一種基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構及方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構及方法，屬于納米光學【技術領域】，可解決現(xiàn)有技術測量精度低，無法動態(tài)測量等問題。本發(fā)明中光源輸出光經(jīng)過準直鏡、寬帶偏振器入射到分束器；經(jīng)過分束鏡的透射光與納米間隙檢測結構及基底相互作用后，反射光回至分束器；經(jīng)分束器反射并由透鏡會聚后入射至光譜探測器，探測器將探測得到的數(shù)據(jù)傳到計算機，經(jīng)計算機處理得到間隙值，實現(xiàn)納米間隙的檢測。本發(fā)明采用光譜探測的方法可以實現(xiàn)納米量級間隙的高精度動態(tài)檢測，為納米加工、納米測量領域提供一種全新的測試技術；并有望在包括近場光學，近場物理在內(nèi)的多個研究領域發(fā)揮重要作用。
【專利說明】一種基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構及方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構的制作及其對光波的調(diào)控，可以實現(xiàn)納米量級間隙的高精度動態(tài)檢測。
【背景技術】
[0002]納米量級間隙寬度的傳感與探測在半導體制造業(yè)、高密度磁存儲、超光滑表面的粗糙度檢測等領域應用非常廣泛。尤其在近場光刻加工，如表面等離子體納米光刻、掃描探針光刻、接近式X射線光刻等新型納米加工領域，為了實現(xiàn)較高的分辨力及高加工精度，器件與基底的間距通常要求在亞微米，乃至幾十個納米的量級，且其間隙精度更需控制在幾納米到幾十納米范圍內(nèi)，要讓系統(tǒng)實現(xiàn)器件與基底之間如此高的納米間隙精度控制，以及整個平面內(nèi)的等間隙調(diào)平，這都要求我們對納米間隙進行高精度的探測。
[0003]由于微納米尺度間隙寬度測量在現(xiàn)代科學與應用領域的重要性，基于不同原理的微小間隙寬度測量方法被不斷提出，如基于電容傳感間隙寬度測量，基于超聲波傳感間隙寬度測量方法，基于光學傳感間隙寬度測量等。然而，前兩種方法雖然可以實現(xiàn)微米、亞毫米量級的間隙寬度傳感，但是由于本身分別基于間隙電容和超聲波反射時間差隨間隙變化的原理，對于極小間隙改變不夠靈敏，很難向亞微米，納米量級拓展?；诠鈱W測量原理的間隙測量方法以其非接觸測量、高精度等特點被認為是很有希望實現(xiàn)穩(wěn)定的微納米量級間隙寬度測量的有效途徑。目前基于光學原理的間隙寬度測量方法主要可以分為兩大類，第一類是激光干涉法，1983年，F(xiàn)landers, D.C.等人采用單色He-Ne光源實現(xiàn)了 25-120 μ m范圍的間隙寬度測量，其測試精度達到±0.25%。此后，大量科研工作者通過改進實驗系統(tǒng)，利用測試位相平移及光譜干涉等原理極大地拓展了這一測試方法。但是，由于其自身基于傳輸波干涉的原理限制，這一方法的間隙寬度探測范圍理論極限為半波長量級，無法實現(xiàn)小到百納米以下的間隙寬度測量。第二類是激光衍射成像法，該方法是1999年由麻省理工大學的研究小組提出，在掩模的下表面制作啁啾的西洋跳盤棋結構，通過探測激光入射后不同路徑衍射的電磁能量相互干涉得到衍射圖樣，從而分析得到間隙寬度的大小。該方法可對3 μ m至400 μ m的間隙寬度進行直接測量，而對于更小的間隙，如亞微米，納米間隙寬度，直接測量已不再適用，而須通過間隙掃描，F(xiàn)-P腔標定等多個步驟才能對絕對間隙值進行探測。因此，無論是激光干涉法還是激光衍射成像的方法對微小間隙寬度進行測量，其基本原理都是利用微小間隙對空間傳輸電磁波的光程進行調(diào)制，使得空間的干涉圖樣發(fā)生相應的變化，從而實現(xiàn)對間隙的寬度進行傳感、測量。這一原理要求間隙的寬度必須至少達到幾百納米或微米量級才能積累足夠的光程差，從而限制了間隙的寬度測量范圍，很難拓展到納米量級。
