專利名稱：表面等離子共振測(cè)量裝置和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種應(yīng)用表面等離子共振原理來(lái)測(cè)量微小間隙寬度、位移或相對(duì)位置的裝置和方法，尤其涉及一種應(yīng)用于納米級(jí)間隙、位移或相對(duì)位置的表面等離子共振測(cè)量裝置和方法。

背景技術(shù)：
長(zhǎng)久以來(lái)，科學(xué)界在光學(xué)測(cè)量方法中，都是以光學(xué)干涉法的測(cè)量技術(shù)為主，通過(guò)分析干涉條紋的些許變化，可計(jì)算出相對(duì)物體的位移變化量(displacement shift)，且儀器的精密度越高，越可檢測(cè)出更微小的位移變化。但對(duì)于納米級(jí)間隙寬度(gap width)的測(cè)量方法，卻始終難以獲得突破性發(fā)展。究其原因應(yīng)是利用光學(xué)干涉法來(lái)測(cè)量微小間隙的技術(shù)，會(huì)受限于間隙寬度在二分之一波長(zhǎng)以下時(shí)，沒(méi)有干涉圖紋的困境，導(dǎo)致以一般可見(jiàn)光所進(jìn)行的測(cè)量方法，難以測(cè)量寬度小于300nm以下的間隙，更不用說(shuō)小于100nm或10nm以下納米等級(jí)的間隙。
美國(guó)麻省理工學(xué)院的研究群曾利用所謂「chirped-Talbot effect」來(lái)進(jìn)行納米間隙的測(cè)量，指出其方法的靈敏度可達(dá)到1nm以下；然而，其可測(cè)量范圍卻在30μm到1μm左右?；诖?，為了克服光學(xué)方法測(cè)量物體間隙寬度無(wú)法突破二分之一波長(zhǎng)的干涉限制，本發(fā)明提出以「表面等離子共振」方法，來(lái)測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體間納米級(jí)間隙寬度、位移變化和相對(duì)位置。
所謂「表面等離子共振」現(xiàn)象，是一種金屬表面電子的集體性震蕩行為，是利用與入射面平行的橫磁(Transverse Magnetic；TM)模式光經(jīng)由棱鏡等物件耦合之后，因棱鏡另一面鍍有金屬薄膜(一般為金或銀)，即會(huì)在金屬表面處產(chǎn)生表面等離子波，當(dāng)其中入射光波向量與在此一含金屬薄膜界面的介質(zhì)材料的表面等離子波波向量相等時(shí)，即產(chǎn)生共振現(xiàn)象，此時(shí)入射光將能量轉(zhuǎn)移至發(fā)生表面等離子共振現(xiàn)象的界面上，使得反射光強(qiáng)度(或稱反射率)急劇下降，如圖1所示。表面等離子共振現(xiàn)象發(fā)生的特征為當(dāng)入射光滿足表面等離子共振條件時(shí)，其共振角B發(fā)生在大于全反射臨界角A的特定角度下(本例約44度)，此時(shí)大部分入射光能量被吸收，甚至是幾乎被完全吸收，所以在共振角B時(shí)其反射光強(qiáng)度(或反射率)為最低，且理論上可降至零。
當(dāng)入射光波向量如下列式(1)與表面等離子波波向量如下列式(2)，二者相等時(shí)為波向量匹配，可發(fā)生表面等離子共振現(xiàn)象，而將入射光能量轉(zhuǎn)移給表面等離子波。事實(shí)上，只有符合特定條件(如特定入射角或特定波長(zhǎng))，才能產(chǎn)生表面等離子共振現(xiàn)象。其中入射光波向量，可表示為 kx＝konp sinθ(1) 其中kx表示入射光平行于金屬與棱鏡界面波向量分量，k0為真空中的波向量k0＝ω/c＝2π/λ，ω是角頻率，c是光速，λ是入射光波長(zhǎng)，θ為光線入射角，np是棱鏡的折射率。而表面等離子波向量ksp表示為 其中εm與εd分別是金屬介電系數(shù)和待測(cè)物體的介電系數(shù)，且nd為待測(cè)物體的折射率。
當(dāng)入射光與表面等離子波滿足其波向量kx＝ksp時(shí)，即形成表面等離子共振現(xiàn)象，此時(shí)如果式(2)中任一參數(shù)發(fā)生些微的改變(如折射率改變)，即會(huì)使原共振條件不再被滿足，而使得入射光與表面等離子波的能量耦合再度發(fā)生變化。源于此，可利用此表面等離子共振現(xiàn)象，測(cè)量待測(cè)物體上微小的物理或化學(xué)特性變化。
基本上，產(chǎn)生表面等離子共振的入射光耦合有三種方式，分別為光柵耦合、光波導(dǎo)耦合和棱鏡耦合。其中棱鏡耦合方式經(jīng)常搭配以衰減全內(nèi)反射法(Attenuated TotalInternal Reflection；ATR)進(jìn)行反射率測(cè)量，且因其使用上最簡(jiǎn)單方便，已成為最普遍的表面等離子共振測(cè)量裝置。棱鏡耦合又因基本組件的結(jié)構(gòu)構(gòu)型不同而有KR構(gòu)型和Otto構(gòu)型二種。其中主要區(qū)分為KR構(gòu)型為在棱鏡底面鍍上一層金屬薄膜，而Otto構(gòu)型則是將一棱鏡放置在一表面鍍有一層金屬薄膜的平板上方。但無(wú)論其構(gòu)型或其光耦合方式如何轉(zhuǎn)化，只要其可滿足入射光波向量kx與界面介質(zhì)材料的波向量ksp相等的條件，即能形成表面等離子共振效應(yīng)，而可做為各種測(cè)量上的應(yīng)用。
