉(zhuǎn)調(diào)制，因此該調(diào)制是入射到探測器的光的偏振態(tài)的度量。
美國專利5,552,889公開了一種與溫度無關(guān)的測量偏振光變化的方法。該方法分別檢測光的AC和DC分量。該方法要求儀器設(shè)計(jì)成設(shè)置兩個(gè)或多個(gè)偏振片，它們彼此不正交。然后在一個(gè)或多個(gè)光探測器處測量調(diào)制偏振信號。偏振信號的恒定分量的強(qiáng)度與標(biāo)準(zhǔn)偏振面的位置有關(guān)。偏振信號的交變分量被歸一化為恒定分量，然后確定偏振的相位、振幅和位置。偏振信號剛好是線性的。該方法需要分光器以便產(chǎn)生兩束光。
美國專利5,625,455公開了一種橢圓測量儀和橢圓測量方法。在該方法中，利用單色光源的反射可以測量復(fù)數(shù)介電常數(shù)、復(fù)數(shù)折射率、透射率、反射率、吸收系數(shù)、光密度和其他光學(xué)性能。使用該儀器和方法能夠直接測量樣品的光學(xué)和光譜性能，而不需要數(shù)學(xué)近似和波長頻率掃描。光源應(yīng)該是橢圓偏振的，入射角應(yīng)該在0°和90°之間。通過積分和求和分析從樣品反射或透射的數(shù)字化強(qiáng)度數(shù)據(jù)。積分消除躁聲，使得該方法能夠在任何分析器角度開始和停止。
在某些應(yīng)用中，能夠從類似橢圓測量儀的裝置中去掉一些元件，以便降低制造成本，同時(shí)提供可以接受的精度水平。授予Sandstrom等的美國專利5,494,829描述了一種根據(jù)橢圓測量儀原理工作的裝置，但是具有固定的偏振片和固定的分析器，由于沒有光學(xué)補(bǔ)償器和其他復(fù)雜光學(xué)元件，因此具有附加的成本優(yōu)點(diǎn)。該裝置用于相關(guān)試驗(yàn)分析以便確定生物化學(xué)反應(yīng)是否產(chǎn)生表示患者發(fā)生細(xì)菌感染的薄膜分析物。
根據(jù)’829專利，抗原或抗體與基質(zhì)結(jié)合并用分析物溶液培養(yǎng)，所述分析物溶液是制備成包括被測試是否感染的患者的體液樣本。如果溶液中存在相應(yīng)抗體或抗原，生物化學(xué)反應(yīng)就在基質(zhì)上產(chǎn)生薄膜。探測器處相對于界定閾值或背景值的信號強(qiáng)度表示陽性測試結(jié)果。通常校準(zhǔn)裝置以便測量特定抗原反應(yīng)產(chǎn)生的薄膜厚度。
已經(jīng)設(shè)計(jì)出許多光譜測量系統(tǒng)來分析薄膜厚度，尤其是光致抗蝕膜的厚度。這些儀器要求光學(xué)元件復(fù)雜排列或集中在薄膜的特定幾何特特征上。儀器可能需要探測一個(gè)以上的波長或角度以便確定薄膜厚度。如果沒有關(guān)于薄膜折射率的確切信息有幾種方法就不能工作。光譜測量儀不能很好地測量反射率低的光學(xué)基質(zhì)上的薄膜厚度。最嚴(yán)重的缺點(diǎn)是這些儀器獲得的信噪比低。這些儀器還難以測量像非晶硅這樣的薄膜。
例如，美國專利4,680,084描述了一種非常復(fù)雜的儀器，使用多個(gè)光源、透鏡和分光器以及一個(gè)以上的探測器以便確定薄膜厚度。此外，該方法要求光學(xué)基質(zhì)具有圖案特征，對于入射光不透明。這些特征用于校正與薄膜厚度無關(guān)的探測信號。美國專利4,618,262描述了一種基于激光的測量蝕刻深度的干涉測量儀，利用光學(xué)基質(zhì)上的具體特征確定蝕刻處理何時(shí)完成。在該方法中利用相鄰峰值之間的距離確定蝕刻速率。當(dāng)蝕刻處理到達(dá)光學(xué)基質(zhì)時(shí)特征正弦圖案終止。該方法必須能夠以1-3微米數(shù)量級分辨每個(gè)特征，這一點(diǎn)是有問題的，因?yàn)榧す馐睆绞?00微米數(shù)量級。因此把這些小特征與背景分辨開是困難的。必須在系統(tǒng)中加入光學(xué)元件來解決這一問題。
美國專利5,494,829描述了使用簡單的比色計(jì)或反射儀測量顏色變化或強(qiáng)度變化，以便分析相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果。該信號是波長變化或波長范圍內(nèi)強(qiáng)度變化的函數(shù)，其中光學(xué)基質(zhì)設(shè)計(jì)成產(chǎn)生可見干涉結(jié)果，從而產(chǎn)生作為厚度變化函數(shù)的顏色變化。
上述每一個(gè)描述本發(fā)明背景技術(shù)的美國專利，包括其所有表格、附圖和權(quán)利要求書在內(nèi)的全部內(nèi)容，均在此引為參考。
還需要提供便宜的橢圓測量儀器，能夠以可接受的精度測量各種有關(guān)試驗(yàn)或其他應(yīng)用的薄膜厚度。這種需求可以通過橢圓測量儀或衰減光的其他薄膜機(jī)構(gòu)解決，其中該裝置能夠進(jìn)行測量，而無需不恰當(dāng)?shù)匕褧r(shí)間花費(fèi)在調(diào)整系統(tǒng)元件上，并且沒有降低系統(tǒng)效益的不必要的光學(xué)元件。還需要提供便宜的反射測量儀器，對于各種相關(guān)試驗(yàn)和其他應(yīng)用，根據(jù)多層薄膜反射原理，能夠以可接受的精度測量薄膜厚度，不需要提供絕對厚度數(shù)據(jù)。反射測量儀器還應(yīng)該能夠完成測量，而不需要把時(shí)間花費(fèi)在調(diào)整系統(tǒng)元件、獲得信號或者分析信號上。本發(fā)明的儀器容易操作，而且數(shù)據(jù)分析簡單。儀器性能是高度可預(yù)測的，因?yàn)閷τ谌魏握J(rèn)定相關(guān)試驗(yàn)系統(tǒng)的反映都可以模型化，而且儀器設(shè)計(jì)成分析具體的相關(guān)試驗(yàn)表面結(jié)構(gòu)或一系列相似結(jié)構(gòu)。
其他儀器實(shí)施例(反射測量儀)涉及在測量從承載一個(gè)或多個(gè)薄膜的光學(xué)基質(zhì)上反射的光的特性變化時(shí)，分別使用一個(gè)偏振片或不使用偏振片。通過去掉一個(gè)或兩個(gè)偏振片，反射測量儀的設(shè)計(jì)不再復(fù)雜和昂貴。去掉偏振元件還具有提高信號強(qiáng)度的優(yōu)點(diǎn)，因?yàn)槿魏喂鈱W(xué)元件都將導(dǎo)致一些信號附加損失。當(dāng)只使用入射光的一個(gè)分量(即s或p偏振分量)時(shí)最好使用單一偏振片儀器。在單一偏振片儀器中可以去掉偏振片或分析器。
而且，在大入射角下，s和p光分量的操作方式幾乎沒有區(qū)別。因此，如果兩個(gè)元件都用于測量薄膜厚度，例如在無偏振片的裝置中，儀器性能與包括偏振元件的裝置相同。因此，在其他實(shí)施例中，本發(fā)明涉及無偏振片的裝置，使用大入射角的非偏振光。無偏振片的儀器設(shè)計(jì)成分析特定的光學(xué)基質(zhì)，以便測量在薄膜厚度范圍內(nèi)的由于結(jié)合生物物質(zhì)產(chǎn)生的薄膜或其他結(jié)合試驗(yàn)中產(chǎn)生的薄膜。將適應(yīng)的厚度范圍與將要進(jìn)行的相關(guān)試驗(yàn)的類型有關(guān)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)觀察或薄膜反射理論的理論計(jì)算，可以選擇入射光的適當(dāng)波長和入射角度。
因此，能夠選擇一個(gè)適用于許多基于類似光學(xué)基質(zhì)的不同相關(guān)試驗(yàn)的單一儀器設(shè)計(jì)。
在其他優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明還提供了這里描述的任何把光強(qiáng)度變化與薄膜厚度變化相關(guān)聯(lián)的裝置的使用方法，確切厚度數(shù)據(jù)可以通過與相對已知薄膜厚度產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)強(qiáng)度曲線比較獲得，其中標(biāo)準(zhǔn)曲線是相對光學(xué)上類似于試驗(yàn)薄膜的已知薄膜建立的。探測器信號強(qiáng)度可以不需校正就使用，或在使用比較探測器信號強(qiáng)度(即應(yīng)用歸一化函數(shù))校正之后使用，所述比較探測器信號強(qiáng)度從負(fù)相關(guān)對照樣本或其他背景測量中獲得。
本發(fā)明克服了本領(lǐng)域人員所了解的上述問題，并且通過提供低成本裝置而發(fā)展了該項(xiàng)技術(shù)，該低成本裝置根據(jù)橢圓測量儀原理、以可接受的精度測量許多相關(guān)試驗(yàn)和其他應(yīng)用的薄膜厚度。這些優(yōu)點(diǎn)通過如下方式獲得，即旋轉(zhuǎn)偏振片或分析器以便從待試驗(yàn)的樣本反射的光產(chǎn)生準(zhǔn)正弦強(qiáng)度，和通過使用標(biāo)準(zhǔn)曲線或其他參考數(shù)據(jù)求出薄膜厚度的選擇強(qiáng)度數(shù)值。這一原理使得這里描述的裝置能夠完成薄膜厚度測量，不需費(fèi)時(shí)地調(diào)整系統(tǒng)元件，也不需要使用復(fù)雜機(jī)構(gòu)和光學(xué)元件。系統(tǒng)制造成本低，因?yàn)樗恍枰褂霉鈱W(xué)補(bǔ)償器、四分之一波片、和其他精確光學(xué)元件及元件調(diào)整。
因此，在第一方面，本發(fā)明描述了用于確定樣本薄膜厚度的裝置。該裝置可以包括用于承載樣本的基質(zhì)；用于產(chǎn)生照射樣本的電磁輻射的光源；位于光源與樣本之間的第一偏振元件；用于探測從樣本反射的電磁輻射的探測器；和位于探測器與樣本之間的第二偏振元件。第一和第二偏振元件中的至少一個(gè)可以旋轉(zhuǎn)以便隨時(shí)間改變電磁輻射s和/或p分量。通過包括使用把薄膜厚度與探測器信號強(qiáng)度相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)的方法，使用從探測器獲得的信號確定薄膜厚度。
