專利名稱：一種平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置及測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及ー種周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量技術(shù)，尤其是涉及ー種平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置及測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
現(xiàn)代材料科學(xué)的發(fā)展在很大程度上依賴于對(duì)材料性能和其它成分結(jié)構(gòu)及形貌組織關(guān)系的理解。因此，對(duì)材料性能的各種測(cè)試技術(shù)和對(duì)材料在微觀層次上的表征技木，構(gòu)成了材料科學(xué)的ー個(gè)重要組成部分。這使得材料分析成為材料科學(xué)的重要研究手段，被廣泛應(yīng)用于研究和解決材料理論和工程實(shí)際問題。一般材料結(jié)構(gòu)的表征的基本方法包括化學(xué)成分分析、結(jié)構(gòu)測(cè)定、形貌觀察等。而目前，隨著光學(xué)微制造、加工技術(shù)的快速發(fā)展，設(shè)計(jì)并制備各類亞微米、納米尺、寸的光電子器件成為當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室研究和生產(chǎn)應(yīng)用的ー個(gè)重要方向。由于一般光子器件多通過器型物理結(jié)構(gòu)、形貌來決定ー個(gè)器件的相關(guān)物理性能，因而此時(shí)形貌觀察技術(shù)即成為了表征器件形貌的ー個(gè)重要技術(shù)手段。特別的，自1969年美國(guó)Bell實(shí)驗(yàn)室的Miller首次提出“集成光學(xué)”的概念以來，以及光纖通信興起所提供的契機(jī)，使得人們研制出一系列的用于光通信與傳感的高性能集成光子器件。并且，自1987年Eli Yablonovitch和SajeevJohn分別首次提出光子晶體(PCs)的概念以來，其被越來越廣泛的應(yīng)用于各類新型光子器件的設(shè)計(jì)和應(yīng)用，而光子晶體作為ー類由人工設(shè)計(jì)和制造的介質(zhì)常數(shù)具有一定周期性分布的結(jié)構(gòu)，由于其可實(shí)現(xiàn)無泄漏模損耗傳輸?shù)葍?yōu)異性能，因此對(duì)高密度集成有著非常重要的意義。一般，類似光子晶體這類亞微米周期結(jié)構(gòu)已被廣泛的應(yīng)用于寬帶濾光片、亞波長(zhǎng)光柵、光子晶體光纖等器件中。目前，測(cè)量亞微米周期結(jié)構(gòu)的方法大多采用掃描電子顯微鏡(SEM, Scanning Electron Microscope)、原子力顯微鏡(AFM, Atomic Force Microscope)、臺(tái)階儀等設(shè)備進(jìn)行直接的形貌表征，但對(duì)于一般亞微米周期光柵、平面周期結(jié)構(gòu)等有時(shí)往往需要快速、簡(jiǎn)便、經(jīng)濟(jì)的測(cè)試制的樣品的周期尺寸等簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)，而一般諸如掃描電子顯微鏡，一則價(jià)格昂貴、使用(測(cè)試)成本高；ニ則操作繁瑣、測(cè)試流程繁雜、需專人操作測(cè)試、使用不便，三則有時(shí)只需測(cè)得結(jié)構(gòu)的周期尺寸用作參考即可，并不一定需要查看完整形貌表征，因此不僅給實(shí)際的操作應(yīng)用帶來了不便，而且容易造成不必要的浪費(fèi)。另ー方面，由于亞微米(數(shù)百納米)周期結(jié)構(gòu)在普通可見光波長(zhǎng)附近，故一般的光柵衍射理論已不適用。因此，亟需研究ー種簡(jiǎn)易、快速的測(cè)試多種平面周期結(jié)構(gòu)的實(shí)驗(yàn)方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是提供ー種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低、操作方便快速的平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置及測(cè)量方法。