目前表面等離子共振現(xiàn)象的測(cè)量基本上分為四種方式，分別為角度探測(cè)(angularinterrogation)、波長(zhǎng)探測(cè)(wavelength interrogation)、強(qiáng)度探測(cè)(intensity interrogation)和相位探測(cè)(phase interrogation)。
「角度探測(cè)」是改變?nèi)肷涔獾娜肷浣嵌?，所以其水平波向量?huì)隨著角度增加而增加。當(dāng)達(dá)到一特定的入射角度，光的水平波向量與表面等離子共振波向量相等時(shí)，反射光強(qiáng)度會(huì)有一最小值，此角度即表面等離子波的共振角。其后，如果界面上相鄰介質(zhì)的折射系數(shù)有所變化，或貼附于界面上待測(cè)物的折射率或重量、密度有所變化時(shí)，即會(huì)造成表面等離子波向量改變，進(jìn)而使得共振角度變化漂移。通過(guò)測(cè)量角度漂移即可得知界面處或其上待測(cè)物的物理或化學(xué)性質(zhì)改變的情況。
「波長(zhǎng)探測(cè)」是采用一固定入射角度，而改變不同的入射光波長(zhǎng)以進(jìn)行測(cè)量，當(dāng)入射光波長(zhǎng)調(diào)整至一特定波長(zhǎng)下，可滿足表面等離子共振條件，反射光強(qiáng)度也降至一最小值，此特定波長(zhǎng)即為表面等離子共振波長(zhǎng)。其后，如果界面上相鄰介質(zhì)的折射系數(shù)有所變化，或貼附于界面上待測(cè)物的折射率或重量、密度有所變化時(shí)，即會(huì)造成表面等離子波向量改變，進(jìn)而使得共振波長(zhǎng)變化漂移。通過(guò)測(cè)量波長(zhǎng)漂移即可得知界面處或其上待測(cè)物的物理或化學(xué)性質(zhì)改變情況。
「強(qiáng)度探測(cè)」是利用在界面上物理或化學(xué)性質(zhì)產(chǎn)生些微變化時(shí)，造成表面等離子共振條件改變，而使得反射光強(qiáng)度發(fā)生改變；此時(shí)，只要測(cè)量反射光強(qiáng)度變化量，即可得知其界面物理或化學(xué)性質(zhì)改變情況。通常，為了能夠有較高的靈敏度，會(huì)選擇固定入射角在反射光強(qiáng)度曲線斜率最大值的位置上來(lái)進(jìn)行測(cè)量。
「相位探測(cè)」是因當(dāng)表面等離子共振現(xiàn)象發(fā)生時(shí)，除反射光的強(qiáng)度會(huì)有變化外，反射光的光波相位也會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的劇烈變化，而可利用測(cè)量的方式獲知界面處的物理或化學(xué)性質(zhì)變化。當(dāng)在共振角度下時(shí)，此相位角有最劇烈的改變，此時(shí)稱為相位跳躍(phasejump)。在進(jìn)行相位探測(cè)時(shí)，通常會(huì)固定光入射角在共振角附近，以獲得最高的靈敏度。
由于表面等離子共振的原理簡(jiǎn)單，裝置也不復(fù)雜，學(xué)術(shù)界或工業(yè)界早已應(yīng)用此技術(shù)于氣體或生化的檢測(cè)方面。例如，公元1982年Nylander和Liedberg首度利用KR結(jié)構(gòu)應(yīng)用于氣體和生化檢測(cè)技術(shù)上，而奠定各式微傳感器的研究基礎(chǔ)。公元1992年，Iorgenson和Yee使用光纖作為表面等離子共振傳感器，于傳統(tǒng)光纖沉積銀金屬薄膜來(lái)形成表面等離子共振感測(cè)結(jié)構(gòu)，并以波長(zhǎng)探測(cè)法來(lái)檢測(cè)金屬表面物質(zhì)特性的改變。公元1992年，一利用光學(xué)干涉系統(tǒng)的集成化光波導(dǎo)感測(cè)結(jié)構(gòu)被應(yīng)用于將化學(xué)變化的信號(hào)轉(zhuǎn)換為光信號(hào)，并藉此讀出光干涉現(xiàn)象所產(chǎn)生的相位變化，以檢測(cè)化學(xué)溶液的性質(zhì)。
美國(guó)專利號(hào)US6,208,422揭示一種Otto構(gòu)型的表面等離子感測(cè)裝置20，如圖2(a)所示。其基本結(jié)構(gòu)是將可產(chǎn)生表面等離子波的金屬薄膜平板201、202置于一可移動(dòng)載臺(tái)203上，其下附有一壓電元件204，且與一棱鏡205的一表面206相隔一間隙。測(cè)量時(shí)使用二個(gè)入射光束209和209′搭配一測(cè)量光源200，而由二個(gè)光檢測(cè)器207、208來(lái)接收于所述表面206的反射光信號(hào)，進(jìn)而產(chǎn)生兩個(gè)光量信號(hào)220、222，其中光量信號(hào)222通過(guò)一放大器221。然后，所述兩個(gè)光量信號(hào)220、222送入一數(shù)據(jù)處理單元225，并產(chǎn)生一驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)224。所述驅(qū)動(dòng)控制信號(hào)224控制一驅(qū)動(dòng)器223驅(qū)動(dòng)所述壓電元件204的上下運(yùn)動(dòng)。藉此，可控制所述棱鏡205與金屬膜平板201間的距離。然而，所述Otto構(gòu)型的表面等離子感測(cè)裝置20的結(jié)構(gòu)復(fù)雜，且需要兩個(gè)入射光束209和209′和搭配二個(gè)光檢測(cè)器207、208才可進(jìn)行測(cè)量。不僅操作不便，且因結(jié)構(gòu)復(fù)雜也影響其穩(wěn)定性。