在特別優(yōu)選實(shí)施例中，該裝置中可以包括下述一個(gè)或多個(gè)元件(i)產(chǎn)生單色電磁輻射的光源，(ii)從包括可見光、紅外光和紫外光的一組中選擇電磁輻射，(iii)第一偏振元件構(gòu)成旋轉(zhuǎn)偏振濾光片，(iv)第二偏振元件構(gòu)成旋轉(zhuǎn)偏振濾光片，(v)第一偏振元件構(gòu)成旋轉(zhuǎn)偏振濾光片，第二偏振元件構(gòu)成固定分析器，(vi)第一偏振元件構(gòu)成固定偏振濾光片，第二偏振元件構(gòu)成旋轉(zhuǎn)分析器，(vii)旋轉(zhuǎn)至少第一和第二偏振元件之一在探測器上產(chǎn)生準(zhǔn)正弦強(qiáng)度信號，(viii)把薄膜厚度與準(zhǔn)正弦強(qiáng)度信號的振幅相關(guān)聯(lián)，(ix)把薄膜厚度與準(zhǔn)正弦強(qiáng)度信號的峰-峰距離相關(guān)聯(lián)，(x)由已知薄膜厚度構(gòu)成對照樣本，(xi)為負(fù)對照樣本的對照樣本，(xii)由把探測器強(qiáng)度信號與從負(fù)對照樣本獲得的比較探測器信號強(qiáng)度關(guān)聯(lián)的歸一化函數(shù)構(gòu)成的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，(xiii)為探測器信號強(qiáng)度與從負(fù)對照樣本獲得的比較探測器信號強(qiáng)度比值的歸一化函數(shù)。
這里使用術(shù)語“樣本”指任何能夠沉積在基質(zhì)表面上形成薄膜的物質(zhì)。優(yōu)選樣本可以是有機(jī)材料，諸如生物材料(例如，核酸、抗體、抗原、受體、分析物、螯合劑、酶基質(zhì)等)，或無機(jī)材料，諸如氧化硅、二氧化硅等。樣本最好可以是含有這樣的物質(zhì)的溶液。這里所用的術(shù)語“負(fù)對照樣本”是指任何沒有薄膜的基質(zhì)。這樣的負(fù)對照樣本可以用于提供來自裝置的基準(zhǔn)或者比較信號。
這里使用術(shù)語“膜層”和“薄膜”是指沉積在基質(zhì)表面上的一層或多層樣本材料。薄膜可以是大約1厚，大約5厚，大約10厚，大約25厚，大約50厚，大約100厚，大約200厚，大約350厚，大約500厚，大約750厚，大約1000厚，和大約2000厚。特別優(yōu)選的是從大約5至大約1000的薄膜；最優(yōu)選的是從大約5至大約350的薄膜。
這里使用術(shù)語“基質(zhì)”、“光學(xué)載體”和“載體”是指裝置內(nèi)部用于被研究樣本的載體。適當(dāng)?shù)幕|(zhì)可以由本領(lǐng)域技術(shù)人員已知的任何反射材料制成，并提供平面用于沉積樣本薄膜。最好，基質(zhì)是拋光硅晶片、鋁或玻璃或鍍有這些物質(zhì)中的一種或多種的材料。例如，基質(zhì)可以是鍍有一層非晶態(tài)硅的聚碳酸脂膜，鍍有鋁或鉻和非晶態(tài)硅光學(xué)薄膜的纖維材料，或者鍍有金屬和/或非晶態(tài)硅膜的陶瓷。選擇基質(zhì)主要考慮材料的反射率和/或它能夠用反射材料鍍膜的能力。
這里使用術(shù)語“光路”是指裝置內(nèi)電磁輻射可能通過的路徑。光路的作用是把電磁輻射從光源引到要研究的樣本，并最后到達(dá)探測器，所述探測器測量被樣本反射的光的一個(gè)或多個(gè)性能(例如強(qiáng)度、偏振等)。光路可以包括裝置的各種元件，諸如偏振元件，設(shè)置它們是為了使來自光源的接觸到要研究的樣本之前的電磁輻射和/或從要研究的樣本反射的電磁輻射變成偏振的。光路最好只包括能夠使探測器提供有助于薄膜厚度定性測定的信號的元件。這樣的裝置能夠低成本推廣到傳統(tǒng)上不使用橢圓測量儀的應(yīng)用上，例如在醫(yī)生的辦公室。
這里使用術(shù)語“光源”是指任何電磁輻射源。電磁輻射也可以稱為“光”。這樣的電磁輻射可以包括從大約10-6μm到大約108μm的波長；優(yōu)選的是從紫外到紅外波長的電磁輻射；特別優(yōu)選的電磁輻射是可見光。適當(dāng)?shù)墓庠词潜绢I(lǐng)域技術(shù)人員公知的，可以包括任何單色或多色輻射源。最好使用單色輻射。這里所使用的術(shù)語“單色輻射”或“多色輻射”光是指波段足夠窄對于設(shè)計(jì)目的的作用能夠象單一波長一樣的電磁輻射。優(yōu)選光源是激光器、激光二極管、和發(fā)光二極管。
這里所使用的術(shù)語“探測器”是指任何通過產(chǎn)生電或光信號探測電磁輻射的器件，包括光電倍增管、光電二極管、光化學(xué)試劑，驅(qū)動這些探測器產(chǎn)生模擬或數(shù)字信號，以及任何其他光探測器件。優(yōu)選探測器通過產(chǎn)生的電或光信號探測電磁輻射，特別是可見光。信號處理元件能夠處理這些信號產(chǎn)生這一信息，例如通過使用標(biāo)準(zhǔn)，把信號與薄膜厚度相關(guān)聯(lián)。在特別優(yōu)選的實(shí)施例中，薄膜厚度解釋為相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果，例如表示對特定分析物的試驗(yàn)試驗(yàn)結(jié)果為陽性、陰性、或者結(jié)果不確定。
這里所使用的術(shù)語“偏振元件”是指接收入射電磁輻射并由此產(chǎn)生偏振輻射的器件。適當(dāng)?shù)钠裨T如偏振濾光片和分析器是本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的。如這里所述，偏振元件可以設(shè)置成把來自光源的接觸到要研究的樣本之前的光以及從要研究的樣本反射的光變成偏振的。偏振元件可以固定在光路中?；蛘?，一個(gè)或多個(gè)偏振元件可以包括一個(gè)機(jī)構(gòu)，用于通過圍繞光軸旋轉(zhuǎn)偏振元件隨時(shí)間改變偏振光的s和p分量，或者其中一個(gè)分量。最好，該機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)位于傳統(tǒng)橢圓測量儀的偏振片或分析器位置上的偏振濾光片。旋轉(zhuǎn)偏振濾光片使得從研究的樣本反射的電磁輻射產(chǎn)生相應(yīng)的準(zhǔn)正弦強(qiáng)度。
這里使用術(shù)語“線偏振”是指基本上全部是s偏振或全部是p偏振的偏振狀態(tài)。如果電磁輻射是線偏振的，任何一種線偏振狀態(tài)，沒有足夠的另一種偏振狀態(tài)影響測量輸出。優(yōu)選的是，線偏振濾光片可以繞其光軸旋轉(zhuǎn)達(dá)到約20°而不產(chǎn)生明顯的測量誤差；更為優(yōu)選的是，這一旋轉(zhuǎn)限于約10°以內(nèi)；甚至更為優(yōu)選的是，這一旋轉(zhuǎn)限于約5°以內(nèi)，最為優(yōu)選的是精確調(diào)整大約1°或更小。
在另一方面，本發(fā)明涉及測量樣本薄膜厚度的方法。該方法可以包括提供一個(gè)裝置，該裝置包括光源、偏振片、分析器、和探測器；把電磁輻射從光源引導(dǎo)向樣本，從而電磁輻射從樣本反射；使用偏振片把引導(dǎo)向樣本的電磁輻射變成偏振的；使用分析器使得從樣本反射的電磁輻射變成偏振的；旋轉(zhuǎn)偏振片或分析器隨時(shí)間改變偏振電磁輻射的s和p分量；使用探測器探測從樣本反射的偏振電磁輻射，獲得對應(yīng)于反射電磁輻射強(qiáng)度的信號；和使用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)把信號與樣本薄膜厚度相關(guān)聯(lián)，所述標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)把薄膜厚度與探測器信號強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)。也可以使用本領(lǐng)域技術(shù)人員公知的其他數(shù)據(jù)分析方法。
在具體的優(yōu)選實(shí)施例中，方法中可以包括下面的一個(gè)或多個(gè)(i)從具有不同光學(xué)特性的樣本獲得的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)中選擇的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，(ii)從負(fù)對照樣本獲得的比較探測器信號強(qiáng)度，(iii)包括歸一化函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，所述歸一化函數(shù)把探測器信號強(qiáng)度與比較探測器信號強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)，(iv)歸一化函數(shù)，它是探測器信號強(qiáng)度與比較探測器信號強(qiáng)度的比值，以及(v)偏振片或分析器，提供來自探測器的相應(yīng)準(zhǔn)正弦信號。
選擇信號可以在對應(yīng)于改變偏振光的s和p分量的偏振濾光片、或其他偏振元件的預(yù)定旋轉(zhuǎn)度數(shù)的時(shí)間范圍內(nèi)獲得。這些強(qiáng)度信號用作輸入產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，例如經(jīng)驗(yàn)或理論數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)曲線，通過一系列偏振旋轉(zhuǎn)把薄膜厚度關(guān)聯(lián)為探測器信號強(qiáng)度的振幅的函數(shù)?？梢允褂萌魏卫L圖技術(shù)關(guān)聯(lián)或繪出對應(yīng)于具體旋轉(zhuǎn)度數(shù)的強(qiáng)度與薄膜厚度。這些其他繪圖技術(shù)可以包括神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和適當(dāng)?shù)臑V波器，但是并不限于此，在本申請的上下文中把網(wǎng)絡(luò)和適當(dāng)?shù)臑V波器都稱為“標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)”。
本發(fā)明的橢圓測量儀實(shí)施例的具體優(yōu)點(diǎn)是該裝置的操作不需要耗時(shí)的調(diào)整偏振元件的位置優(yōu)化來自探測器的信號強(qiáng)度。更具體地，測量數(shù)據(jù)可以從偏振旋轉(zhuǎn)周期的所有點(diǎn)上采集并用于建立準(zhǔn)正弦信號的峰-峰距離。該峰-峰距離用作標(biāo)準(zhǔn)曲線的輸入以便確定薄膜厚度。