[0004]臺灣國立清華大學采用棱鏡激發(fā)，通過亞微米間隙對長程SP導波共振模式的調(diào)節(jié)，證實了其在130nm至1100間隙寬度范圍內(nèi)的傳感能力，該研究以長程SP導波模式作為調(diào)節(jié)對象，因而其對更小間隙的探測靈敏度有限；并且其采用的棱鏡耦合激發(fā)方法及角度掃描傳感方式不利于器件的系統(tǒng)集成和高效的實時探測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術問題是:針對傳統(tǒng)間隙檢測技術測量精度不高，及難以實現(xiàn)納米量級間隙絕對測量等問題，提出一種基于表面等離子體共振原理，可實現(xiàn)高精度納米間隙動態(tài)檢測的結構和方法。
[0006]本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是:一種基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構，光源輸出光經(jīng)過準直鏡、寬帶偏振器入射到分束器；經(jīng)過分束鏡的透射光與納米間隙檢測結構及基底相互作用后，反射光回至分束器；經(jīng)分束器反射并由透鏡會聚后入射至光譜探測器，探測器將探測得到的數(shù)據(jù)傳到計算機，經(jīng)計算機處理得到間隙值，實現(xiàn)納米間隙的檢測。
[0007]本發(fā)明另外提供一種利用基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構進行檢測的方法，包括以下步驟:
[0008]步驟一:調(diào)整檢測裝置，使入射光平行入射至分束鏡上；
[0009]步驟二:調(diào)節(jié)寬帶偏振器，使其輸出偏振方向與納米間隙檢測結構中一維金屬光柵線條方向垂直；
[0010]步驟三:將納米間隙檢測結構、基底、及壓電移動臺用平面反射鏡代替，由平面反射鏡反射的光經(jīng)分束鏡、透鏡匯聚到光譜探測器，并由計算機記錄光譜探測數(shù)據(jù)作為參考光譜；
[0011]步驟四:取下平面反射鏡，將納米間隙檢測結構、基底、及壓電移動臺移回光路中，移動壓電移動臺使得納米間隙檢測結構與基底之間產(chǎn)生一個納米量級的間隙，光納米間隙檢測結構、間隙及基底相互作用后部分反射，反射光光經(jīng)分束鏡、透鏡匯聚到光譜探測器，并由計算機記錄光譜探測數(shù)據(jù)作為初始探測光譜；
[0012]步驟五:計算機將初始探測光譜與參考光譜進行歸一化處理，分析處理得到實際間隙值。
[0013]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比所具有的優(yōu)點:本發(fā)明利用金屬表面等離子體共振原理，根據(jù)共振產(chǎn)生的尖銳共振譜線與納米間隙的對應關系來實現(xiàn)納米間隙絕對值的高精度測量；本發(fā)明采用平面的一維金屬光柵結構實現(xiàn)金屬表面等離子體的激發(fā)，從而易于集成；利用光譜探測實現(xiàn)間隙的傳感，因而可以實現(xiàn)納米量級間隙的動態(tài)檢測，結構簡單、易于操作，為納米加工、納米測量領域提供一種全新的測試技術。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是本發(fā)明表面等離子體納米間隙檢測結構示意圖；圖1中:1-1為石英基底；1-2為鉻光柵；1_3為石英材料；1_4為金屬銀膜層；1_5為空氣間隙；1_6為金屬銀膜層；
1-7為石英基底。
[0015]圖2是本發(fā)明表面等離子體共振納米間隙檢測裝置示意圖；圖2中:2-1為光源；
2-2為準直鏡；2-3為寬帶偏振器；2-4為分束器；2-5為納米間隙檢測結構；2_6為基底；2-7為壓電移動臺；2-8為透鏡；2-9為光譜探測器；2-10為計算機。
[0016]圖3是不同納米間隙下對應的反射光譜圖。【具體實施方式】