另外，日本專利JP6265336號(hào)揭示一種Otto構(gòu)型的表面等離子共振效應(yīng)的精密距離控制裝置21，如圖2(b)所示。所述精密距離控制裝置21是由一棱鏡210、一中性密度濾光片211、一圓柱狀透鏡212、一光電二極管陣列213、一聚光透鏡214、一光圈215、一擴(kuò)束器216、一偏光板217、一單色激光光源218、一介電薄膜219、一鏡臺(tái)230、一壓電晶體231和一平臺(tái)232所構(gòu)成。其主要運(yùn)作原理為應(yīng)用所述單色激光光源218產(chǎn)生的光束依序通過(guò)所述偏光板217、所述擴(kuò)束器216、所述光圈215和所述聚光透鏡214而來(lái)到所述棱鏡210以產(chǎn)生表面等離子共振。之后會(huì)產(chǎn)生一反射光束依序通過(guò)所述中性密度濾光片211和所述圓柱狀透鏡212，然后被所述光電二極管陣列213所接收檢測(cè)，其主要目的為測(cè)量共振角度；且，所產(chǎn)生的表面等離子共振狀況將會(huì)透過(guò)所述介電薄膜219和所述鏡臺(tái)230(為一導(dǎo)電材質(zhì))而傳送給所述壓電晶體231。之后，所述壓電晶體231和所述光電二極管陣列213透過(guò)一數(shù)據(jù)處理單元(圖未示)而控制所述平臺(tái)232的水平方向，并得以精密控制兩個(gè)物體間的距離。但所述日本專利仍局限于Otto構(gòu)型的表面等離子共振的應(yīng)用，且未說(shuō)明共振角與間隙大小對(duì)應(yīng)變化的關(guān)聯(lián)性，而僅為控制兩個(gè)物體距離于共振角位置附近，不能用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體的間隙寬度或位移距離。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種應(yīng)用表面等離子共振原理來(lái)測(cè)量微小間隙寬度、位移或相對(duì)位置等幾何數(shù)值的裝置和方法，其可克服光學(xué)干涉法在入射光二分之一波長(zhǎng)以下范圍無(wú)法產(chǎn)生干涉條紋的缺點(diǎn)，而特別適用于測(cè)量納米級(jí)的微小間隙、位移或相對(duì)位置。
本發(fā)明是利用光學(xué)Fresnel反射定理計(jì)算在不同多層界面間的反射系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，并寫(xiě)成反射率的變化公式(詳細(xì)描述于實(shí)施方法)。之后，以KR結(jié)構(gòu)構(gòu)型為基礎(chǔ)，并由上述反射率的變化公式發(fā)展出完整的三維立體模擬程序，而得模擬入射角與反射率的變化關(guān)系。本發(fā)明即利用當(dāng)兩個(gè)物體的間隙小于等于2倍表面等離子波穿透距離時(shí)，入射角與反射率的共振曲線的變化非常敏感的現(xiàn)象，做為納米級(jí)微小間隙、位移或相對(duì)位置的測(cè)量方法，并發(fā)展其測(cè)量裝置。
表面等離子波穿透深度(penetration depth)，η，是指介值內(nèi)表面等離子波電場(chǎng)強(qiáng)度衰減至界面處強(qiáng)度的e-1，(e為自然指數(shù))，其數(shù)值受入射光波長(zhǎng)、金屬折射率、介質(zhì)折射率與其界面狀態(tài)(如界面潔凈度)變化而有所不同，而與理論值有些許誤差。理論值公式如下式(3) 其中λ是入射光波長(zhǎng)，εm與εd分別是金屬介電系數(shù)和待測(cè)物體的介電系數(shù)，且nd為待測(cè)物體的折射率。
發(fā)展此種測(cè)量裝置，可先通過(guò)上述計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算出反射率變化量與間隙大小的相對(duì)關(guān)系，或直接先以實(shí)作測(cè)量的方式建立反射率變化量與微小間隙的對(duì)應(yīng)關(guān)系數(shù)據(jù)，而建立例如一數(shù)據(jù)查找表(Look-Up Table；LUT)。后來(lái)要測(cè)量某待測(cè)物體微小間隙寬度時(shí)，即可由光檢測(cè)單元與輸出單元中所顯示的數(shù)值，再對(duì)比數(shù)據(jù)查找表中的數(shù)據(jù)，而獲知所測(cè)量的微小間隙寬度為何，且也可通過(guò)計(jì)算兩個(gè)不同間隙寬度的數(shù)據(jù)差值，得知兩個(gè)物體的相對(duì)位移量或相對(duì)位置。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明揭示一種利用表面等離子共振效應(yīng)的光學(xué)測(cè)量裝置，其中包含一光照組合件、一光耦合單元、一光檢測(cè)單元、一輸出單元和一相對(duì)物體。