本發(fā)明解決上述技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案為ー種平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置，其特征在于包括激光器、樣品架、水平托盤、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、自由旋轉(zhuǎn)圓盤和光束角度測(cè)量元件，所述的激光器發(fā)出的激光入射到置放于所述的樣品架上的樣品的待測(cè)表面上，所述的樣品架固定于所述的水平托盤的頂部，所述的水平托盤的底部設(shè)置有用于調(diào)整所述的水平托盤的初始位置使所述的激光器發(fā)出的激光與所述的樣品的待測(cè)表面垂直的微調(diào)旋鈕，所述的水平托盤的底部與所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)相連接，所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)用于改變所述的水平托盤的方位，所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)的上表面上沿圓周設(shè)置有游標(biāo)盤，所述的游標(biāo)盤的角刻度的精度為“I, ”，所述的自由旋轉(zhuǎn)圓盤與所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)同軸連接，所述的光束角度測(cè)量元件固定于所述的自由旋轉(zhuǎn)圓盤上，所述的光束角度測(cè)量元件用于測(cè)量衍射光束與所述的樣品的待測(cè)表面的法線的夾角。所述的激光器米用波長(zhǎng)為632. 8nm的He-Ne激光器。所述的光束角度測(cè)量元件包括一個(gè)鋼質(zhì)圓柱，所述的鋼質(zhì)圓柱的一個(gè)端面的中心標(biāo)記有十字叉絲，且該端面靠近所述的樣品架。一種應(yīng)用上述的測(cè)量裝置測(cè)量平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟 ①開啟激光器，并使其預(yù)熱20分鐘左右；②將樣品固定于樣品架上，然后利用設(shè)置于水平托盤的底部的微調(diào)旋鈕調(diào)整水平托盤的初始位置，使激發(fā)器發(fā)出的激光與樣品的待測(cè)表面垂直；③調(diào)整激光器、樣品架及光束角度測(cè)量元件在垂直方向上的相對(duì)高度位置，使激光器發(fā)出的激光、置放于樣品架上的樣品的中心點(diǎn)及光束角度測(cè)量元件的中心點(diǎn)處在同一水平面上；④將水平托盤的底部與旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定連接，然后轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)改變水平托盤的方位，假設(shè)此時(shí)激光器發(fā)出的激光入射到樣品的待測(cè)表面的入射角為Θ ；⑤轉(zhuǎn)動(dòng)光束角度測(cè)量元件，使其中心正對(duì)衍射光束，測(cè)量激光器發(fā)出的激光入射到樣品的待測(cè)表面的入射角為Θ時(shí)衍射光束與樣品的待測(cè)表面的法線的夾角φ;⑥根據(jù)衍射光束與樣品的待測(cè)表面的法線的夾角φ推算出樣品的周期尺寸。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于I)本發(fā)明裝置利用激光器將其發(fā)出的激光入射到置放于樣品架上的樣品的待測(cè)表面上，然后通過固定于自由旋轉(zhuǎn)圓盤上的光束角度測(cè)量元件測(cè)量衍射光束與樣品的待測(cè)表面的法線的夾角，這樣可根據(jù)衍射光束與樣品的待測(cè)表面的法線的夾角推算出樣品的周期尺寸，不僅測(cè)得的周期尺寸的精度高，而且快速。2)本發(fā)明裝置及方法除使用于普通的平面(一維、二維)周期結(jié)構(gòu)外，還適用于點(diǎn)陣形貌相對(duì)復(fù)雜，諸如平面手征結(jié)構(gòu)的測(cè)量，與采用諸如掃描電子顯微鏡測(cè)量相比較，其測(cè)量相對(duì)誤差在5%以內(nèi)，測(cè)量精度高。3)本發(fā)明裝置僅使用了常用的632. SnmHe-Ne激光器以及以常用的分光計(jì)改裝后搭建的光束角度測(cè)量元件，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低，且操作簡(jiǎn)便、快速，非常適用于平面周期結(jié)構(gòu)的快速測(cè)量。


圖I為本發(fā)明的平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為第一個(gè)樣品的SEM圖3為第二個(gè)樣品的SEM圖；圖4為第三個(gè)樣品的SEM圖。
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)ー步詳細(xì)描述。實(shí)施例一本發(fā)明提出的ー種平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置，如圖I所示，其包括激光器I、樣品架2、水平托盤3、旋轉(zhuǎn)臺(tái)4、自由旋轉(zhuǎn)圓盤5和光束角度測(cè)量元件6，激光器I發(fā)出的激光入 射到置放于樣品架2上的樣品(圖中未示出)的待測(cè)表面上，激光器I發(fā)出的激光通過水平托盤3的中心，樣品架2固定于水平托盤3的頂部，水平托盤3的底部設(shè)置有三顆用于調(diào)整水平托盤3的初始位置使激光器I發(fā)出的激光與樣品的待測(cè)表面垂直的微調(diào)旋鈕(圖中未示出)，水平托盤3的底部與旋轉(zhuǎn)臺(tái)4相連接，旋轉(zhuǎn)臺(tái)4用于改變水平托盤3的方位，旋轉(zhuǎn)臺(tái)4的上表面上沿圓周設(shè)置有游標(biāo)盤(圖中未示出)，游標(biāo)盤的角刻度(圖中未示出)的精度為“V ”，自由旋轉(zhuǎn)圓盤5與旋轉(zhuǎn)臺(tái)4同軸連接，光束角度測(cè)量元件6固定于自由旋轉(zhuǎn)圓盤5上，光束角度測(cè)量元件6用于測(cè)量衍射光束與樣品的待測(cè)表面的法線的夾角。