CN102679906A - 一种用于纳米表面形貌在线测量的集成系统 - Google Patents
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Abstract
一种用于纳米表面形貌在线测量的集成系统。该系统由集成光子芯片和测量探头两个主要部分组成，光子芯片由基于纳米线阵列的可调谐激光器、集成波导型光隔离器、基于表面等离子体的光耦合器和光探测器集成产生，而测量探头由准直透镜、光栅、物镜和参考镜组合而成。光子芯片和测量探头通过光纤连接。测量系统将具有尺寸小、结构紧凑、集成度高、整体性和灵活性良好等特点，对于实现纳米表面形貌在线测量具有很大的优势。
Description
技术领域
本专利涉及光学、集成光电子学、纳米材料、纳米加工、纳米测量、仪器科学等多学科交叉的前沿研究领域。
背景技术
从Taniguchi最早提出“纳米技术”一词到现在，纳米技术已经走过了几十年的历程，但是目前在纳米技术领域所取得的研究成果基本上都处于实验室阶段，如何把理论研究成果产品化和实现大规模制造的实用产品成为了纳米技术继续向前发展的瓶颈，而纳米测量技术是制约纳米技术发展的关键因素。纳米测量主要包括纳米级精度的尺寸及位移测量和纳米级表面形貌测量。表面形貌是微纳器件失效的主要原因之一，所以研究纳米表面形貌对于提高微纳器件的可靠性和实现其工程应用非常重要。为了提高纳米加工效率和降低成本，实现纳米表面形貌在线测量已经成为纳米测量领域一项迫切的任务和要求。要实现纳米表面形貌的在线测量，测量仪器必须能够连续、快速、准确地在加工过程中获得表面形貌信息。目前可用于微纳表面形貌测量的方法主要包括触针式测量方法、非接触光学测量方法和扫描显微镜。对于在线测量，触针式测量方法最大的问题是测量速度慢，而且要与被测试样接触。非接触光学测量方法包括光切法、散射法、散斑法以及干涉测量方法等。光切法只能用于测量相对粗糙的表面；散射法可用于定性表征而不能用于定量测量；散斑法局限于测量规整表面；干涉法测量容易受环境噪声和振动的影响。也有研究尝试把扫描显微镜用于纳米表面形貌的在线测量，但是实际上只是增加了自动化程度，并没有真正实现在线测量。
比较而言，光学干涉测量方法是实现表面形貌在线测量最具潜力的方法之一，但是光学组件一般成本昂贵，最主要的原因是处理光信号组件的体积大，不像电子组件一样能大规模集成。
发明内容
本发明提出一种用于纳米表面形貌在线测量的集成系统，包括：1)集成光子芯片：集成基于纳米线阵列的可调谐激光器、集成波导型光隔离器、基于表面等离子体的光耦合器和光探测器。2)测量探头：测量探头是直接用于测量纳米表面形貌的部分，包括准直透镜、光栅、物镜和参考镜。3)光学干涉测量系统：通过连接测量探头和集成光子芯片建立光学干涉测量系统，并研制激光器、光隔离器和探测器的控制单元。
具体如下：
一种用于纳米表面形貌在线测量的集成系统，主要包括集成光子芯片和测量探头；集成光子芯片上集成了基于纳米线阵列的可调谐激光器、集成波导型光隔离器、基于表面等离子体光耦合器和光探测器；测量探头由准直透镜、光栅、物镜和参考镜组成；激光器发出的光经过光隔离器和耦合器后从光子芯片输出，经过准直透镜后平行入射到光栅上并发生衍射，然后分别入射到参考镜和经由物镜入射到被测物体表面上；两束光分别由参考镜和被测物体表面反射后在光栅处发生干涉，通过准直透镜再次进入光子芯片，经过耦合器回到探测器，探测器把光信号转换成电信号并输出，对输出信号进行处理得到被测物体表面形貌信息。
进一步，在测量探头中参考镜上安装压电陶瓷驱动器，通过压电陶瓷驱动参考镜(11)每次移动相同的位移，产生相应的相位变化。
进一步，采用相移技术获得绝对相位，并采用Carré算法计算相位值，从而得到被测物体表面形貌信息。
本发明的有益效果是：
本发明的测量系统将具有尺寸小、结构紧凑、集成度高、整体性和灵活性良好等特点，对于实现纳米表面形貌在线测量具有很大的优势。
附图说明
图1集成光学测量系统示意图。
具体实施方式