「光照組合件」用以提供一含TM波的入射光束，此入射光束光源種類可為激光、鎢絲燈、汞燈、發(fā)光二極管，或同步輻射光等；而其波長(zhǎng)則可使用如紅外光、可見(jiàn)光或紫外光頻段范圍；而產(chǎn)生含TM波的方式則可利用光學(xué)鏡組或極化偏極片調(diào)制而成。如果為降低入射光束的噪聲或調(diào)整TM波的百分比，可增加放置如透鏡、濾光片、偏極板等光學(xué)組件于入射光路中，此仍然視為光照組合件的一部分。
「光耦合單元」是提供入射光束能量耦合至表面等離子波，并于符合入射光波向量與表面等離子波波向量二者相等的特定條件時(shí)，產(chǎn)生表面等離子共振現(xiàn)象。因此，光耦合單元基本上為一底表面鍍有金屬薄膜的棱鏡，其中的金屬可為單一層金、銀、或其他復(fù)合金屬，也可為復(fù)數(shù)層金、銀或其他復(fù)合金屬或復(fù)合材料的組成；而此金屬薄膜的總厚度并未有所限制，只要可供激發(fā)表面等離子波，并可穿透至相鄰待測(cè)間隙中即可。所述棱鏡不限其折射率大小，且其外型可為直角棱鏡、三角棱鏡、半圓球透鏡、半圓柱透鏡等。鍍金屬薄膜方式，除直接鍍覆于棱鏡底表面外，還可利用與棱鏡折射率相近的匹配液，將含有鍍覆金屬薄膜的載片貼附于棱鏡上。光耦合方式除棱鏡耦合方式外，光柵耦合、光波導(dǎo)耦合等已知的耦合方式都可合用。
「光檢測(cè)單元」是提供將反射光信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)殡姎庑盘?hào)，其基本元件為光感測(cè)二極管、光電倍增管、光放大二極管、電荷耦合元件(CCD)傳感器、互補(bǔ)式金氧半導(dǎo)體(CMOS)傳感器或其他光電轉(zhuǎn)換裝置。如果為降低反射光進(jìn)入光檢測(cè)單元的伴隨噪聲，可在其入口處放置如透鏡、濾光片、偏極板等光學(xué)組件，仍視為光檢測(cè)單元的一部分。
「輸出單元」是將光檢測(cè)單元送出的電氣信號(hào)，透過(guò)存儲(chǔ)或轉(zhuǎn)換的方式，將輸出信號(hào)送至顯示元件(如示波器、屏幕、打印機(jī))、存儲(chǔ)元件(存儲(chǔ)器、磁盤(pán)、硬盤(pán)、存儲(chǔ)卡等)或控制元件(進(jìn)行距離精密控制)；而輸出信號(hào)可經(jīng)由對(duì)比數(shù)據(jù)模擬結(jié)果或?qū)φ諗?shù)據(jù)查找表，以獲得所述微小間隙或位移的距離大小。
「相對(duì)物體」是與光耦合單元鍍有金屬薄膜的表面相距一微小間隙(即前段光耦合單元所述的待測(cè)間隙)的物體，其中所述相對(duì)物體表面可為單一介質(zhì)材料或覆有其他材料薄膜(如氧化物、氮化物、鹵化物或其他金屬和其化合物)，且所述相對(duì)物體可僅為一較大物體表面的一局部區(qū)域。所述相對(duì)物體可為可透光、半透光或不透光材料，且如果其為可透光材料，還可將光感測(cè)元件裝設(shè)在其透射處，利用穿透光信號(hào)變化，推算表面等離子共振現(xiàn)象的變化情形，而獲知所述微小間隙的大小。所述待測(cè)的微小間隙的充填物質(zhì)狀態(tài)可為真空、氣態(tài)(空氣、任何種類濃度的氣體)、液態(tài)(水溶液、酒精溶液或其他液體)、膠狀物(樹(shù)脂、粘合劑等)，或具彈性的固態(tài)介質(zhì)(橡膠、微簧片等)，其都不會(huì)影響光耦合元件上表面等離子波的產(chǎn)生。
就本發(fā)明的表面等離子共振測(cè)量方法的步驟而言，當(dāng)選定一入射光源后，需經(jīng)過(guò)調(diào)制使成一含TM波的入射光束，經(jīng)引導(dǎo)入射光耦合單元時(shí)，會(huì)在所述金屬薄膜表面激發(fā)表面等離子波；再調(diào)整使符合特定的共振條件后，即開(kāi)始發(fā)生表面等離子共振現(xiàn)象。之后，可選用測(cè)量所述反射光信號(hào)或穿透光信號(hào)的不同方式，并通過(guò)所述微小間隙小于等于所述光束表面等離子波穿透深度2倍距離時(shí)(因在2倍穿透深度內(nèi)，表面等離子波電場(chǎng)強(qiáng)度隨間隙寬度距離變化顯著)，表面等離子共振條件對(duì)于所述微小間隙大小不同而變化靈敏的特性，且經(jīng)測(cè)量其信號(hào)的變化量，比對(duì)數(shù)據(jù)模擬結(jié)果或?qū)φ障惹皩?shí)作數(shù)據(jù)查找表的方式，即可獲得所述微小間隙的距離大小，并可推算出其相對(duì)位置所在。
利用同樣原理，上述測(cè)量裝置還可測(cè)量微小位移，其具體測(cè)量步驟與測(cè)量間隙的方法完全相同，但最后是以比較相對(duì)位移前后的間隙大小的差值來(lái)取得此位移的距離。通過(guò)表面等離子共振對(duì)于所述微小位移變化靈敏的特性，可獲得一高分辨率的微小位移測(cè)量方法。
光柵耦合、光波導(dǎo)耦合和棱鏡耦合等三種入射光光耦合方式，均可為本發(fā)明的表面等離子共振裝置和方法所應(yīng)用。
另外，如以CCD或CMOS傳感器攫取反射光或穿透光的圖像信號(hào)后，再利用圖像數(shù)值分析方法轉(zhuǎn)換相對(duì)數(shù)值，也可如前所述測(cè)得兩個(gè)物體間的微小間隙寬度、位移距離或相對(duì)位置的大小。且，CCD或CMOS傳感器攫取的圖像，還可因兩個(gè)物體間微小局部區(qū)域相對(duì)間隙的差異，而產(chǎn)生表面等離子共振圖像明暗度的對(duì)比變化，而得知相對(duì)物體表面的平坦度或形貌變化。