在此，利用在旋轉(zhuǎn)臺(tái)4的上表面上沿圓周設(shè)置的角刻度，可方便地讀取光束角度測(cè)量元件6所旋轉(zhuǎn)過的角度，將角刻度的精度設(shè)為“P ”，能夠使根據(jù)測(cè)試原理推算實(shí)際測(cè)量周期精度最小可達(dá)O. Inm0在此具體實(shí)施例中，激光器I采用波長(zhǎng)為632. 8nm的He-Ne激光器。在此，光束角度測(cè)量元件6包括ー個(gè)鋼質(zhì)圓柱61，鋼質(zhì)圓柱61的一個(gè)端面的中心標(biāo)記有十字叉絲62，且該端面靠近樣品架2即面向樣品架2。在實(shí)際制作該光束角度測(cè)量元件6時(shí)，還可直接使用現(xiàn)有的分光計(jì)的望遠(yuǎn)鏡部件，去除物鏡、目鏡后在其靠近樣品架2的端面附以中心標(biāo)有十字叉絲的圓形硬紙片。在此具體實(shí)施例中，所使用的樣品是基于電子束光刻所制備而成的平面周期圖案。圖2給出了第一個(gè)樣品的SEM圖，其是ー種點(diǎn)陣形貌相對(duì)簡(jiǎn)單的平面周期結(jié)構(gòu)，經(jīng)掃描電子顯微鏡測(cè)試其周期為509. 7nm ;圖3給出了第二個(gè)樣品的SEM圖，其是一種點(diǎn)陣形貌呈風(fēng)車型的平面手征周期結(jié)構(gòu)，經(jīng)掃描電子顯微鏡測(cè)試其周期為515. 8nm ;圖4給出了第三個(gè)樣品的SEM圖，其是ー種點(diǎn)陣形貌略呈矩形的平面手征結(jié)構(gòu)，經(jīng)掃描電子顯微鏡測(cè)試其周期為 414. 3nm。實(shí)施例ニ 一種應(yīng)用實(shí)施例一所述的測(cè)量裝置測(cè)量平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，其包括以下步驟 ①開啟激光器I，并使其預(yù)熱20分鐘左右。②將第一個(gè)樣品固定于樣品架2上，然后利用設(shè)置于水平托盤3的底部的微調(diào)旋鈕調(diào)整水平托盤3的初始位置，使激發(fā)器I發(fā)出的激光與第一個(gè)樣品的待測(cè)表面垂直。③調(diào)整激光器、樣品架及光束角度測(cè)量元件在垂直方向上的相對(duì)高度位置，使激光器發(fā)出的激光、置放于樣品架上的樣品的中心點(diǎn)及光束角度測(cè)量元件的中心點(diǎn)處在同一水平面上，這樣可有效提高測(cè)量精度。④將水平托盤3的底部與旋轉(zhuǎn)臺(tái)4固定連接，然后轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4改變水平托盤3的方位，使此時(shí)激光器I發(fā)出的激光入射到第一個(gè)樣品的待測(cè)表面的入射角Θ為20度。⑤轉(zhuǎn)動(dòng)光束角度測(cè)量元件6，使其中心正對(duì)衍射光束，測(cè)量激光器I發(fā)出的激光入射到第一個(gè)樣品的待測(cè)表面的入射角Θ為20度時(shí)衍射光束與第一個(gè)樣品的待測(cè)表面的法線的夾角φ為66. 7度。⑥根據(jù)衍射光束與第一個(gè)樣品的待測(cè)表面的法線的夾角Φ推算出第一個(gè)樣品的周期尺寸。由于根據(jù)當(dāng)光束照射在周期結(jié)構(gòu)上時(shí)，每個(gè)周期單元均會(huì)反射部分光束，故而每個(gè)周期單元即可作為一個(gè)個(gè)波前，在不同方向角上產(chǎn)生相消、相長(zhǎng)干涉，因此可根據(jù)入射角與衍射角推算出周期結(jié)構(gòu)的周期尺寸。⑦按同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4改變水平托盤3的方位，使激光器I發(fā)出的激光入射到第一個(gè)樣品的待測(cè)表面的入射角Θ分別為39. 3度、60度、80度，在入射角Θ為39. 3度 時(shí)，按照步驟⑤的操作過程測(cè)得衍射光束與第一個(gè)樣品的待測(cè)表面的法線的夾角φ為39. 3度；在入射角Θ為60度時(shí)，按照步驟⑤的操作過程測(cè)得衍射光束與第一個(gè)樣品的待測(cè)表面的法線的夾角φ為22. 9度；在入射角Θ為80度時(shí)，按照步驟⑤的操作過程測(cè)得衍射光束與第一個(gè)樣品的待測(cè)表面的法線的夾角φ為15. 6度。表I列出了掃描電子顯微鏡與本發(fā)明方法測(cè)得的樣品的周期的相對(duì)誤差，從表I所列的數(shù)據(jù)可得出，掃描電子顯微鏡與本發(fā)明方法測(cè)得的樣品的周期的相對(duì)誤差小于2%，平均為I. 4%ο表I掃描電子顯微鏡與本發(fā)明方法測(cè)得的第一個(gè)樣品的周期的相對(duì)誤差
φ!°66.739.322.915.6.....