[0017]下面結合附圖及【具體實施方式】詳細介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍應包括權利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實施例對領域的技術人員即可以實現(xiàn)本發(fā)明權利要求的全部內(nèi)容。
[0018]本發(fā)明所述一種基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構，如圖2所示，該結構包括:2_1為光源'2-2為準直鏡；2-3為寬帶偏振器；2-4為分束器；2_5為納米間隙檢測結構；2_6為基底；2-7為壓電移動臺；2-8為透鏡；2-9為光譜探測器；2_10為計算機。光源2-1輸出光經(jīng)過準直鏡2-2、寬帶偏振器2-3入射到分束器2-4 ;經(jīng)過分束器2_4的透射光入射到納米間隙檢測結構2-5上，并與納米間隙檢測結構2-5、間隙及基底2-6相互作用，壓電移動臺2-7與基底2-6固定在一起，以控制間隙大??；相互作用后，部分光被反射回至分束器2-4 ;再經(jīng)分束器2-4反射，并由透鏡2-8會聚后入射至光譜探測器2-9，光譜探測器2-9將探測得到的數(shù)據(jù)傳到計算機2-10，經(jīng)計算機2-10處理得到間隙值，實現(xiàn)納米間隙的檢測。
[0019]本發(fā)明基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測方法，檢測步驟如下:
[0020]步驟一:調(diào)整檢測裝置，使入射光平行入射至分束器2-4上；
[0021]步驟二:調(diào)節(jié)寬帶偏振器2-3，使其輸出偏振方向與納米間隙檢測結構2-5中一維金屬光柵線條方向垂直；
[0022]步驟三:將納米間隙檢測結構2-5、基底2-6、及壓電移動臺2_7用平面反射鏡代替，由平面反射鏡反射的光經(jīng)分束器2-4、透鏡2-8匯聚到光譜探測器2-9，并由計算機2-10記錄光譜探測數(shù)據(jù)作為參考光譜；
[0023]步驟四:取下平面反射鏡，將納米間隙檢測結構2-5、基底2-6、及壓電移動臺2_7移回光路中，移動壓電移動臺2-7使得納米間隙檢測結構2-5與基底2-6之間產(chǎn)生一個納米量級的間隙，光在納米間隙檢測結構2-5、間隙及基底2-6相互作用后部分反射，反射光光經(jīng)分束器2-4、透鏡2-8匯聚到光譜探測器2-9，并由計算機2-10記錄光譜探測數(shù)據(jù)作為初始探測光譜；
[0024]步驟五:計算機2-10將初始探測光譜與參考光譜進行歸一化處理，分析處理得到實際間隙值。
[0025]實施例1:對本發(fā)明的原理及具體參數(shù)下的傳感特性進行詳細分析。
[0026]根據(jù)表面等離子體光學原理，由麥克斯韋方程推導可得金屬-介質(zhì)-金屬三明治結構可以構成一種傳輸光波的波導結構，其波導的特點包括:(I)光波能量沿金屬介質(zhì)界面?zhèn)鬏敚?2)該波導模式是一種諧振型的波導，即當其它材料參數(shù)及幾何參數(shù)一定時，諧振傳導波長與介質(zhì)厚度參數(shù) 對應；(3)波導傳輸波矢量β大于對應光頻率在自由空間中傳輸?shù)牟ㄊ? 2π/λ。本發(fā)明中的納米間隙檢測結構、間隙、及基底結構如圖1所示，其中1-4金屬銀膜層，1-6金屬銀膜層與其間的納米間隙就構成了類似的金屬-介質(zhì)-金屬表面等離子體波導。由于波導傳輸波矢量β大于對應光頻率在自由空間中傳輸?shù)牟ㄊ?br> = 2 π / λ，因此無法直接用普通光源激發(fā)，本發(fā)明采用一種平面易集成的一維金屬光柵結構來激發(fā)，如圖1。利用表面等離子體波導諧振傳導波長與介質(zhì)厚度參數(shù)一一對應的機理，本發(fā)明采用光譜探測的方法，通過探測表面等離子體波導的諧振波長，從而對納米間隙值進行傳感，如圖2所示。偏振的平行光經(jīng)分束器2-4入射到納米間隙檢測結構2-5，某一波長附近的光波由于激發(fā)了表面等離子體諧振，從而被結構吸收，而未被吸收的其它光波反射回分束器2-4，由光譜探測器2-9進行收集探測，由計算機2-10進行處理得到反射光譜，進而得到表面等離子體的諧振波長，再根據(jù)理論推算的諧振波長與間隙的對應關系實現(xiàn)納米間隙的探測。