因本發(fā)明可針對(duì)100nm甚至10nm以下的間隙進(jìn)行測(cè)量，可應(yīng)用的領(lǐng)域極廣，如應(yīng)用于近場(chǎng)光盤(pán)片讀寫(xiě)頭的服務(wù)控制系統(tǒng)，可感測(cè)控制讀寫(xiě)頭與光盤(pán)片的距離在近場(chǎng)距離，提供讀寫(xiě)的正確性與可靠度；或應(yīng)用于次納米光刻系統(tǒng)中，掩模與硅芯片的近接距離檢測(cè)，以提高系統(tǒng)的可靠度；或新一代LCD中液晶層間隙的感測(cè)控制，或表面曲線繪圖儀等，都可應(yīng)用本發(fā)明。此外，隨著各種納米技術(shù)的發(fā)展，各種微型產(chǎn)品不斷的被開(kāi)發(fā)出，本發(fā)明均可被利用于各項(xiàng)產(chǎn)品技術(shù)的間隙大小與位移變化的感測(cè)或精密距離控制的感測(cè)單元，其未來(lái)應(yīng)用面十分龐大。
又因科技發(fā)展日新月異，搭配諸如「共光程超外插」或「相位補(bǔ)償回溯」等法而增加表面等離子共振測(cè)量法的分辨率或靈敏度也已被許多文獻(xiàn)所揭示。另外如測(cè)量穿透金屬薄膜的穿透光信號(hào)變化來(lái)檢測(cè)表面等離子共振效應(yīng)的方法，也曾被研究者所提出。不過(guò)，無(wú)論其裝置的復(fù)雜度或另外加入其他輔助方法為何，只要是利用入射光波向量與表面等離子波波向量的耦合匹配后的共振條件，并通過(guò)界面狀態(tài)些微改變而劇烈變化的特性，來(lái)獲得兩個(gè)物體間納米級(jí)間隙寬度、位移大小和相對(duì)位置的裝置方法，仍為本發(fā)明的技術(shù)所涵蓋。



圖1是常規(guī)的表面等離子共振曲線圖； 圖2(a)是常規(guī)利用Otto構(gòu)型測(cè)量間隙的示意圖； 圖2(b)是常規(guī)利用Otto構(gòu)型控制間隙距離的示意圖； 圖3(a)是本發(fā)明中利用程序模擬傳統(tǒng)KR構(gòu)型3層結(jié)構(gòu)的反射率曲線圖； 圖3(b)是本發(fā)明中模擬KR構(gòu)型3層結(jié)構(gòu)和一相對(duì)物體靠近時(shí)的反射率曲線圖； 圖4例示本發(fā)明一實(shí)施例的表面等離子共振測(cè)量裝置； 圖5是本發(fā)明一實(shí)施例的表面等離子共振測(cè)量裝置的主要構(gòu)件示意圖；和 圖6是本發(fā)明一實(shí)施例的表面等離子共振的不同間隙寬度對(duì)應(yīng)的反射率曲線變化圖。

具體實(shí)施例方式 依光學(xué)Fresnel反射定理計(jì)算在不同多層界面間的反射系數(shù)對(duì)應(yīng)關(guān)系，可寫(xiě)成反射率的變化公式如后 rnm＝(εmkzn-εnkzm)/(εmkzn+εnkzm)(6) 上列各式中，下標(biāo)0代表棱鏡層、1為金屬層、2為間隙層、3為相對(duì)待測(cè)物體，R為反射率，r0123代表匯合四層效應(yīng)的反射系數(shù)，r123為匯合三層效應(yīng)的反射系數(shù)，rnm為任意相鄰nm二層的反射系數(shù)，εm為第m層的介電系數(shù)，dm第m層厚度，kzm為第m層波向量的z分量，kinc為入射光波向量，kx為入射光波向量的x分量。
本發(fā)明是以KR結(jié)構(gòu)構(gòu)型為基礎(chǔ)，并由式(4)～(7)發(fā)展出完整的三維立體模擬程序，模擬結(jié)果如圖3(a)所示。圖3(a)顯示傳統(tǒng)KR構(gòu)型三層結(jié)構(gòu)(棱鏡/金屬/空氣)的反射率與入射角的對(duì)應(yīng)關(guān)系。其中曲線變化即如同圖1現(xiàn)有技術(shù)所顯示，反射率隨著入射角變大進(jìn)入全反射區(qū)域，此時(shí)反射率為最高，隨后因滿足表面等離子共振條件，入射光能量耦合至表面等離子波，反射率急劇下降至最低點(diǎn)，此時(shí)的入射角稱為共振角，通過(guò)此點(diǎn)后，因共振條件逐漸消失，反射率再度升高。
參看圖3(b)，利用相同的三維立體模擬程序，模擬當(dāng)KR構(gòu)型三層結(jié)構(gòu)受到一相對(duì)物體逐漸靠近時(shí)(即所述相對(duì)物體逐漸靠近棱鏡)，其反射率的變化情形。我們發(fā)現(xiàn)當(dāng)二者間隙逐漸縮小到表面等離子波穿透深度2倍距離時(shí)(約為入射光波長(zhǎng)的二分之一)，其反射率曲線共振角的位置會(huì)隨著間隙變小而向大角度方向漂移。本發(fā)明即利用此種棱鏡與待測(cè)物體的間隙小于等于表面等離子波穿透深度2倍距離以下時(shí)共振曲線的變化非常敏感的現(xiàn)象，做為納米級(jí)微小間隙、位移或相對(duì)位置的測(cè)量方法，并發(fā)展其測(cè)量裝置。
圖4例示應(yīng)用本發(fā)明的表面等離子共振測(cè)量裝置40。所述測(cè)量裝置40主要構(gòu)件包含一光照組合件51、一光耦合單元400、一光檢測(cè)單元408和一輸出單元418。本實(shí)施例中，所述光耦合元件400是一棱鏡，而所述棱鏡400與一相對(duì)物體(圖4未示，將于圖5中詳細(xì)說(shuō)明)距離一間隙，所述表面等離子測(cè)量裝置40即用以測(cè)量所述間隙大小，并可藉此測(cè)量相關(guān)的位移和相對(duì)位置。所述輸出單元418是顯示裝置、存儲(chǔ)裝置或控制裝置。