如图1所示，激光器1发出的光经过光隔离器2和耦合器3后从光子芯片输出，经过准直透镜8后平行入射到光栅9上并发生衍射分为0级光和1级光，然后分别入射到参考镜11和经由物镜10入射到被测物体12表面上。两束光分别由参考镜11和被测物体12表面反射后在光栅9处发生干涉，然后通过准直透镜8再次进入光子芯片，经耦合器3回到探测器4，光信号由探测器4转成电信号并输出，对输出信号进行处理便可得到表面形貌信息。
测量系统主要由光子芯片和测量探头两部分组成，光子芯片集成了基于纳米线阵列的可调谐激光器1、集成波导型光隔离器2、基于表面等离子体的光耦合器3和光探测器4；测量探头组合了准直透镜8、光栅9、物镜10和参考镜11。另外，测量系统还包括激光器1、光耦合器3、光探测器4的控制单元6和数据采集单元5和计算机7。
1）集成光子芯片
光子芯片的研制采用混合集成的方法。首先把基于纳米线阵列的可调谐激光器1、集成波导型光隔离器2、基于表面等离子体的光耦合器3和光探测器4分别集成到单独的“子芯片”上，然后根据各“子芯片”的尺寸和结构特点以及图1中的各器件之间的相互关系设计“母芯片”，最后把不同的“子芯片”集成到“母芯片”上。保证“子芯片”在“母芯片”上的准确定位，并不断调整“子芯片”之间的位置关系，使光子芯片中的光损失达到设计指标。
基于纳米线阵列的可调谐激光器1：包括金属薄膜电极、纳米线、绝缘基底；不同波长纳米线在绝缘基底上依次均匀排列，每根纳米线的两端均覆盖金属薄膜电极形成正负极，金属薄膜电极与绝缘基底接触；在金属薄膜电极上加电压，从而使纳米线两端产生激光。
集成波导型光隔离器2：由硅（Si）基底、硅基底上覆盖的二氧化硅（SiO2）层和SiO2层上溅射生长的铈-钇铁石榴石（CeYIG）磁光薄膜组成。
基于表面等离子体的光耦合器3：包括基底和波导层，而波导层由半导体薄膜及其上的金属颗粒共同组成。
光探测器采用已有技术制备。
2）测量探头
测量探头由准直透镜8、光栅9、物镜10和参考镜11组成。首先加工制备这些光学器件使其能在可见光波段工作，然后把这些光学器件按照干涉测量原理进行布置。测试并确定输入输出关系，计算测量探头的光损失。优化各光学器件的几何关系，使得测量探头的光损耗达到最低，最后把这些光学器件按照调整好的最佳位置组装成为一个整体。
3）光学干涉测量系统
光子芯片集成了测量系统中的全部光子器件，而测量探头把测量系统中所有的光学器件组合为一体，这两部分通过光纤连接就可以建立光学测量系统。在测量探头中参考镜11上安装压电陶瓷驱动器，通过压电陶瓷驱动参考镜每次移动相同的位移，产生相应的相位变化。采用相移技术获得绝对相位，并采用Carré算法计算相位值，从而得到表面形貌信息。
Claims (3)
1.一种用于纳米表面形貌在线测量的集成系统，其特征在于：主要包括集成光子芯片和测量探头；集成光子芯片上集成了基于纳米线阵列的可调谐激光器(1)、集成波导型光隔离器(2)、基于表面等离子体光耦合器(3)和光探测器(4)；测量探头由准直透镜(8)、光栅(9)、物镜(10)和参考镜(11)组成；激光器(1)发出的光经过光隔离器(2)和光耦合器(3)后从光子芯片输出，经过准直透镜(8)后平行入射到光栅(9)上并发生衍射，然后分别入射到参考镜(11)和经由物镜(10)入射到被测物体表面上；两束光分别由参考镜(11)和被测物体(12)表面反射后在光栅(9)处发生干涉，通过准直透镜(8)再次进入光子芯片，经过耦合器(3)回到探测器(4)，探测器(4)把光信号转换成电信号并输出，通过控制单元(6)控制激光器(1)和探测器(4)，并通过数据采集单元(5)对输出信号进行采集并输入计算机(7)进行处理得到被测物体表面形貌信息。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：在测量探头中参考镜(11)上安装压电陶瓷驱动器，通过压电陶瓷驱动参考镜每次移动相同的位移，产生相应的相位变化。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：采用相移技术获得绝对相位，并采用Carré算法计算相位值，从而得到被测物体表面形貌信息。
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