橢圓測量儀實(shí)施例的一個(gè)具體優(yōu)選特征是使用標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)，該標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)表示探測器信號強(qiáng)度與從負(fù)對照樣本獲得的比較探測器信號強(qiáng)度之間的關(guān)系。該歸一化函數(shù)最好是探測器信號強(qiáng)度與從負(fù)對照樣本獲得的比較信號強(qiáng)度的比值，例如，探測器信號強(qiáng)度除以從負(fù)對照樣本獲得的信號強(qiáng)度。
在另一方面，本發(fā)明涉及用于解釋相關(guān)試驗(yàn)的薄膜厚度的裝置，該裝置包括用于承載樣本的基質(zhì)；用于產(chǎn)生照射樣本的電磁輻射的光源；用于探測從樣本反射的電磁輻射的探測器；位于光源、樣本和探測器之間的光路；和用于把信號與樣本上的薄膜厚度相關(guān)聯(lián)的信號處理器。所述光路包括位于樣本與探測器之間的固定偏振元件，用于把反射的電磁輻射變成線偏振的。探測器產(chǎn)生的信號對應(yīng)于從樣本反射的電磁輻射的強(qiáng)度。
在特別優(yōu)選實(shí)施例中，裝置中可以包括下述一個(gè)或多個(gè)元件(i)產(chǎn)生單色電磁輻射的光源，(ii)最好從包括可見光、紅外光和紫外光的一組中選擇電磁輻射，(iii)在偏振片與探測器之間的光路上相對于入射面基本上是s或p偏振的線偏振電磁輻射，(iv)把薄膜厚度與薄膜相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)，以及(v)包括第一偏振元件的光路。
在另一方面，本發(fā)明涉及測量樣本薄膜厚度的方法。該方法包括提供一個(gè)裝置，該裝置包括光源、探測器、位于光源與樣本之間的第一光路、和位于樣本與探測器之間的第二光路；沿著第一光路把電磁輻射從光源引導(dǎo)到樣本，以便電磁輻射被樣本沿著第二光路反射到探測器；把沿著第一光路的電磁輻射在與樣本接觸之前的位置上變成線偏振的；使用探測器檢測從樣本反射的電磁輻射以便獲得對應(yīng)于反射電磁輻射的強(qiáng)度的信號；以及把信號與樣本的薄膜厚度關(guān)聯(lián)。
在具體的優(yōu)選實(shí)施例中，方法中可以包括下面的一個(gè)或多個(gè)(i)在偏振片與探測器之間的第二光路上相對于入射面基本上是s或p偏振的線偏振電磁輻射，(ii)把薄膜厚度與薄膜相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果關(guān)聯(lián)，以及(iii)在從樣本反射的電磁輻射不偏振的情況下實(shí)施該方法。
根據(jù)本發(fā)明的光路包括了根據(jù)多膜反射理論原理工作的元件的特定組合。在具體優(yōu)選實(shí)施例中，光路包括偏振濾光片，設(shè)置成在照射到要研究的樣本之前光變成線偏振的。在其他優(yōu)選實(shí)施例中，光路包括偏振濾光片，設(shè)置成在從要研究的樣本反射之后光變成線偏振的。
在這兩種儀器結(jié)構(gòu)中，偏振元件無論位于入射電磁輻射的光路上還是反射電磁輻射的光路上，都是用于選擇一個(gè)偏振電磁輻射分量，例如s或p分量。當(dāng)偏振元件位于入射電磁輻射的光路上時(shí)，s或p偏振電磁輻射入射到要研究的樣本上。在與研究樣本發(fā)生作用時(shí)，電磁輻射相對于從沒有加膜的研究樣本反射的電磁輻射(即相對于負(fù)對照樣本)產(chǎn)生振幅變化。反射的電磁輻射不是橢圓偏振的，而且偏振度沒有變化。而是，只是相對于從沒有加膜的樣本反射的光發(fā)生了光衰減。當(dāng)入射電磁輻射是非偏振的，從而反射電磁輻射也是非偏振時(shí)，發(fā)生類似情況下。在這種情況下，位于反射電磁輻射路徑上的偏振元件只通過電磁輻射的一個(gè)分量到達(dá)探測器。
在另一方面，本發(fā)明涉及用于解釋薄膜相關(guān)試驗(yàn)的裝置，該裝置包括用于承載樣本的基質(zhì)；用于產(chǎn)生照射樣本的電磁輻射的光源；用于探測從樣本反射的電磁輻射的探測器；位于光源、樣本和探測器之間的光路；和用于把所述信號與所述樣本上的薄膜厚度相關(guān)聯(lián)的信號處理器。探測器產(chǎn)生的信號對應(yīng)于從樣本反射的電磁輻射的強(qiáng)度。
在特別優(yōu)選實(shí)施例中，裝置中可以包括下述一個(gè)或多個(gè)元件(i)產(chǎn)生單色電磁輻射的光源，(ii)從包括可見光、紅外光和紫外光的一組中選擇電磁輻射，(iii)相對于樣本和探測器設(shè)置成產(chǎn)生小入射角的光源，(iv)既不包括位于光源與樣本之間的偏振片也不包括位于樣本與探測器之間的偏振片的光路，(v)設(shè)置成入射角為從大約0°到大約30°范圍內(nèi)的光源，相對于樣本平面的法線確定，(vi)設(shè)置成入射角為從大約0°到大約20°范圍內(nèi)的光源，(vii)設(shè)置成入射角為從大約0°到大約10°范圍內(nèi)的光源，(viii)把薄膜厚度與薄膜相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)，(ix)包括產(chǎn)生圓偏振光的偏振濾光片的光路，(x)位于光源與樣本之間的光路上的偏振濾光片，以及(xi)位于樣本與探測器之間的光路上的偏振濾光片。
在另一方面，本發(fā)明描述了測量樣本薄膜厚度的方法。該方法包括提供一個(gè)裝置，該裝置包括光源、探測器、位于光源與樣本之間的第一光路、和位于樣本與探測器之間的第二光路；沿著第一光路把電磁輻射從光源引導(dǎo)到樣本，以便電磁輻射被樣本沿著第二光路反射到探測器；使用探測器檢測從樣本反射的電磁輻射以便獲得對應(yīng)于反射電磁輻射的強(qiáng)度的信號；以及把信號與樣本的薄膜厚度關(guān)聯(lián)。在所述光路中的元件不移動時(shí)探測器處的電磁輻射優(yōu)選為非偏振的。
在特別優(yōu)選實(shí)施例中，該方法可以包括下述一個(gè)或多個(gè)(i)設(shè)置成小入射角的光源，相對于樣本的法線確定，(ii)既不包括位于光源與樣本之間的偏振片也不包括位于樣本與探測器之間的偏振片的光路，(iii)從大約0°到大約30°范圍內(nèi)的小入射角，(iv)從大約0°到大約20°范圍內(nèi)的小入射角，(v)從大約0°到大約10°范圍內(nèi)的小入射角，(vi)把薄膜厚度與薄膜相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)。
在這些優(yōu)選實(shí)施例中，本發(fā)明描述了如下的裝置，即光源和探測器在裝置內(nèi)設(shè)置成如下入射角可以使用到達(dá)探測器的基本上偏振的反射光。在這樣的裝置結(jié)構(gòu)中，光源可以設(shè)置成入射角在從大約0°到大約30°范圍內(nèi)，相對于樣本平面的法線確定。最好，入射角可以是大約0°、大約5°、大約10°、大約15°、大約20°、大約25°、大約30°。要提供的電磁輻射的波長可以根據(jù)經(jīng)驗(yàn)確定，使用本領(lǐng)域公知的多膜反射理論。通過這樣的理論，選擇波長是入射角、研究樣本上的薄膜近似厚度和用于承載薄膜的反射表面的函數(shù)。
在任何反射測量實(shí)施例中，優(yōu)選除了特別提到的以外沒有其他偏振元件。例如，在第一反射測量實(shí)施例中，光在與研究樣本接觸之前變成偏振的，優(yōu)選在樣本與探測器之間沒有偏振濾光片。類似地，在第二反射測量實(shí)施例中，光在與研究樣本接觸之后變成偏振的，優(yōu)選在樣本與光源之間沒有偏振濾光片。在第三反射測量實(shí)施例中，優(yōu)選沒有任何偏振濾光片。
本發(fā)明中描述的成本最低的裝置只是把光源安裝在殼體或框架上，以提供適當(dāng)入射角的方式、相對于基質(zhì)和探測器而定位光源。從基質(zhì)反射的光相對于入射光、或從沒有膜層的表面反射的光而到達(dá)探測器。在這種情況下，光源是單色光源，組合元件既不包括位于光源與研究樣本之間的偏振片也不包括位于研究樣本與探測器之間的分析器。
本發(fā)明的具體優(yōu)點(diǎn)是反射測量儀實(shí)施例的操作不需要調(diào)整偏振元件的位置。從儀器光路中去掉一個(gè)或多個(gè)偏振元件提高了到達(dá)探測器的光量。因此，儀器比傳統(tǒng)儀器更靈敏，在傳統(tǒng)儀器中光由于通過偏振元件而損失。更具體地，測量數(shù)據(jù)作為與界定值比較的探測器信號強(qiáng)度采集。該界定值與背景或負(fù)試驗(yàn)結(jié)果或薄膜厚度變化的其他指征相關(guān)聯(lián)。在它最基本的形式中，根據(jù)表示有或沒有薄膜或存在厚度大于預(yù)選閾值厚度的薄膜的信號強(qiáng)度測量值，試驗(yàn)結(jié)果的解釋實(shí)質(zhì)上就是回答是或否、陽性或陰性。在這樣的優(yōu)選實(shí)施例中，不需要計(jì)算實(shí)際的薄膜厚度，只要試驗(yàn)結(jié)果確實(shí)判定有或沒有這樣的薄膜。因?yàn)樾盘柺潜∧ず穸鹊暮瘮?shù)，而薄膜厚度是樣本中分析物濃度的函數(shù)，因此儀器也能夠定量確定分析物的濃度，而不單純確定薄膜厚度。
還可考慮，試驗(yàn)解釋可以包括第三種指示，即指示因?yàn)樾盘枏?qiáng)度落入確定負(fù)值與確定正值之間的數(shù)值范圍內(nèi)，試驗(yàn)結(jié)果是不確定的。
除了薄膜載體上的薄膜厚度增加的直接檢測分析物相關(guān)結(jié)果的試驗(yàn)外，也可以設(shè)想厚度減小或分析物濃度與信號成反比關(guān)系的試驗(yàn)。這樣的試驗(yàn)的例子包括薄膜表面的酶催降解，其中基質(zhì)對于作為感興趣分析物的酶是特定的，或者對照試驗(yàn)，其中分析物與增強(qiáng)試劑對照，而且隨著分析物濃度提高薄膜厚度變化減慢。
儀器對于厚度變化的響應(yīng)也可能是到達(dá)探測器的光強(qiáng)度提高了，或者到達(dá)探測器的光強(qiáng)度降低了。


圖12描述了沒有偏振元件時(shí)儀器在小入射角下的作為入射光的偏振狀態(tài)函數(shù)的理論輸出。
光源102可以是任何電磁輻射源，包括多單色光源和單色光源，但是最好是單色光源，諸如激光器、激光二極管、或LED。光源102沿著第一光路部分120發(fā)射光照射薄膜承載基質(zhì)108。該第一光路部分120上的光由于第一偏振元件104的作用變成偏振光，所述第一偏振元件最好是線偏振濾光片。
