[發明專利]表面等離子共振測量裝置和方法

有效

• 申請號: 200610103280.4
• 申請日: 2006-07-24
• 公開（公告）號: CN101113887A
• 公開（公告）日: 2008-01-30
• 發明（設計）人: 吳寶同
• 申請（專利權）人: 吳寶同
• 主分類號: G01B11/00
• 分類號: G01B11/00;G01N21/00
• 代理公司: 北京律盟知識產權代理有限責任公司
• 代理人: 劉國偉;徐永樂

技術領域

本發明涉及一種應用表面等離子共振原理來測量微小間隙寬度、位移或相對位置的裝置和方法，尤其涉及一種應用于納米級間隙、位移或相對位置的表面等離子共振測量裝置和方法。

背景技術

長久以來，科學界在光學測量方法中，都是以光學干涉法的測量技術為主，通過分析干涉條紋的些許變化，可計算出相對物體的位移變化量(displacement?shift)，且儀器的精密度越高，越可檢測出更微小的位移變化。但對于納米級間隙寬度(gap?width)的測量方法，卻始終難以獲得突破性發展。究其原因應是利用光學干涉法來測量微小間隙的技術，會受限于間隙寬度在二分之一波長以下時，沒有干涉圖紋的困境，導致以一般可見光所進行的測量方法，難以測量寬度小于300nm以下的間隙，更不用說小于100nm或10nm以下納米等級的間隙。

美國麻省理工學院的研究群曾利用所謂「chirped-Talbot?effect」來進行納米間隙的測量，指出其方法的靈敏度可達到1nm以下；然而，其可測量范圍卻在30μm到1μm左右。基于此，為了克服光學方法測量物體間隙寬度無法突破二分之一波長的干涉限制，本發明提出以「表面等離子共振」方法，來測量兩個物體間納米級間隙寬度、位移變化和相對位置。

所謂「表面等離子共振」現象，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)，即會在金屬表面處產生表面等離子波，當其中入射光波向量與在此一含金屬薄膜界面的介質材料的表面等離子波波向量相等時，即產生共振現象，此時入射光將能量轉移至發生表面等離子共振現象的界面上，使得反射光強度(或稱反射率)急劇下降，如圖1所示。表面等離子共振現象發生的特征為：當入射光滿足表面等離子共振條件時，其共振角B發生在大于全反射臨界角A的特定角度下(本例約44度)，此時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時其反射光強度(或反射率)為最低，且理論上可降至零。

當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)，二者相等時為波向量匹配，可發生表面等離子共振現象，而將入射光能量轉移給表面等離子波。事實上，只有符合特定條件(如特定入射角或特定波長)，才能產生表面等離子共振現象。其中入射光波向量，可表示為

k_x＝k_on_p?sinθ????(1)

其中k_x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，θ為光線入射角，n_p是棱鏡的折射率。而表面等離子波向量k_sp表示為