平均周期/nm
θ °2039.36080
本發(fā)明方法測(cè)502499.5504.2504.7502.6
得的周期/nm______
與SEM值的誤
1.52II1.4
差/%______實(shí)施例三本實(shí)施例的測(cè)量方法與實(shí)施例二的測(cè)量方法相同，只是將樣品換為第二個(gè)樣品進(jìn)行測(cè)量，其包括以下步驟①開啟激光器I，并使其預(yù)熱20分鐘左右。②將第二個(gè)樣品固定于樣品架2上，然后利用設(shè)置于水平托盤3的底部的微調(diào)旋鈕調(diào)整水平托盤3的初始位置，使激發(fā)器I發(fā)出的激光與第二個(gè)樣品的待測(cè)表面垂直。③調(diào)整激光器、樣品架及光束角度測(cè)量元件在垂直方向上的相對(duì)高度位置，使激光器發(fā)出的激光、置放于樣品架上的樣品的中心點(diǎn)及光束角度測(cè)量元件的中心點(diǎn)處在同一水平面上，這樣可有效提高測(cè)量精度。④將水平托盤3的底部與旋轉(zhuǎn)臺(tái)4固定連接，然后轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4改變水平托盤3的方位，使此時(shí)激光器I發(fā)出的激光入射到第二個(gè)樣品的待測(cè)表面的入射角Θ為20度。⑤轉(zhuǎn)動(dòng)光束角度測(cè)量元件6，使其中心正對(duì)衍射光束，測(cè)量激光器I發(fā)出的激光入射到第二個(gè)樣品的待測(cè)表面的入射角Θ為20度時(shí)衍射光束與第二個(gè)樣品的待測(cè)表面的法線的夾角φ為67度。
⑥根據(jù)衍射光束與第二個(gè)樣品的待測(cè)表面的法線的夾角φ推算出第ニ個(gè)樣品的周期尺寸。⑦按 同一方向轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)4改變水平托盤3的方位，使激光器I發(fā)出的激光入射到第二個(gè)樣品的待測(cè)表面的入射角Θ分別為39. 3度、60度、80度，在入射角Θ為39. 3度時(shí)，按照步驟⑤的操作過程測(cè)得衍射光束與第二個(gè)樣品的待測(cè)表面的法線的夾角φ為39. 3度；在入射角Θ為60度時(shí)，按照步驟⑤的操作過程測(cè)得衍射光束與第二個(gè)樣品的待測(cè)表面的法線的夾角φ為22. 4度；在入射角Θ為80度時(shí)，按照步驟⑤的操作過程測(cè)得衍射光束與第二個(gè)樣品的待測(cè)表面的法線的夾角φ為15. I度。表2列出了掃描電子顯微鏡與本發(fā)明方法測(cè)得的樣品的周期的相對(duì)誤差，從表2所列的數(shù)據(jù)可得出，掃描電子顯微鏡與本發(fā)明方法測(cè)得的樣品的周期的相對(duì)誤差小于4%，平均為2. 3%。表2掃描電子顯微鏡與本發(fā)明方法測(cè)得的第二個(gè)樣品的周期的相對(duì)誤差

權(quán)利要求
1.一種平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置，其特征在于包括激光器、樣品架、水平托盤、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、自由旋轉(zhuǎn)圓盤和光束角度測(cè)量元件，所述的激光器發(fā)出的激光入射到置放于所述的樣品架上的樣品的待測(cè)表面上，所述的樣品架固定于所述的水平托盤的頂部，所述的水平托盤的底部設(shè)置有用于調(diào)整所述的水平托盤的初始位置使所述的激光器發(fā)出的激光與所述的樣品的待測(cè)表面垂直的微調(diào)旋鈕，所述的水平托盤的底部與所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)相連接，所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)用于改變所述的水平托盤的方位，所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)的上表面上沿圓周設(shè)置有游標(biāo)盤，所述的游標(biāo)盤的角刻度的精度為“I' ”，所述的自由旋轉(zhuǎn)圓盤與所述的旋轉(zhuǎn)臺(tái)同軸連接，所述的光束角度測(cè)量元件固定于所述的自由旋轉(zhuǎn)圓盤上，所述的光束角度測(cè)量元件用于測(cè)量衍射光束與所述的樣品的待測(cè)表面的法線的夾角。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置，其特征在于所述的激光器采用波長(zhǎng)為632. 8nm的He-Ne激光器。