底座106包括第一支柱122，該支柱選擇承載光源102以如下方式發(fā)射光，即第一光路部分120的角度為φ1，表示對基質(zhì)108的垂線124的偏離。第一光路部分120可以包括窄光束或較寬準(zhǔn)直光束。在任何一種情況下，第一光路部分120位于光束中心?？梢酝ㄟ^一對垂直設(shè)置的螺釘、滾珠支樞摩擦夾鉗或任何其他傳統(tǒng)可選擇的調(diào)整機(jī)構(gòu)(圖1中一個(gè)也沒有示出)進(jìn)行選擇調(diào)整。第二支柱126提供類似的調(diào)整機(jī)構(gòu)(圖1中未示出)，以便把包括步進(jìn)電機(jī)116、探測器114和第二偏振濾光片112的組件沿著第二光路部分128定心。該第二光路部分128偏離垂直方向的角度為φ1。凹陷或凹坑130形成在表面110上，用于把基質(zhì)108相對于第一和第二光路部分120和128位置對準(zhǔn)。
選擇探測器114以便探測波長與光源102發(fā)射并被測試表面132反射的光的波長相應(yīng)的光。探測器提供以系統(tǒng)電子部分支持的任何單位代表的探測器上的光強(qiáng)度。探測器114把這些信號傳輸給電纜134上的控制器118，控制器118解釋這些信號以便確定薄膜厚度?？刂破?18還控制步進(jìn)電機(jī)116的轉(zhuǎn)動，步進(jìn)電機(jī)116圍繞分析器112的光軸旋轉(zhuǎn)分析器。還可以去掉步進(jìn)電機(jī)116而旋轉(zhuǎn)分析器112。
應(yīng)該理解光源102的殼體136可以選擇包括類似于步進(jìn)電機(jī)116的步進(jìn)電機(jī)，該電機(jī)可以利用來自控制器118的指令啟動。因此，可以旋轉(zhuǎn)偏振片104和分析器112之一實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的目的。因?yàn)樾D(zhuǎn)偏振元件之一，所以不需要如同現(xiàn)有技術(shù)中固定偏振片儀器那樣精確調(diào)整兩個(gè)偏振元件。
在圖1的AC模式儀器中，產(chǎn)生不同偏振狀態(tài)的光。當(dāng)偏振片104旋轉(zhuǎn)時(shí)偏振狀態(tài)的變化的光可以入射到要分析的表面上?；蛘弋?dāng)分析偏振片(偏振片112)旋轉(zhuǎn)時(shí)從表面反射的光可以通過偏振狀態(tài)分類。在任何一種情況下，入射到薄膜的光的偏振狀態(tài)也被光通過從基質(zhì)/薄膜分界面和薄膜/空氣分界面的路徑和反射而改變。從表面反射的光的偏振狀態(tài)的衰減因而強(qiáng)度衰減是入射到薄膜的角度和薄膜厚度的函數(shù)。為了討論，假設(shè)單一薄膜成分。通過假設(shè)每個(gè)薄膜反射的光附加到從上面的薄膜界面上反射的光上，儀器中也可以使用多個(gè)薄膜。組合結(jié)果是反射向下一層或探測器的光。收集來自測試表面的信號作為偏振片旋轉(zhuǎn)的函數(shù)，而不是固定偏振片的現(xiàn)有儀器中的固定直接測量。偏振片旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生本質(zhì)上為準(zhǔn)正弦的信號，而且能夠控制峰-峰信息。峰-峰信號的變化是薄膜厚度的函數(shù)。因?yàn)檫@兩個(gè)值中的任何一個(gè)大于同一薄膜的直接測量值，儀器的AC操作提高了儀器的靈敏度和精確度。另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是AC測量不受非常低頻時(shí)存在于光探測器和電子放大器中的1/f躁聲的影響。躁聲的減小以及厚度靈敏度的提高使得儀器相對于傳統(tǒng)儀器進(jìn)步了。此外，本發(fā)明的裝置不需要象傳統(tǒng)橢圓測量儀中那樣確定反射光的實(shí)際相位，只需要分析反射光的強(qiáng)度。本發(fā)明的儀器不需要確定光的相位來確定薄膜厚度數(shù)據(jù)。
根據(jù)用于承載相關(guān)測試的薄膜的光學(xué)基質(zhì)的光學(xué)性能、折射率、反射率等選擇入射光的入射角和波長。這些儀器裝置也受在相關(guān)測試中可能遇到的厚度范圍影響。這些參數(shù)可以使用許多薄膜反射理論軟件包模型化。AC模式方法使用圖1所示儀器的過程如圖2的流程圖所示。過程P1000從步驟P1002開始，在該步驟用戶把分析樣本放置在儀器100上。該放置步驟對應(yīng)于把基質(zhì)108放置在凹坑130中。此時(shí)，使用鍵盤或其他輸入裝置選擇設(shè)備校準(zhǔn)完成的一種測試，例如從相關(guān)測試中選擇。相關(guān)測試的例子包括人類免疫缺陷病毒、(HIV)I或II或其組合、鏈球菌群A、鏈球菌群B、Respiratory Syncitial病毒、肝炎B、衣原體族和皰疹病毒的免疫測定。
步驟P1004開始繞軸旋轉(zhuǎn)偏振濾光片。這些濾光片包括偏振片104和分析器112，但是在任何一種儀器結(jié)構(gòu)中只旋轉(zhuǎn)一個(gè)偏振元件。
旋轉(zhuǎn)步驟P1004產(chǎn)生交變或準(zhǔn)正弦Iout探測器信號。利用傳統(tǒng)模擬或數(shù)值方法讀出這些信號的峰-峰數(shù)值。
步驟P1008涉及把在步驟P1006獲得的信號強(qiáng)度數(shù)值歸一化。如上所述，通過把強(qiáng)度信號除以同一旋轉(zhuǎn)周期上對于已知厚度樣本的相應(yīng)強(qiáng)度信號完成該歸一化，例如負(fù)控制或背景樣本。通過把負(fù)對照樣本的峰-峰數(shù)值分為研究樣本的峰-峰數(shù)值實(shí)現(xiàn)歸一化。整個(gè)分析時(shí)間依賴于數(shù)據(jù)分析中測量和使用的周期數(shù)。隨著周期數(shù)增加，結(jié)果精度將提高，然而，因?yàn)閮x器設(shè)計(jì)成提供快速測量，采集的周期數(shù)應(yīng)該最少。也可以調(diào)整一個(gè)周期內(nèi)測量點(diǎn)數(shù)以便提供希望的精度水平，同時(shí)保持快速分析時(shí)間。
在步驟P1010控制器118把計(jì)算的數(shù)值與標(biāo)準(zhǔn)曲線比較。通過把歸一化強(qiáng)度信號的大小從最大到最小排列并從最大值中減去最小值獲得峰-峰數(shù)值?；蛘?，數(shù)值可以從旋轉(zhuǎn)周期中預(yù)選的點(diǎn)或數(shù)值范圍內(nèi)并彼此相減獲得。AC信號通過模擬或數(shù)字方法測量，而且測量的數(shù)值總是與峰-峰數(shù)值成比例，比例因此與所使用的方法有關(guān)。數(shù)字方法提供點(diǎn)點(diǎn)數(shù)據(jù)，而模擬方法提供根據(jù)預(yù)選的數(shù)據(jù)歸約算法分析和獲得數(shù)據(jù)。因此，最好Y軸的歸一化峰-峰強(qiáng)度數(shù)據(jù)與X軸上的薄膜厚度之間具有單一聯(lián)系。該聯(lián)系通常通過從具有已知厚度的樣本獲得的經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)的二次或三次最小二乘擬合實(shí)現(xiàn)，但是也可以通過白領(lǐng)域人員已知的其他方法實(shí)現(xiàn)。
控制器118在步驟P1012終止實(shí)驗(yàn)測量過程，通過解釋步驟P1010的薄膜厚度測量提供代表薄膜厚度或測試結(jié)果的輸出。例如，在半導(dǎo)體制造過程中，薄膜必須有某一指定厚度，否則它將在制造的裝置中引起短路，如果厚度達(dá)到或超過指定數(shù)值輸出可以是表示“通過”的信號。如果厚度低于指定數(shù)值輸出將表示“失敗”。在薄膜相關(guān)的厚度解釋中，增加厚度解釋為正輸出，但是閾值厚度變化也可以設(shè)置成低于結(jié)果報(bào)告為負(fù)的?？梢远ㄐ曰蚨康亟Y(jié)果表示結(jié)果。
圖7描述了模擬對于特定相關(guān)測試的AC模式固定偏振片橢圓測量儀表面結(jié)構(gòu)。使用的光學(xué)承載體是鍍有20二氧化硅薄膜的單晶硅晶片。晶片還承載475氮化硅薄膜，和400的硅氧烷t-聚合物附屬膜。入射光的波長是525nm，相對于法線的入射角是20°，第一偏振元件固定在50°。曲線示出了作為對于分析偏振片在不同角度測試厚度函數(shù)探測的強(qiáng)度變化。所有曲線表現(xiàn)為正斜率。在實(shí)際儀器設(shè)計(jì)中，不必知道分析偏振片的確切角度。示出的曲線是使用固定偏振片橢圓測量儀將觀察到的直接模式探測響應(yīng)。對于該測試結(jié)構(gòu)的AC模式響應(yīng)在圖10a示出。在圖10a中，探測器測量的強(qiáng)度對偏振片的變化角度劃曲線，準(zhǔn)正弦曲線是作為建立的測試厚度變化函數(shù)的探測器響應(yīng)。圖10a所示曲線也可以表示為分析器以恒定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)測試時(shí)間的函數(shù)，不必知道旋轉(zhuǎn)偏振片的角度。儀器不必確定探測器檢測的光的全部偏振態(tài)來提供相關(guān)測試變化的有效相對測量。圖10b是對相關(guān)測試厚度曲線實(shí)際峰-峰數(shù)值，表示實(shí)際儀器輸出。
圖8描述了特定相關(guān)測試的AC模式固定偏振片橢圓測量儀的模擬，表面結(jié)構(gòu)。使用的光學(xué)承載體是鍍有20二氧化硅薄膜的單晶硅晶片。晶片還承載475氮化硅薄膜，和200的硅氧烷t-聚合物附屬膜。入射光的波長是525nm，相對于法線的入射角是55°，第一偏振元件固定在40°。曲線示出了作為對于分析偏振片在不同角度測試厚度函數(shù)探測的強(qiáng)度變化。所有曲線表現(xiàn)為負(fù)斜率。同樣，在實(shí)際儀器設(shè)計(jì)中，不必知道分析偏振片的確切角度。示出的曲線是使用固定偏振片橢圓測量儀將觀察到的直接模式探測響應(yīng)。對于該測試結(jié)構(gòu)的AC模式響應(yīng)在圖9a示出。在圖9a中，探測器測量的強(qiáng)度對偏振片的變化角度劃曲線，準(zhǔn)正弦曲線是作為建立的測試厚度變化函數(shù)的探測器響應(yīng)。圖9a所示曲線也可以表示為分析器以恒定速度旋轉(zhuǎn)時(shí)測試時(shí)間的函數(shù)，不必知道旋轉(zhuǎn)偏振片的角度。儀器不必確定探測器檢測的光的全部偏振態(tài)來提供相關(guān)測試變化的有效相對測量。圖9b是對相關(guān)測試厚度變化曲線的實(shí)際峰-峰數(shù)值，表示實(shí)際儀器輸出。當(dāng)圖8中的直接厚度測量如同圖9a所示表現(xiàn)為負(fù)斜率時(shí)，圖9b最后儀器輸出表示為正斜率，隨著變化測試厚度，因?yàn)榉?峰數(shù)值總是可以表示為正數(shù)。