[0027]采用嚴格耦合波理論(RCWA)對本發(fā)明中采用的基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構進行理論建模，圖1中1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7分別設為石英基底、金屬鉻光柵、石英材料、金屬銀膜層、空氣間隙、金屬銀膜層和石英基底。其中石英的介電常數(shù)設備(設為)2.1316 (折射率η = 1.46)，金屬銀的介電常數(shù)用Drude模型進行模擬。
【權利要求】
1.一種基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構，其特征是光源(2-1)輸出光經(jīng)過準直鏡(2-2)、寬帶偏振器(2-3)入射到分束器(2-4);經(jīng)過分束器(2-4)的透射光入射到納米間隙檢測結構(2-5)上，并與納米間隙檢測結構(2-5)、間隙及基底(2-6)相互作用，壓電移動臺(2-7)與基底(2-6)固定在一起，以控制間隙大小；相互作用后，部分光被反射回至分束器(2-4);再經(jīng)分束器(2-4)反射，并由透鏡(2-8)會聚后入射至光譜探測器(2-9)，光譜探測器(2-9)將探測得到的數(shù)據(jù)傳到計算機(2-10)，經(jīng)計算機(2-10)處理得到間隙值，實現(xiàn)納米間隙的檢測。
2.根據(jù)權利要求1所述的一種基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構，其特征在于:所述光源(2-1)為白光光源或?qū)拵РㄩL可調(diào)諧激光。
3.根據(jù)權利要求1所述的一種基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構，其特征在于:所述納米間隙檢測結構(2-5)由透明基材石英，一維金屬光柵及金屬納米膜層三層構成。
4.根據(jù)權利要求1所述的一種基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構，其特征在于:所述基底(2-6)由金屬納米膜層及石英或硅基材構成。
5.根據(jù)權利要求1至4任一項所述的基于表面等離子體共振的高精度納米間隙檢測結構進行檢測的方法，其特征在于包括以下步驟: 步驟一:調(diào)整檢測裝置，使入射光平行入射至分束鏡(2-4)上； 步驟二:調(diào)節(jié)寬帶偏振器(2-3)，使其輸出偏振方向與納米間隙檢測結構(2-5)中一維金屬光柵線條方向垂直； 步驟三:將納米間隙檢測結構(2-5)、基底(2-6)、及壓電移動臺(2-7)用平面反射鏡代替，由平面反射鏡反射的光經(jīng)分束鏡(2-4)、透鏡(2-8)匯聚到光譜探測器(2-9)，并由計算機記錄光譜探測數(shù)據(jù)作為參考光譜； 步驟四:取下平面反射鏡，將納米間隙檢測結構(2-5)、基底(2-6)、及壓電移動臺(2-7)移回光路中，移動壓電移動臺(2-7)使得納米間隙檢測結構(2-5)與基底(2-6)之間產(chǎn)生一個納米量級的間隙，透射光經(jīng)納米間隙檢測結構(2-5)、間隙及基底(2-6)相互作用后部分反射，反射光光經(jīng)分束鏡(2-4)、透鏡(2-8)匯聚到光譜探測器(2-9)，并由計算機(2-10)記錄光譜探測數(shù)據(jù)作為初始探測光譜； 步驟五:計算機(2-10)將初始探測光譜與參考光譜進行歸一化處理，分析處理得到實際間隙值。
【文檔編號】G01B11/14GK103968770SQ201410192906
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年5月8日 優(yōu)先權日:2014年5月8日
【發(fā)明者】羅先剛, 王長濤, 王彥欽, 趙澤宇, 胡承剛, 蒲明薄, 李雄, 黃成 , 何家玉, 羅云飛 申請人:中國科學院光電技術研究所