本實(shí)施例中，所述光照組合件51包含一光源41、一斬光器42(chopper)、一半波延遲元件43、一偏極化分光元件44(polarization beam splitters/PBS)、一偏極板47和一分光鏡48(beam splitters/BS)。所述光源41是使用一線性極化且波長(zhǎng)為632.8nm的氦氖激光光源，其產(chǎn)生的光束經(jīng)所述斬光器42將連續(xù)波激光轉(zhuǎn)變成脈沖式激光，再經(jīng)過(guò)所述半波延遲元件43和偏極化分光元件44將所述光束的偏振角度轉(zhuǎn)換為一TM模式光束。
所述TM模式光束經(jīng)由分光鏡48分成兩道光束，其中一道作為參考光束，另外一道則入射到所述棱鏡400，用以計(jì)算反射率的變化。接著，通過(guò)平移裝置404來(lái)調(diào)整所述棱鏡400與所述相對(duì)物體的間隙寬度。當(dāng)發(fā)生表面等離子共振時(shí)，所述旋轉(zhuǎn)裝置402上的刻畫(huà)角度可提供記錄不同的共振角位置。所述旋轉(zhuǎn)裝置402和平移裝置404是由一控制器416驅(qū)動(dòng)馬達(dá)進(jìn)行操控。兩道光束分別由所述光檢測(cè)單元408和另一光檢測(cè)單元406測(cè)量并顯示于所述輸出單元418中(本實(shí)施例中所述輸出單元418是一示波器)，之后將相關(guān)反射率數(shù)據(jù)輸入計(jì)算機(jī)420中加以分析。
本實(shí)施例，另外增加諸如斬光器42、偏極板47、分光鏡48、透鏡410、412和414、反射鏡45、46、旋轉(zhuǎn)裝置402、計(jì)算機(jī)420和所述參考光束的相關(guān)元件，其目的僅為了增加測(cè)量的便利性與準(zhǔn)確性，而可視情況作適當(dāng)改變或替換，而相關(guān)改變并不影響本發(fā)明的完整性與利用性。
參看圖5，詳細(xì)說(shuō)明棱鏡400與相關(guān)搭配組件的結(jié)構(gòu)。棱鏡400面向一載片54的表面涂覆一金屬薄膜52(本實(shí)施例是一厚度為40nm的黃金薄層)、而金屬薄膜52與載片54間形成一間隙53。TM模式光束55由光照組合件51產(chǎn)生，并入射棱鏡400后于所述金屬薄膜52形成表面等離子共振，而反射光56的信號(hào)則由光檢測(cè)單元408進(jìn)行檢測(cè)。載板54可選用玻璃材質(zhì)，主要是通過(guò)其平坦表面使反射光56更加均勻。載板54可架設(shè)于所述平移裝置404上，藉以與所述棱鏡400產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)，而調(diào)整所述間隙的大小。所述微小間隙53除了為空氣隙外，還可于真空環(huán)境下操作，或包含其他氣體、液體或具彈性的介質(zhì)固體，而仍得以應(yīng)用本發(fā)明。
所述載板54即相當(dāng)于前述的相對(duì)物體，當(dāng)間隙53小于等于TM模式光束55的穿透深度2倍距離(約光束55二分之一波長(zhǎng)距離)時(shí)，如果所述載板54逐漸接近所述棱鏡400時(shí)，所述光檢測(cè)單元408所檢測(cè)到的反射光的強(qiáng)度將產(chǎn)生變化，其結(jié)果如圖6所示。其中，曲線61至曲線66是表示微小間隙由大逐漸縮小所測(cè)量到的數(shù)據(jù)所構(gòu)成的曲線。曲線61為所述棱鏡400表面的金屬薄膜52與載板54(相對(duì)物體)相隔距離大于所述TM模式光束55二分之一波長(zhǎng)時(shí)的現(xiàn)象，此時(shí)發(fā)生共振角的位置與傳統(tǒng)KR三層結(jié)構(gòu)者相當(dāng)，約在45度角位置，而反射率約僅0.12。之后曲線62至66對(duì)應(yīng)的所述間隙53逐漸減小，此時(shí)共振角朝大角度漂移，且反射率逐漸增加。例如于曲線66時(shí)共振角漂移至約49度，而于45度的反射率則增加至約0.65。當(dāng)所述微小間隙53繼續(xù)減小時(shí)，共振角將繼續(xù)增加而最后完全消失(曲線無(wú)下凹現(xiàn)象)。
當(dāng)所述載板54(相對(duì)物體)與所述棱鏡400間產(chǎn)生微小相對(duì)位移時(shí)，其將導(dǎo)致所述微小間隙53將產(chǎn)生變化進(jìn)而改變光檢測(cè)單元408所檢測(cè)的反射光56的光強(qiáng)度，利用同樣原理，取二次不同間隙位置所測(cè)得寬度，計(jì)算其差值即可求得所述載板54(相對(duì)物體)的相對(duì)微小位移。
如前所述，應(yīng)用表面等離子共振原理的測(cè)量方法，有數(shù)種基本的使用方式，例如角度探測(cè)法、波長(zhǎng)探測(cè)法、強(qiáng)度探測(cè)法、相位探測(cè)法，或以上方法的任意組合。所以本發(fā)明所揭示的測(cè)量裝置與方法，雖僅透過(guò)上述的角度探測(cè)法提出一具體實(shí)施例，然而所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可利用以上的不同使用方式，獲得相同的結(jié)果。因此，利用上述不同的測(cè)量信號(hào)方式，仍應(yīng)為本發(fā)明的一部分。