圖7和圖8所示的直接模式理論響應(yīng)曲線用于選擇對于給定測試承載結(jié)構(gòu)的適當(dāng)波長、入射角度、固定偏振片設(shè)置。當(dāng)直接模式響應(yīng)曲線示出作為對于相關(guān)測試系統(tǒng)的厚度變化函數(shù)的最高響應(yīng)信號分辨率時(shí)設(shè)置儀器參數(shù)。圖9a和圖10a描述在選擇的特定條件下AC模式儀器采集的準(zhǔn)正弦數(shù)據(jù)。圖9b和圖10b描述了實(shí)際儀器輸出。反射測量儀器圖3描述了根據(jù)本發(fā)明的反射測量型薄膜儀器200。光源202安裝成與偏振濾光片或諞振元件204和支座206成固定關(guān)系。薄膜承載基質(zhì)108位于承載表面110上。探測器212設(shè)置成接收從基質(zhì)108反射的光?？刂破?14控制儀器200的操作并從探測器212接收信號。
光源202可以是任何電磁輻射源，包括復(fù)色或單色光源，但是最好是單色光源，例如激光器、激光二極管、或LED。光源202沿著第一或輸入光路部分261發(fā)射光以便照射薄膜承載基質(zhì)108。第一光路部分216上的光由于偏振元件204的作用成為偏振光，所述偏振元件204最好是線偏振濾光片。偏振元件204保持在固定位置，在儀器200操作期間不移動。在設(shè)定或校準(zhǔn)期間，偏振元件204最好圍繞它的光軸旋轉(zhuǎn)以便在偏振光中只有s或p偏振分量。雖然單個(gè)濾光片可能不能只提供s或p偏振分量，偏振分量基本上是單一的。任何不希望的p或s偏振分量非常小，以致于在儀器200的設(shè)計(jì)選擇指標(biāo)中可以忽略。
底座206包括第一支柱218，該支柱選擇承載光源202以如下方式發(fā)射光，即第一光路部分216的角度為φ1，表示對垂線220的偏離。垂線220相對于基質(zhì)108上的平表面122作出。第一光路部分216可以包括窄光束或較寬準(zhǔn)直光束。在任何一種情況下，第一光路部分216位于光束中心?？梢酝ㄟ^一對垂直設(shè)置的螺釘、滾珠支樞摩擦夾鉗或任何其他傳統(tǒng)可選擇的調(diào)整機(jī)構(gòu)(圖3中一個(gè)也沒有示出)進(jìn)行選擇調(diào)整。第二支柱224提供類似的調(diào)整機(jī)構(gòu)(圖1中未示出)，以便沿著參考光路部分226調(diào)節(jié)探測器212。該光路部分226偏離垂直方向的角度為φ1?？梢栽诒砻?10上形成標(biāo)記，用于把基質(zhì)108相對于216和226(未示出)限定的光路部分調(diào)整位置。
選擇探測器212以便探測波長與光源202發(fā)射并被薄膜承載表面108反射的光的波長相應(yīng)的光。探測器提供表示探測器上的光強(qiáng)度的信號。探測器212把這些信號傳輸給電纜230上的控制器214，控制器214通過把它們與相關(guān)薄膜厚度相關(guān)聯(lián)解釋這些信號。
對照樣本132——即沒有薄膜或負(fù)對照樣本的基質(zhì)——位于表面110上。樣本132可以代替基質(zhì)108以便獲得背景探測器信號，或可以似的108的不反應(yīng)部分或108的負(fù)控制區(qū)。
根據(jù)多層反射的原理，探測器處的信號強(qiáng)度是薄膜厚度的直接表示，但是該數(shù)值的直接計(jì)算復(fù)雜或用有關(guān)數(shù)學(xué)方法不能計(jì)算，需要對于每個(gè)膜層獲得折射率。
反射測量薄膜儀器200通常用于把薄膜厚度與探測器212的信號強(qiáng)度關(guān)聯(lián)起來。例如，有或沒有薄膜解釋為相對于與負(fù)對照樣本132的背景信號的信號增加或減小。有或沒有薄膜解釋為在薄膜相關(guān)測試中正或負(fù)結(jié)果。確切分界值的選擇依賴于將要使用環(huán)境的具體應(yīng)用，是編程控制器214的設(shè)計(jì)選擇問題。
圖4描述了根據(jù)本發(fā)明的第二薄膜儀器400。所有組件與儀器200相同，儀器400使用相同的標(biāo)號表示。儀器400與儀器200的不同點(diǎn)在于儀器200中位于光源202與基質(zhì)108(或承載表面110)之間的偏振元件204在儀器400中沒有。在儀器400中，儀器200中的偏振元件204被位于基質(zhì)108與探測器212之間的附加偏振片402代替。儀器400的操作與儀器200的操作相同，因?yàn)槠衿?02圍繞它的光軸旋轉(zhuǎn)以便允許基本上純s或p偏振分量通過，然后固定在該位置上。因此，在儀器200或儀器400中，只允許衰減偏振分量通過探測器。
儀器200或400根據(jù)入射光的波長、s或p偏振狀態(tài)、和根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或理論數(shù)據(jù)選擇餓入射角設(shè)計(jì)。選擇的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成應(yīng)用于光學(xué)基質(zhì)餓一系列將要設(shè)置在基質(zhì)上的薄膜厚度的具體組合。理論計(jì)算中考慮的厚度范圍必須包括基質(zhì)上用于產(chǎn)生或提高反射率、用于改善或制造對于附著的生物材料有利的環(huán)境、吸收膜、被分析物膜、和需要的加強(qiáng)試劑的任何薄膜。
圖11描述了對于單個(gè)固定偏振片反射測量儀的理論儀器響應(yīng)曲線，其中測試表面結(jié)構(gòu)包括硅晶片作為光學(xué)承載。晶片承載20二氧化硅薄膜，475薄膜、和100象碳(DLC)的金剛石膜層，用于光學(xué)或附著目的。儀器使用525nm的入射光源，相對于法線的入射角是35°。第一偏振元件位于儀器的入射一側(cè)，設(shè)置成90°，以便把s偏振光傳播到表面。在這些條件下，響應(yīng)曲線具有作為增加相關(guān)測試厚度的函數(shù)的負(fù)斜率。如果相關(guān)測試產(chǎn)生大于500的厚度變化，當(dāng)最小響應(yīng)保持在大約480至520該儀器設(shè)計(jì)就不合適。沒有偏振片的反射測量儀器圖5描述了本發(fā)明的第三反射測量實(shí)施例，即薄膜儀器600。所有組件與儀器200和400相同，與前面圖中的標(biāo)號表示。儀器600與儀器200的不同點(diǎn)在于儀器200中位于光源202與基質(zhì)108(或承載表面110)之間的偏振元件204在儀器600中沒有。在儀器600中，儀器200中的偏振元件204沒有被任何偏振濾光片代替。此外，儀器400中的偏振片402也去掉了。
儀器600的操作原理如下，即當(dāng)入射角和反射角為直角時(shí)，p振幅反射系數(shù)理論上等于s振幅反射系數(shù)。在非理論裝置中，這些角度可以近似為零，但是不能剛好等于零，因?yàn)榉駝t光源和探測器必須占據(jù)同一空間。探測器上接收非偏振光是一種特殊情況，即在計(jì)算薄膜厚度時(shí)不需要多個(gè)偏振濾光片分辨橢圓度。因?yàn)棣?＝0(或與法線成非常小的角度)，rs＝rp，多少光處于s或p狀態(tài)沒有任何區(qū)別，所以任何偏振狀態(tài)都是可以的。實(shí)際上，φ1可以在0°到30°范圍內(nèi)，而不產(chǎn)生很大的s和p偏振分量反射率的不平衡，所述s態(tài)和p偏振分量由于s和p偏振光的橢圓率厚度測量數(shù)據(jù)。該范圍更為優(yōu)選的是從0°到20°，最為優(yōu)選的是從0°到10°或更小。
圖12描述了不具有偏振元件和相對于法線小入射角(10°)的反射測量儀的理論儀器響應(yīng)曲線。在這種情況下，儀器構(gòu)造成分析硅晶片，帶有20二氧化硅薄膜，475氮化硅薄膜。300DLC附加膜包括在測試支撐結(jié)構(gòu)中。入射光源提供635nm的波長。理論分析將強(qiáng)度變化比作只提供p偏振狀態(tài)或只提供s偏振狀態(tài)的光源的相關(guān)測試厚度的函數(shù)。令人驚奇的是，在這些條件下，非偏振光基本上可與任何一種偏振光源相比。因此，在小入射角下沒有偏振元件的儀器中基于非偏振光源的反射測量儀對于基于模式測試表面結(jié)構(gòu)的相關(guān)測試應(yīng)該具有良好的厚度分辨率。生物測試解釋中的薄膜測量所有本發(fā)明的薄膜分析儀器對于非常特殊和生物測試結(jié)果非常敏感表示的薄膜測量特別有用，尤其是對于諸如免疫測定或核酸混成測試。在相關(guān)測試中，固體支撐用對于感興趣的分析物特別的材料鍍膜。分析物可以是與特別感興趣的疾病、條件、環(huán)境等特別相關(guān)的任何物質(zhì)，例如風(fēng)暴等。美國專利5,494,829描述了多種薄膜相關(guān)測試技術(shù)，因此將內(nèi)容包括在這里以供全面參考。最佳相關(guān)測試涉及使用產(chǎn)生不溶解的沉積反應(yīng)物的酶/基質(zhì)對。反應(yīng)的催化特性提高了測試靈敏度，通過連續(xù)沉積反應(yīng)物形成薄膜。通過酶結(jié)合到分析物特定試劑上把酶引到相關(guān)測試中。
更具體地說，任何能夠提供特定成分的反應(yīng)過程，所述特定成分能夠通過與特定分析物反應(yīng)附著到可接收材料上，并且能夠催化把基質(zhì)轉(zhuǎn)換為沉積薄膜反應(yīng)物，所述反應(yīng)過程都適合于這種類型的催化增強(qiáng)相關(guān)測試。適用于該增強(qiáng)目的的酶包括葡萄糖氧化酶、半乳糖苷酶、過氧化酶、堿性磷酸鹽及類似物質(zhì)。