3.根據(jù)權(quán)利要求I或2所述的一種平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置，其特征在于所述的光束角度測(cè)量元件包括一個(gè)鋼質(zhì)圓柱，所述的鋼質(zhì)圓柱的一個(gè)端面的中心標(biāo)記有十字叉絲，且該端面靠近所述的樣品架。
4.一種應(yīng)用權(quán)利要求I所述的測(cè)量裝置測(cè)量平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量方法，其特征在于包括以下步驟 ①開啟激光器，并使其預(yù)熱20分鐘左右； ②將樣品固定于樣品架上，然后利用設(shè)置于水平托盤的底部的微調(diào)旋鈕調(diào)整水平托盤的初始位置，使激發(fā)器發(fā)出的激光與樣品的待測(cè)表面垂直； ③調(diào)整激光器、樣品架及光束角度測(cè)量元件在垂直方向上的相對(duì)高度位置，使激光器發(fā)出的激光、置放于樣品架上的樣品的中心點(diǎn)及光束角度測(cè)量元件的中心點(diǎn)處在同一水平面上； ④將水平托盤的底部與旋轉(zhuǎn)臺(tái)固定連接，然后轉(zhuǎn)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臺(tái)改變水平托盤的方位，假設(shè)此時(shí)激光器發(fā)出的激光入射到樣品的待測(cè)表面的入射角為e ； ⑤轉(zhuǎn)動(dòng)光束角度測(cè)量元件，使其中心正對(duì)衍射光束，測(cè)量激光器發(fā)出的激光入射到樣品的待測(cè)表面的入射角為0時(shí)衍射光束與樣品的待測(cè)表面的法線的夾角9; ⑥根據(jù)衍射光束與樣品的待測(cè)表面的法線的夾角9推算出樣品的周期尺寸。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種平面周期結(jié)構(gòu)的測(cè)量裝置及測(cè)量方法，該裝置包括激光器、樣品架、水平托盤、旋轉(zhuǎn)臺(tái)、自由旋轉(zhuǎn)圓盤和光束角度測(cè)量元件，樣品架固定于水平托盤的頂部，水平托盤的底部與旋轉(zhuǎn)臺(tái)連接，旋轉(zhuǎn)臺(tái)用于改變水平托盤的方位，旋轉(zhuǎn)臺(tái)的上表面上沿圓周設(shè)置有角刻度，自由旋轉(zhuǎn)圓盤與旋轉(zhuǎn)臺(tái)同軸連接，光束角度測(cè)量元件固定于自由旋轉(zhuǎn)圓盤上，優(yōu)點(diǎn)在于利用激光器將其發(fā)出的激光入射到樣品的待測(cè)表面上，然后通過光束角度測(cè)量元件測(cè)量衍射光束與樣品的待測(cè)表面的法線的夾角，這樣可根據(jù)衍射光束與樣品的待測(cè)表面的法線的夾角推算出樣品的周期尺寸，不僅測(cè)量精度高，而且快速，且由于僅使用了激光器以及光束角度測(cè)量元件，因此結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本低。
文檔編號(hào)G01B11/00GK102706276SQ20121016813
公開日2012年10月3日 申請(qǐng)日期2012年5月24日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月24日
發(fā)明者張斌, 潘雪豐, 董建峰, 陶衛(wèi)東 申請(qǐng)人:寧波大學(xué)