與如圖2(a)所示的常規(guī)表面等離子共振裝置相比較，本發(fā)明僅需使用單光源、單光檢測(cè)器，即可測(cè)量微小間隙、位移或相對(duì)位置，而不需復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。另外圖2(b)的常規(guī)技術(shù)是利用Otto構(gòu)型產(chǎn)生表面等離子共振，且并非用于測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體的間隙，而與本發(fā)明利用KR構(gòu)型的表面等離子共振來(lái)求得兩個(gè)物體的間隙與相對(duì)位移有所不同。
本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容和技術(shù)特點(diǎn)已揭示如上，然而所屬領(lǐng)域的技術(shù)人員仍可能基于本發(fā)明的教示和揭示而作種種不背離本發(fā)明精神的替換和修改。因此，本發(fā)明的保護(hù)范圍應(yīng)不限于實(shí)施例所揭示的內(nèi)容，而應(yīng)包括各種不背離本發(fā)明的替換和修改，并為所附的權(quán)利要求書(shū)所涵蓋。
權(quán)利要求
1.一種表面等離子共振測(cè)量裝置，包含
一光照組合件，用以提供一含橫磁(TM)模式成分的光束；
一光耦合單元，包含一金屬薄膜表面，供所述光束入射激發(fā)產(chǎn)生表面等離子共振波；
一相對(duì)物體，與所述光耦合單元的金屬薄膜表面相距一間隙，其寬度小于等于所述表面等離子共振波的穿透深度的2倍距離；
一光檢測(cè)單元，檢測(cè)所述光束于所述金屬薄膜表面的反射光信號(hào)或穿透光信號(hào)，并將其轉(zhuǎn)換為電氣信號(hào)；和
一輸出單元，將所述電氣信號(hào)轉(zhuǎn)換成輸出信號(hào)，據(jù)以獲得所述光耦合單元與所述相對(duì)物體間的幾何數(shù)值。
2.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述幾何數(shù)值是所述間隙的寬度。
3.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述幾何數(shù)值是所述光耦合單元與所述相對(duì)物體的相對(duì)位移。
4.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述幾何數(shù)值是所述光耦合單元與所述相對(duì)物體的相對(duì)位置。
5.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述幾何數(shù)值是所述相對(duì)物體的表面平坦度。
6.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述間隙小于等于所述光束波長(zhǎng)的二分之一。
7.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述光照組合件所產(chǎn)生所述光束的光源為激光、鎢絲燈、汞燈、發(fā)光二極管或同步輻射光。
8.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述光束的波長(zhǎng)為可見(jiàn)光、紅外光或紫外光頻段范圍。
9.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述光照組合件提供含有TM模式成分的所述光束是利用光學(xué)鏡組或極化偏極片調(diào)制而成。
10.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述光耦合單元是采用棱鏡耦合方式、光柵耦合方式，或光波導(dǎo)耦合方式產(chǎn)生表面等離子共振效應(yīng)。
11.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述金屬薄膜的材料是單一層金、銀或復(fù)合金屬。
12.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述金屬薄膜的材料是復(fù)數(shù)層金、銀、或復(fù)合金屬或復(fù)合材料的組成。
13.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述光檢測(cè)單元是光感測(cè)二極管、光電倍增管、光放大二極管、CMOS傳感器或CCD傳感器。
14.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述輸出單元是顯示裝置、存儲(chǔ)裝置或控制裝置；且所述輸出信號(hào)可經(jīng)由對(duì)比數(shù)據(jù)模擬結(jié)果、查找實(shí)驗(yàn)數(shù)值對(duì)照表或圖像數(shù)值分析方法，以獲得所述幾何數(shù)值。
15.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述相對(duì)物體的表面是單一介質(zhì)材料或覆有材料層。
16.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述相對(duì)物體是一較大物體表面的一局部區(qū)域。
17.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述相對(duì)物體由透光、半透光或不透光材料所組成。