圖6描述了用于相關(guān)測試的樣本700。樣本700對應(yīng)于圖1中的基質(zhì)108，用作使用標(biāo)本培養(yǎng)后進(jìn)行薄膜測量的分析樣本，所述標(biāo)本2可能感染特定的微生物或微生物與另一種測試材料源的組合。樣本700的各個(gè)膜層不拉伸為任何相對尺寸，為了討論關(guān)于在解釋相關(guān)測試的薄膜分析儀器中的用途的目的而拉伸。光學(xué)支撐702提供所有其他膜層的基本結(jié)構(gòu)支撐。該光學(xué)支撐可以是傳統(tǒng)的拋光硅晶片，最好是單晶硅，雖然也可以使用鋁、玻璃、和其他任何形式的反射材料。光學(xué)支撐可以支撐任何數(shù)目的附加膜。選擇光學(xué)支撐702的主要考慮是材料的反射率和或它能夠鍍反射材料的能力。光學(xué)支撐必須是能夠與用于產(chǎn)生后續(xù)膜層的鍍膜步驟相容，而且在測試環(huán)境下穩(wěn)定。
光學(xué)薄膜704可以用于產(chǎn)生調(diào)整膜。通過選擇該膜的適當(dāng)厚度，以及用于儀器中的光波長和入射角度，厚度-反射率曲線可以優(yōu)化，以便給出最佳厚度靈敏度。減反膜通過在薄膜結(jié)構(gòu)700的不同分界面上光的相消干涉衰減一種或多種波長的光。附加膜706起改善分析物特定相關(guān)試劑附著到光學(xué)支撐702或光學(xué)薄膜704(當(dāng)有時(shí))的表面上的能力。某些薄膜可能同時(shí)起光學(xué)功能和附著功能。單一薄膜適合于兩種功能應(yīng)該結(jié)合分析物特定試劑測試以便確保能夠達(dá)到足夠的試劑濃度并保持在表面。分析物特定相關(guān)薄膜是708。代表性的分析物特定相關(guān)試劑包括抗體、抗原、核酸、受體、螯合劑等。選擇使用保護(hù)層(該層未示出)以便在存放過程中保護(hù)生物受體膜層708。該保護(hù)膜層在使用分析物溶液培養(yǎng)過程中溶解。
在相關(guān)測試過程中，分析物特定膜層與分析物放映以便產(chǎn)生膜層710。膜層710也由增強(qiáng)試劑構(gòu)成諸如結(jié)合到酶上的抗體。膜層還包括酶與適當(dāng)酶基質(zhì)反應(yīng)產(chǎn)生的沉積或結(jié)合的反應(yīng)物。增強(qiáng)材料也可以是非酶產(chǎn)生的。
本發(fā)明的特別優(yōu)選特征是附加膜706、分析物特定相關(guān)薄膜是708、以及具有大致相同反射率的含有分析物和沉積反應(yīng)物薄膜710。因此，根據(jù)上述假設(shè)，這些薄膜假設(shè)為與一個(gè)薄膜的作用相同，因此容易利用理論計(jì)算結(jié)果校準(zhǔn)裝置。另一方面，當(dāng)這些系數(shù)或折射率差別很大時(shí)，數(shù)學(xué)方法非常復(fù)雜，在探測器處產(chǎn)生準(zhǔn)正弦曲線的操作原理不變。
可選光學(xué)薄膜704優(yōu)選由諸如二氧化鈦或氮化硅的材料形成。而且這些材料可以在真空條件下濺射沉積或者氫氧基金屬和旋轉(zhuǎn)沉積金屬羧酸鹽母體液體，這些物質(zhì)在氧或氫環(huán)境下聚合產(chǎn)生所需薄膜。例如，一種稱為Tyzor TPT(四價(jià)異丙鈦酸鹽tetraisopropyltitanate)的有機(jī)鈦酸鹽可以從杜邦公司(Dupont)購得。一毫升該有機(jī)鈦酸鹽溶液可以與3毫升冰醋酸、3毫升乙醇、3毫升去離子水、和10微升3M的FC171氟表面活性劑混合。異丙醇、t-戊醇、乙醇、或丙酮可以與水一起用于該應(yīng)用。乙醇應(yīng)該少量使用或避免使用，因?yàn)樗菀讓?dǎo)致鈦沉淀。大約500微升這種混合物施加在晶片上以便利用靜力旋轉(zhuǎn)鍍膜技術(shù)產(chǎn)生均勻膜層。通過在爐中加熱到250℃兩個(gè)小時(shí)或通過用400瓦微波加熱潮濕鍍膜晶片2分鐘來固化該薄膜。
有幾種適當(dāng)?shù)恼澈蟿┯糜谡掣侥?06。這些粘合劑包括(三甲氧基甲硅丙基)聚乙烯亞胺(例如從賓夕法尼亞州布里斯托爾(Bristol，PA)Petrarch公司購買的PEI)，該粘合劑通常以1∶500在甲醇中稀釋，旋轉(zhuǎn)或?yàn)R射到晶片上，并在0.1mm汞柱真空、100℃溫度下固化產(chǎn)生厚度為大約800的薄膜。可以改善粘合劑以便通過把PEI薄膜暴露在二甲基二氯甲硅烷(例如從密蘇里州圣路易斯(St.Louis，MO)的SigmaChemical Co.購買的DMDCS)以便沿著線形PEI鏈形成分支點(diǎn)，所述二甲基二氯甲硅烷通常以體積濃度大約為2％混合在1，1，1-三氯乙烷中。在25℃下把鍍有PEI膜的晶片浸漬在該溶液中60分鐘，然后用酒精沖洗并在氮?dú)饬髦懈稍铮a(chǎn)生厚度大約為200的附著膜。可以把聚苯乙烯(例如從加利福尼亞州奧克斯納德(Oxnard，CA)的BectonDickinson購買的聚苯乙烯)以比例0.025g/ml溶解在甲苯或其他溶劑中，旋轉(zhuǎn)涂敷在晶片上，并在25℃下固化60分鐘，產(chǎn)生厚度大約為200的最后薄膜?？梢园褟馁e夕法尼亞州沃靈頓的Polysciences購買的MSA-Starburst聚合物以1∶4(體積/體積)用甲醇稀釋旋轉(zhuǎn)涂敷到晶片上，并在空氣中25℃下烘烤固化120分鐘，產(chǎn)生厚度為大約40最后附著薄膜。其他適合的粘合劑材料包括從印第安納州印第安納波利斯(Indianapolis，IN)的Seradyn購買的形成薄膜的TC71A乳膠材料；二甲基二苯基硅氧烷聚合物(例如從賓夕法尼亞州布里斯托爾的Petrarch購買的DMDPS)；疏基丙基甲基二甲基-硅氧烷聚合物(例如從賓夕法尼亞州布里斯托爾(Bristol，PA)的Petrarch購買的疏基)；N-(2-氨乙基-2-氨丙基)三甲氧硅烷(例如從Petrarch of Bristol，PA購買的BAS)；三乙氧基甲硅烷基改性的聚丁二烯(例如從賓夕法尼亞州布里斯托爾的Petrarch購買的PBD)；以及(甲基苯基)甲基十二烷基-甲基氨丙基-甲基-硅氧烷。根據(jù)常規(guī)方法，這些材料用于粘附生物接受的膜層706。
分析物特定的粘附薄膜708包括形成特定相關(guān)對一部分的接受材料。這些包括如下，但是并不限于這些抗原/抗體、酶/基質(zhì)、低聚核苷酸/DNA、螯合劑/金屬、酶抗氧化劑、細(xì)菌/受體、病毒/受體、激素/受體、DNA/RNA、低聚核苷酸/RNA、和這些種類與任何其他種類的組合，以及這些種類與無機(jī)種類的相互作用。例如，分析物特定的相關(guān)材料的小類包括毒素、抗體、抗原、激素受體、寄生蟲、細(xì)胞、半抗原、代謝物、過敏原、核酸、核材料、自身抗體、血蛋白、細(xì)胞殘骸、酶、組織蛋白、酶基質(zhì)、輔酶、神經(jīng)原傳導(dǎo)器、病毒、病毒顆粒、微生物、多糖、螯合劑、藥物、和任何其他特定關(guān)聯(lián)對的元素。
受體材料的特征是特別能夠粘附感興趣的一種分析物或幾種分析物。感興趣的一種或幾種分析物是從要分析特定狀態(tài)和條件諸如疾病的試驗(yàn)樣本獲得。樣本可以在這樣的材料的基體中發(fā)現(xiàn)，諸如液體、固體、或氣體；尤其是粘液、唾液、尿液、糞便、組織、骨髓、腦脊髓液、血清、血漿、全血、痰、緩沖溶液、提取溶液、精液、陰道分泌物、圍心的、胃的、腹膜的或其他洗滌液、以及類似物質(zhì)?；蛘邩颖究梢允峭寥阑蛩畼颖净蜓簶颖镜?。存在分析物表示感染了疾病、癌癥、代謝失調(diào)、食物中毒、接觸了有毒物質(zhì)、反吸毒、或治療劑的水平。存在分析物也可以表示環(huán)境污染、存在不希望的廢棄產(chǎn)品、食物污染等。
作為膜層710的一個(gè)組分的增強(qiáng)試劑最優(yōu)選是酶-標(biāo)識的抗體。例如，當(dāng)沒有活力的抗體-抗原-抗體-酶復(fù)合物存在于試驗(yàn)表面上時(shí)產(chǎn)生不溶性的反應(yīng)物。由于酶對溶液中的沉淀劑的作用反應(yīng)物被催化沉淀。沉淀劑包括藻酸、葡聚糖硫酸酯、乙烯基甲基醚/順丁烯二酸酐共聚物，或者角叉萊膠和類似物，以及TMB(3，3’，5，5’-四甲苯)與無氧根反應(yīng)形成的物質(zhì)。只要自由根與TMB反應(yīng)該特定沉淀劑就形成不溶性的產(chǎn)物。其他基質(zhì)包括氯萘酚、四鹽酸二氨基聯(lián)二苯、氨乙基咔唑、正對苯二氨、和類似物質(zhì)也可以用作沉淀劑。沉淀劑通常使用濃度在大約10毫摩爾到100毫摩爾范圍內(nèi)。但是可以使用任何能夠附著到分析物特定相關(guān)試劑上并能夠起增加薄膜710的厚度的物質(zhì)。
例子例1相關(guān)試劑的酶增強(qiáng)辣根過氧化物(Sigma級別為VI)與免疫球蛋白化學(xué)結(jié)合，所述免疫球蛋白是通過辛酸沉淀從采集高滴定兔血清提取的，所述兔子預(yù)先注射Neisseria meningitidis A，C，Y，W135培養(yǎng)液中的可疑細(xì)胞。根據(jù)Analytical Biochemistry 132(1983)68-73中所描述的方法使用S-乙?；M(jìn)行結(jié)合。所產(chǎn)生的共軛物在緩沖液4-嗎啉丙烷磺酸(MOPS)(50毫摩爾，PH值為7.0)中含有過氧化物酶(104μM)和免疫球蛋白。過氧化物-免疫球蛋白共軛物在MOPS緩沖液和酪蛋白(5ng/ml)中稀釋，并與等體積的Neisseria meningitidis組織培養(yǎng)液中的無細(xì)胞過濾液稀釋物混合。
利用吸移管把一份混合物的25微升等分物移到鍍有氮化硅、T-聚合物硅氧烷、提純免疫球蛋白膜層的硅晶片表面，所述提純免疫球蛋白來自Neisseria meningitidis制備的相同兔抗體。利用10μg/ml抗體的50毫摩爾、PH值為7.0的MOPS溶液把抗體鍍到T-聚合物/硅晶片上。在環(huán)境溫度下晶片浸漬在抗體中保持1小時(shí)，用去離子水沖洗，并在氮?dú)饬髦懈稍?。把鍍抗體膜的基質(zhì)進(jìn)一步處理，即環(huán)境溫度下在0.5mg/ml水解酪蛋白的50毫摩爾、PH值為7.0的MOPS中培養(yǎng)1小時(shí)，然后沖洗和干燥。
共軛溶液含有過氧化物酶、免疫球蛋白和Neisseria meningitidis組織的無細(xì)胞過濾液，施加在晶片表面并允許培養(yǎng)2分鐘。用水沖洗樣本并在氮?dú)饬飨赂稍?。利用過濾裝置吸干也可以用于干燥目的。沉淀TMB基質(zhì)的溶液施加在表面上4分鐘，然后沖洗和干燥，如同前面一樣。含有沉淀反應(yīng)物的晶片放置在薄膜分析儀器上以便確定厚度。
例如，可以對于H.流感B，鏈球菌肝炎、B鏈球菌組和E.大腸桿菌K1重復(fù)這些過程。
接受對反應(yīng)的具體類型對于本發(fā)明的目的并不重要。相關(guān)試驗(yàn)反應(yīng)的說明性例子包括對人體免疫缺陷病毒、(HIV)I或II或它們的組合、鏈球菌組A、鏈球菌組B、呼吸Syncitial病毒、肝炎B、衣原體種、以及單純性包疹病毒的試驗(yàn)。
