[發(fā)明專利]一種用于納米表面形貌在線測(cè)量的集成系統(tǒng)

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201210167843.1
• 申請(qǐng)日: 2012-05-28
• 公開（公告）號(hào): CN102679906A
• 公開（公告）日: 2012-09-19
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊樹明;胡慶杰;韓楓;李磊;張坤;蔣莊德
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 西安交通大學(xué)
• 主分類號(hào): G01B11/24
• 分類號(hào): G01B11/24
• 代理公司: 西安通大專利代理有限責(zé)任公司 61200
• 代理人: 徐文權(quán)

技術(shù)領(lǐng)域

本專利涉及光學(xué)、集成光電子學(xué)、納米材料、納米加工、納米測(cè)量、儀器科學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。

背景技術(shù)

從Taniguchi最早提出“納米技術(shù)”一詞到現(xiàn)在，納米技術(shù)已經(jīng)走過了幾十年的歷程，但是目前在納米技術(shù)領(lǐng)域所取得的研究成果基本上都處于實(shí)驗(yàn)室階段，如何把理論研究成果產(chǎn)品化和實(shí)現(xiàn)大規(guī)模制造的實(shí)用產(chǎn)品成為了納米技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展的瓶頸，而納米測(cè)量技術(shù)是制約納米技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。納米測(cè)量主要包括納米級(jí)精度的尺寸及位移測(cè)量和納米級(jí)表面形貌測(cè)量。表面形貌是微納器件失效的主要原因之一，所以研究納米表面形貌對(duì)于提高微納器件的可靠性和實(shí)現(xiàn)其工程應(yīng)用非常重要。為了提高納米加工效率和降低成本，實(shí)現(xiàn)納米表面形貌在線測(cè)量已經(jīng)成為納米測(cè)量領(lǐng)域一項(xiàng)迫切的任務(wù)和要求。要實(shí)現(xiàn)納米表面形貌的在線測(cè)量，測(cè)量儀器必須能夠連續(xù)、快速、準(zhǔn)確地在加工過程中獲得表面形貌信息。目前可用于微納表面形貌測(cè)量的方法主要包括觸針式測(cè)量方法、非接觸光學(xué)測(cè)量方法和掃描顯微鏡。對(duì)于在線測(cè)量，觸針式測(cè)量方法最大的問題是測(cè)量速度慢，而且要與被測(cè)試樣接觸。非接觸光學(xué)測(cè)量方法包括光切法、散射法、散斑法以及干涉測(cè)量方法等。光切法只能用于測(cè)量相對(duì)粗糙的表面；散射法可用于定性表征而不能用于定量測(cè)量；散斑法局限于測(cè)量規(guī)整表面；干涉法測(cè)量容易受環(huán)境噪聲和振動(dòng)的影響。也有研究嘗試把掃描顯微鏡用于納米表面形貌的在線測(cè)量，但是實(shí)際上只是增加了自動(dòng)化程度，并沒有真正實(shí)現(xiàn)在線測(cè)量。

比較而言，光學(xué)干涉測(cè)量方法是實(shí)現(xiàn)表面形貌在線測(cè)量最具潛力的方法之一，但是光學(xué)組件一般成本昂貴，最主要的原因是處理光信號(hào)組件的體積大，不像電子組件一樣能大規(guī)模集成。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明提出一種用于納米表面形貌在線測(cè)量的集成系統(tǒng)，包括：1)集成光子芯片：集成基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器、集成波導(dǎo)型光隔離器、基于表面等離子體的光耦合器和光探測(cè)器。2)測(cè)量探頭：測(cè)量探頭是直接用于測(cè)量納米表面形貌的部分，包括準(zhǔn)直透鏡、光柵、物鏡和參考鏡。3)光學(xué)干涉測(cè)量系統(tǒng)：通過連接測(cè)量探頭和集成光子芯片建立光學(xué)干涉測(cè)量系統(tǒng)，并研制激光器、光隔離器和探測(cè)器的控制單元。

具體如下：

一種用于納米表面形貌在線測(cè)量的集成系統(tǒng)，主要包括集成光子芯片和測(cè)量探頭；集成光子芯片上集成了基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器、集成波導(dǎo)型光隔離器、基于表面等離子體光耦合器和光探測(cè)器；測(cè)量探頭由準(zhǔn)直透鏡、光柵、物鏡和參考鏡組成；激光器發(fā)出的光經(jīng)過光隔離器和耦合器后從光子芯片輸出，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后平行入射到光柵上并發(fā)生衍射，然后分別入射到參考鏡和經(jīng)由物鏡入射到被測(cè)物體表面上；兩束光分別由參考鏡和被測(cè)物體表面反射后在光柵處發(fā)生干涉，通過準(zhǔn)直透鏡再次進(jìn)入光子芯片，經(jīng)過耦合器回到探測(cè)器，探測(cè)器把光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)并輸出，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理得到被測(cè)物體表面形貌信息。

進(jìn)一步，在測(cè)量探頭中參考鏡上安裝壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器，通過壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)參考鏡(11)每次移動(dòng)相同的位移，產(chǎn)生相應(yīng)的相位變化。

進(jìn)一步，采用相移技術(shù)獲得絕對(duì)相位，并采用Carré算法計(jì)算相位值，從而得到被測(cè)物體表面形貌信息。

本發(fā)明的有益效果是：

本發(fā)明的測(cè)量系統(tǒng)將具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、整體性和靈活性良好等特點(diǎn)，對(duì)于實(shí)現(xiàn)納米表面形貌在線測(cè)量具有很大的優(yōu)勢(shì)。

附圖說明

圖1集成光學(xué)測(cè)量系統(tǒng)示意圖。

具體實(shí)施方式

如圖1所示，激光器1發(fā)出的光經(jīng)過光隔離器2和耦合器3后從光子芯片輸出，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡8后平行入射到光柵9上并發(fā)生衍射分為0級(jí)光和1級(jí)光，然后分別入射到參考鏡11和經(jīng)由物鏡10入射到被測(cè)物體12表面上。兩束光分別由參考鏡11和被測(cè)物體12表面反射后在光柵9處發(fā)生干涉，然后通過準(zhǔn)直透鏡8再次進(jìn)入光子芯片，經(jīng)耦合器3回到探測(cè)器4，光信號(hào)由探測(cè)器4轉(zhuǎn)成電信號(hào)并輸出，對(duì)輸出信號(hào)進(jìn)行處理便可得到表面形貌信息。

測(cè)量系統(tǒng)主要由光子芯片和測(cè)量探頭兩部分組成，光子芯片集成了基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器1、集成波導(dǎo)型光隔離器2、基于表面等離子體的光耦合器3和光探測(cè)器4；測(cè)量探頭組合了準(zhǔn)直透鏡8、光柵9、物鏡10和參考鏡11。另外，測(cè)量系統(tǒng)還包括激光器1、光耦合器3、光探測(cè)器4的控制單元6和數(shù)據(jù)采集單元5和計(jì)算機(jī)7。

1）集成光子芯片