18.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述間隙的充填狀態(tài)是真空、氣態(tài)、液態(tài)或具彈性的固態(tài)介質(zhì)。
19.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述間隙的充填狀態(tài)是空氣，水溶液、酒精溶液、樹(shù)脂、粘合劑、膠狀物，橡膠或微簧片。
20.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于利用表面等離子共振效應(yīng)獲得所述幾何數(shù)值的方式是采用角度探測(cè)法、波長(zhǎng)探測(cè)法、強(qiáng)度探測(cè)法、相位探測(cè)法，或以上方法的組合。
21.如權(quán)利要求10所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于使用棱鏡耦合方式的棱鏡是直角棱鏡、三角棱鏡、半圓球棱鏡或半圓柱棱鏡。
22.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述光耦合單元由所述金屬薄膜直接鍍于棱鏡、光柵、或光波導(dǎo)之上組成。
23.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述光耦合單元是利用折射率匹配液將鍍有所述金屬薄膜的載片貼附于棱鏡、光柵、或光波導(dǎo)之上組成。
24.如權(quán)利要求1所述的表面等離子共振測(cè)量裝置，其特征在于所述相對(duì)物體為透光或半透光材料，且利用所述光束于所述金屬薄膜表面的所述穿透光信號(hào)的變化量而獲得所述幾何數(shù)值。
25.一種表面等離子共振測(cè)量方法，用以測(cè)量二個(gè)物體間的幾何數(shù)值，包含下列步驟
提供一含TM模式成分的光束；
利用所述光束于所述二個(gè)物體中一者的一表面產(chǎn)生表面等離子共振波；和測(cè)量所述光束的反射光或穿透光信號(hào)；并通過(guò)所述二個(gè)物體間的間隙小于等于所述表面等離子共振波的穿透深度2倍距離時(shí)，表面等離子共振效應(yīng)對(duì)于所述間隙距離變化反應(yīng)靈敏的特性，由所述反射光或穿透光信號(hào)的變化量獲得所述幾何數(shù)值。
26.如權(quán)利要求25所述的表面等離子共振測(cè)量方法，其特征在于所述幾何數(shù)值是所述間隙的寬度。
27.如權(quán)利要求25所述的表面等離子共振測(cè)量方法，其特征在于所述幾何數(shù)值是所述二個(gè)物體中一者的該表面的表面平坦度。
28.如權(quán)利要求25所述的表面等離子共振測(cè)量方法，其特征在于所述幾何數(shù)值是所述二個(gè)物體的相對(duì)位移或相對(duì)位置。
29.如權(quán)利要求25所述的表面等離子共振測(cè)量方法，其特征在于所述間隙小于等于所述光束波長(zhǎng)的二分之一。
30.如權(quán)利要求25所述的表面等離子共振測(cè)量方法，其特征在于所述表面等離子共振利用棱鏡耦合方式、光柵耦合方式，或光波導(dǎo)耦合方式產(chǎn)生。
31.如權(quán)利要求25所述的表面等離子共振測(cè)量方法，其特征在于所述光束的反射光或穿透光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電氣信號(hào)，且將所述電氣信號(hào)對(duì)比數(shù)據(jù)模擬結(jié)果或查找實(shí)驗(yàn)數(shù)值對(duì)照表，或圖像數(shù)值分析方法，以獲得所述幾何數(shù)值。
32.如權(quán)利要求25所述的表面等離子共振測(cè)量方法，其特征在于利用表面等離子共振效應(yīng)獲得所述幾何數(shù)值的方式是采用角度探測(cè)法、波長(zhǎng)探測(cè)法、強(qiáng)度探測(cè)法、相位探測(cè)法，或以上方法的組合。
33.如權(quán)利要求25所述的表面等離子共振測(cè)量方法，其特征在于所述二個(gè)物體之一是包含一金屬薄膜表面的棱鏡，且表面等離子產(chǎn)生于所述金屬薄膜表面。
全文摘要
本發(fā)明的測(cè)量方法或裝置是利用表面等離子共振原理實(shí)現(xiàn)，可測(cè)量?jī)蓚€(gè)物體間的微小間隙、位移或相對(duì)位置。本發(fā)明的測(cè)量方法首先提供一含橫磁(TM)波光束，并利用所述光束產(chǎn)生所述二個(gè)物體中一者的表面等離子共振現(xiàn)象。之后測(cè)量所述光束的反射光或穿透光信號(hào)大小，并通過(guò)所述微小間隙寬度小于等于2倍表面等離子波穿透深度時(shí)，表面等離子共振現(xiàn)象對(duì)所述微小間隙、位移或相對(duì)位置的變化有靈敏反應(yīng)的特性，由信號(hào)大小的變化獲得所述微小間隙、位移大小或相對(duì)位置。藉此，可測(cè)量比2倍穿透深更小或可達(dá)10nm以下的間隙寬度、位移、相對(duì)位置或表面平坦度。
文檔編號(hào)G01N21/00GK101113887SQ200610103280
公開(kāi)日2008年1月30日 申請(qǐng)日期2006年7月24日 優(yōu)先權(quán)日2006年7月24日
發(fā)明者吳寶同 申請(qǐng)人:吳寶同