雖然已經(jīng)對本發(fā)明進(jìn)行了詳細(xì)描述和舉例說明以使本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員能夠?qū)ζ渲圃旌褪褂茫秋@然各種替換、變化和改進(jìn)也不脫離本發(fā)明的精神和范圍。
本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員會認(rèn)識到，本發(fā)明能夠很好地完成上述目的并具有上述優(yōu)點(diǎn)、以及本身固有的優(yōu)點(diǎn)。細(xì)胞列、胚芽、動物、和產(chǎn)生它們的過程和方法都是優(yōu)選實(shí)施例的代表，都是示范性的，而不是用于限制本發(fā)明的范圍。本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以對其進(jìn)行改進(jìn)和用于其他應(yīng)用。這些改進(jìn)包含在本發(fā)明的精神內(nèi)并由權(quán)利要求書的范圍限定。
對于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來說，顯然可以對這里公開的發(fā)明進(jìn)行各種替換和改進(jìn)而不脫離本發(fā)明的范圍和精神。
本說明書中提到的所有專利和公開出版物都表示了本發(fā)明所屬領(lǐng)域的現(xiàn)有技術(shù)水平。所有專利和公開出版物都包括在這里，以供參考，如同特別單獨(dú)指出每個(gè)單獨(dú)出版物編入說明書中以供參考一樣。
這里描述的本發(fā)明能夠在這里沒有特別公開的任何一個(gè)或多個(gè)元件、一個(gè)或多個(gè)限制不存在的情況下實(shí)施。因此，例如在這里的每個(gè)例子中術(shù)語“包括”、“實(shí)質(zhì)上由……構(gòu)成”和“由……構(gòu)成”的任何一個(gè)都可以由另外兩個(gè)術(shù)語替換。使用的術(shù)語和措辭是用作描述術(shù)語而不是作為限制，使用這樣的術(shù)語和措辭不是為了排除這里示出和描述的等同特征或其中的一部分，而是應(yīng)該認(rèn)識到各種改進(jìn)都在本發(fā)明要求保護(hù)的范圍之內(nèi)。因此，應(yīng)該理解雖然利用最佳實(shí)施例和選擇特征具體描述了本發(fā)明，本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以根據(jù)這里公開的原理進(jìn)行各種改進(jìn)和變形，這樣的改進(jìn)和變形應(yīng)該認(rèn)為是落入本發(fā)明權(quán)利要求書所限定的范圍內(nèi)。
此外，雖然根據(jù)Markush組描述了本發(fā)明的特征和各方面，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員應(yīng)該理解，也因此而根據(jù)任何單個(gè)元件或Markush組的元件子組描述了本發(fā)明。例如，如果X描述為從包括溴、氯和碘的組中選取的，那么對于X是溴的要求及對于X是溴和氯的要求也充分描述了。
其他實(shí)施例在后面的權(quán)利要求書中給出。
權(quán)利要求
1.一種用于確定樣本薄膜厚度的裝置，該裝置包括用于承載所述樣本的基質(zhì)；用于產(chǎn)生照射所述樣本的電磁輻射的光源；位于所述光源與所述樣本之間的第一偏振元件；用于探測從所述樣本反射的電磁輻射的探測器；位于所述探測器與所述樣本之間的第二偏振元件；以及利用從所述探測器獲得的信號確定薄膜厚度的數(shù)據(jù)分析器件，其中所述第一和第二偏振元件中的至少一個(gè)是旋轉(zhuǎn)元件，該元件在所述裝置的操作模式期間旋轉(zhuǎn)，以便隨時(shí)間改變所述電磁輻射s和/或p分量，而且其中所述數(shù)據(jù)分析器件使用把薄膜厚度與探測器信號強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光源產(chǎn)生單色電磁輻射。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述電磁輻射是從包括可見光、紅外光和紫外光的一組中選擇的。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一偏振元件構(gòu)成旋轉(zhuǎn)偏振濾光片。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第二偏振元件構(gòu)成旋轉(zhuǎn)偏振濾光片。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述第一偏振元件構(gòu)成旋轉(zhuǎn)偏振濾光片，而其中所述第二偏振元件構(gòu)成固定分析器。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的裝置，其中所述第一偏振元件構(gòu)成固定偏振濾光片，而其中所述第二偏振元件構(gòu)成旋轉(zhuǎn)分析器。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中至少所述第一和第二偏振元件之一旋轉(zhuǎn)，以便在所述探測器上產(chǎn)生準(zhǔn)正弦強(qiáng)度信號。
9.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述薄膜厚度與所述準(zhǔn)正弦強(qiáng)度信號的振幅相關(guān)聯(lián)。
10.根據(jù)權(quán)利要求8所述的裝置，其中所述薄膜厚度與所述準(zhǔn)正弦強(qiáng)度信號的峰-峰距離相關(guān)聯(lián)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述裝置進(jìn)一步包括由已知薄膜厚度構(gòu)成的對照樣本。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的裝置，其中所述對照樣本為負(fù)對照樣本。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的裝置，其中所述標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)由把所述探測器強(qiáng)度信號與所述從負(fù)對照樣本獲得的比較探測器信號強(qiáng)度關(guān)聯(lián)的歸一化函數(shù)構(gòu)成。
14.根據(jù)權(quán)利要求13所述的裝置，其中所述歸一化函數(shù)為所述探測器信號強(qiáng)度與從所述負(fù)對照樣本獲得的所述比較探測器信號強(qiáng)度的比值。
15.根據(jù)權(quán)利要求1所述的裝置，其中所述光源相對于所述基質(zhì)而設(shè)置在預(yù)定角度，并且所述探測器相對于所述基質(zhì)設(shè)置在預(yù)定角度。
16.一種測量樣本薄膜厚度的方法，該方法包括提供一個(gè)裝置，該裝置包括光源、偏振片、分析器、以及探測器；把電磁輻射從該光源引導(dǎo)向該樣本，從而使電磁輻射從該樣本反射；使用該偏振片把引導(dǎo)向該樣本的該電磁輻射變成偏振的；使用該分析器使得從該樣本反射的該電磁輻射變成偏振的；旋轉(zhuǎn)該偏振片或該分析器，從而隨時(shí)間而改變該偏振電磁輻射的s和p分量；使用該探測器探測從該樣本反射的該偏振電磁輻射，從而獲得對應(yīng)于該反射電磁輻射強(qiáng)度的信號；和把該信號與該樣本薄膜厚度相關(guān)聯(lián)，其中所述關(guān)聯(lián)步驟包括使用把薄膜厚度與探測器信號強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)是從具有不同光學(xué)特性的樣本獲得的多個(gè)標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)中選擇的。
18.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中所述方法進(jìn)一步包括提供從負(fù)對照樣本獲得的比較探測器信號強(qiáng)度。
19.根據(jù)權(quán)利要求18所述的方法，其中該標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)包括歸一化函數(shù)，該歸一化函數(shù)把該探測器信號強(qiáng)度與該比較探測器信號強(qiáng)度相關(guān)聯(lián)。
20.根據(jù)權(quán)利要求19所述的方法，其中該歸一化函數(shù)是該探測器信號強(qiáng)度與該比較探測器信號強(qiáng)度的比值。
21.根據(jù)權(quán)利要求16所述的方法，其中將該偏振片或分析器旋轉(zhuǎn)，以提供來自探測器的相應(yīng)準(zhǔn)正弦信號。
22.一種用于解釋薄膜相關(guān)試驗(yàn)的的裝置，該裝置包括用于承載樣本的基質(zhì)；用于產(chǎn)生照射所述樣本的電磁輻射的光源；用于探測從所述樣本反射的電磁輻射的探測器，其中由所述探測器產(chǎn)生的信號對應(yīng)于所述反射電磁輻射的強(qiáng)度；位于所述光源、所述樣本和所述探測器之間的光路，所述光路包括位于所述光源和所述樣本之間的固定偏振元件，用于把所述電磁輻射變成線偏振的；和信號處理器，用于通過把所述信號與所述樣本上的薄膜厚度相關(guān)聯(lián)來解釋薄膜相關(guān)試驗(yàn)。
23.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述線偏振電磁輻射在所述偏振片與所述探測器之間的所述光路上相對于入射面基本上是s偏振的。
24.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述線偏振電磁輻射在所述偏振片與所述探測器之間的所述光路上相對于入射面基本上是p偏振的。
25.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中把所述薄膜厚度與薄膜相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)。
26.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述光源產(chǎn)生單色電磁輻射。
27.根據(jù)權(quán)利要求22所述的裝置，其中所述光路包括單個(gè)偏振元件。
28.一種用于解釋薄膜相關(guān)試驗(yàn)的的裝置，該裝置包括用于承載樣本的基質(zhì)；用于產(chǎn)生照射所述樣本的電磁輻射的光源；用于探測從所述樣本反射的電磁輻射的探測器，其中由所述探測器產(chǎn)生的信號對應(yīng)于所述反射電磁輻射的強(qiáng)度；位于所述光源、所述樣本和所述探測器之間的光路，所述光路包括位于所述樣本和所述探測器之間的固定偏振元件，用于把所述反射的電磁輻射變成線偏振的；和信號處理器，用于把所述信號與所述樣本上的薄膜厚度相關(guān)聯(lián)。
29.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述線偏振電磁輻射在所述偏振片與所述探測器之間的所述光路上相對于入射面基本上是s偏振的。
30.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述線偏振電磁輻射在所述偏振片與所述探測器之間的所述光路上相對于入射面基本上是p偏振的。
31.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中把所述薄膜厚度與薄膜相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)。
32.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述光源產(chǎn)生單色電磁輻射。
33.根據(jù)權(quán)利要求28所述的裝置，其中所述光路包括單個(gè)偏振元件。
34.一種用于解釋薄膜相關(guān)試驗(yàn)的的裝置，該裝置包括用于承載樣本的基質(zhì)；用于產(chǎn)生照射所述樣本的電磁輻射的光源；用于探測從所述樣本反射的電磁輻射的探測器，其中由所述探測器產(chǎn)生的信號對應(yīng)于所述反射電磁輻射的強(qiáng)度；位于所述光源、所述樣本和所述探測器之間的光路；和信號處理器，用于把所述信號與所述樣本上的薄膜厚度相關(guān)聯(lián)。
35.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述光源相對于所述樣本和所述探測器而設(shè)置，以產(chǎn)生小入射角。
36.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述光路既不包括位于所述光源與所述樣本之間的偏振片，也不包括位于所述樣本與所述探測器之間的偏振片。
37.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述光源設(shè)置成入射角為從大約0°到大約30°范圍內(nèi)，相對于該樣本平面的法線而確定。
38.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述光源設(shè)置成入射角為從0°到20°范圍內(nèi)。
39.根據(jù)權(quán)利要求35所述的裝置，其中所述光源設(shè)置成入射角為從0°到10°范圍內(nèi)。
40.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述光源產(chǎn)生單色電磁輻射。
41.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其中把所述薄膜厚度與薄膜相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)。
42.根據(jù)權(quán)利要求34所述的裝置，其中所述光路包括產(chǎn)生圓偏振光的偏振濾光片。
43.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，其中所述偏振濾光片位于所述光源與所述樣本之間的光路上。
44.根據(jù)權(quán)利要求42所述的裝置，其中所述偏振濾光片位于所述樣本與所述探測器之間的所述光路上。
45.一種解釋薄膜相關(guān)試驗(yàn)的方法，該方法包括提供一個(gè)裝置，該裝置包括光源、探測器、位于所述光源與樣本之間的第一光路、以及位于所述樣本與所述探測器之間的第二光路；沿著所述第一光路把電磁輻射從所述光源引導(dǎo)到所述樣本，從而使電磁輻射被所述樣本沿著所述第二光路反射到所述探測器；在所述電磁輻射與所述樣本接觸之前的位置上，把沿著所述第一光路的所述電磁輻射變成線偏振的；使用所述探測器來檢測由所述樣本反射的所述電磁輻射，以便獲得對應(yīng)于所述反射電磁輻射的強(qiáng)度的信號；以及把所述信號與該樣本的薄膜厚度關(guān)聯(lián)。
46.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中所述線偏振電磁輻射在所述偏振片與所述探測器之間的所述第二光路上相對于入射面基本上是s偏振的。
47.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中所述線偏振電磁輻射在所述偏振片與所述探測器之間的所述第二光路上相對于入射面基本上是p偏振的。
48.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中把所述薄膜厚度與薄膜相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)。
49.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，其中所述光源產(chǎn)生單色電磁輻射。
50.根據(jù)權(quán)利要求45所述的方法，該方法在從所述樣本反射的所述電磁輻射不偏振的情況下實(shí)施。
51.一種解釋薄膜相關(guān)試驗(yàn)的方法，該方法包括提供一個(gè)裝置，該裝置包括光源、探測器、位于所述光源與樣本之間的第一光路、以及位于所述樣本與所述探測器之間的第二光路；沿著所述第一光路把電磁輻射從所述光源引導(dǎo)到所述樣本，從而使電磁輻射被所述樣本沿著所述第二光路而反射到所述探測器；在所述電磁輻射與所述樣本接觸之后的位置上，把沿著所述第二光路的所述電磁輻射變成線偏振的；使用所述探測器來檢測由所述樣本反射的所述電磁輻射，以便獲得對應(yīng)于所述反射電磁輻射的強(qiáng)度的信號；以及把所述信號與該樣本的薄膜厚度關(guān)聯(lián)。
52.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，其中所述線偏振電磁輻射在所述偏振片與所述探測器之間的所述第二光路上相對于入射面基本上是s偏振的。
53.根據(jù)權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述線偏振電磁輻射在所述偏振片與所述探測器之間的所述第二光路上相對于入射面基本上是p偏振的。
54.根據(jù)權(quán)利要求51所述的裝置，其中把所述薄膜厚度與薄膜相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)。
55.根據(jù)權(quán)利要求51所述的裝置，其中所述光源產(chǎn)生單色電磁輻射。
56.根據(jù)權(quán)利要求51所述的方法，該方法在所述電磁輻射從所述樣本反射之前不偏振的情況下實(shí)施。
57.一種用于解釋薄膜相關(guān)試驗(yàn)的的方法，該方法包括提供一個(gè)裝置，該裝置包括光源、探測器、位于所述光源與樣本之間的第一光路、以及位于所述樣本與所述探測器之間的第二光路；沿著所述第一光路把電磁輻射從所述光源引導(dǎo)到所述樣本，從而使電磁輻射被所述樣本沿著所述第二光路而反射到所述探測器，其中在所述光路中的元件不移動情況下，所述探測器處的所述電磁輻射是非偏振的；使用所述探測器來檢測由所述樣本反射的所述電磁輻射，以便獲得對應(yīng)于所述反射電磁輻射的強(qiáng)度的信號；以及把所述信號與樣本的薄膜厚度關(guān)聯(lián)。
58.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述光源設(shè)置成相對于該樣本法線而確定的小入射角。
59.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述光路既不包括位于所述光源與所述樣本之間的偏振片，也不包括位于所述樣本與所述探測器之間的偏振片。
60.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中所述小入射角在從大約0°到大約30°范圍內(nèi)。
61.根據(jù)權(quán)利要求58所述的方法，其中所述小入射角在從0°到20°范圍內(nèi)。
62.根據(jù)權(quán)利要求60所述的方法，其中所述小入射角在從0°到10°范圍內(nèi)。
63.根據(jù)權(quán)利要求57所述的方法，其中所述光源產(chǎn)生單色電磁輻射。
64.根據(jù)權(quán)利要求57所述的裝置，其中把所述薄膜厚度與薄膜相關(guān)試驗(yàn)結(jié)果相關(guān)聯(lián)。
全文摘要
改進(jìn)的偏振片橢圓測量儀能夠提高信號質(zhì)量和信噪比性能。這種改進(jìn)是基于相對于一個(gè)固定的偏振片旋轉(zhuǎn)另一個(gè)偏振片,以便產(chǎn)生與分析薄膜相關(guān)的AC模式信號。AC模式信號可以與背景信號比較,使用樣本信號與背景信號的比值提供薄膜厚度的更精確測量。可以把不知厚度的歸一化AC信號與對于確切厚度測量具有類似光學(xué)性能的薄膜產(chǎn)生的標(biāo)準(zhǔn)曲線比較,或者可以直接用于表示相對厚度值。還描述了本發(fā)明改進(jìn)偏振片橢圓測量儀的其他變形,其中去掉一個(gè)或兩個(gè)固定偏振片,以便通過減少光學(xué)元件的數(shù)量改善信號強(qiáng)度。設(shè)計(jì)這些變形應(yīng)用于特別的薄膜和基質(zhì)條件。
文檔編號G01N33/543GK1367870SQ00811055
公開日2002年9月4日 申請日期2000年8月3日 優(yōu)先權(quán)日1999年8月6日
發(fā)明者S·楊 申請人:熱生物之星公司, 旭化成株式會社