CN102890060B - 利用反射泰铂效应成像的方法及其应用及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种利用反射泰铂效应成像的方法及其应用及装置，用激光束作照明光源，通过光路修整激光的波形后，对不透明的周期结构样品进行照射，使照射后产生的反射光束在反射泰铂像屏上成像。本发明采用激光作为光源，通过光路修整激光的波形后，对不透明的周期结构样品进行照射，使照射后产生反射自成像。本发明可应用于各种激光微加工结构的观察与控制系统中，特别是在硅基上的光子晶体与波导的光子制备中，它能对真空腔中的样品实现在线的反射泰铂成像放大与显微分析，极大的简化了硅基上微结构的放大与显微工序，提高了生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及一种利用激光加工半导体材料的方法及其应用和装置，尤其是一种利用反射泰铂效应成像的方法及其应用和装置。
背景技术
当今的光子化技术已渗透各个科技与产业领域，泰铂（Talbot）效应为透射周期性结构样品的自成像效应，故只能用于薄的周期性结构透射样品。传统的透射Talbot效应在成像与信息业已有好的应用，但该应用仅局限在周期性结构的薄透射样品中。在硅芯片生产过程中，通过光子加工在硅芯片上形成微结构，而为了确保生产质量，需要对该微结构进行放大与显微监控，而现有技术要实现硅芯片上的微结构的放大与显微监控，需要较为麻烦的操作，而且无法实现在线的放大与显微监控，影响了生产效率。
发明内容
本发明的目的是：提供一种利用反射泰铂效应成像的方法及其应用及装置，它可实现不透明的周期结构样品的反射自成像，将其引用在硅基上的光子晶体与波导的光子制备中，能对真空腔中的样品实现在线的反射泰铂成像放大与显微分析，极大的简化了硅基上微结构的放大与显微工序，提高了生产效率，以克服现有技术的不足。
本发明是这样实现的：利用反射泰铂效应成像的方法，用激光束作照明光源，通过光路修整激光的波形后，对不透明的周期结构样品进行照射，使照射后产生的反射光束在反射泰铂像屏上成像。
利用反射泰铂效应成像的方法实现微结构放大与显微分析的应用，使激光的高斯波经过汇聚透镜后，进入定标光路中进行修整，获得高斯平面波，使高斯平面波照射在反射样品上，并成像于反射泰铂像屏上，实现对反射泰铂像的成像距离的校准；再将定标光路切换为放大光路，使激光的高斯波经过汇聚透镜后，进入放大光路中进行修整，获得高斯球面波，使高斯球面波照射在反射样品上，并成像于反射泰铂像屏上，从而实现利用反射泰铂效应对微结构进行放大与显微分析。
用波长为532nm或632.8nm的激光束作照明光源，整形激光束后照射到不透明周期性结构样品上形成反射泰铂像。
通过调控成像的衍射级次，从而提高精细结构的分辨率；通过调控放大光路修整球面波的波阵面，从而得到所需的反射泰铂像的放大率。
在定标光路中进行修正具体是指，激光的高斯波经过汇聚透镜后，先沿逆光路进入望远镜的目镜，再从望远镜的物镜出光，最后经透镜修整波形，获得激光的高斯平面波作反射泰铂成像的定标光源。
在放大光路中进行修整具体是指，激光的高斯波经过汇聚透镜后，先经扩束透镜放大光束，再经透镜修整波形，获得激光的高斯球面波作反射泰铂成像的放大光源。
利用反射泰铂效应成像的方法实现微结构放大与显微分析的装置，包括光源，在光源的射出光路上设有汇聚透镜，在汇聚透镜的射出光路上设有可相互切换的定标光路及放大光路，在光路修整结构的射出光路上设有样品放置台，在样品放置台的反射光路上最终设有反射泰铂像屏。
样品放置台处于真空腔内。
定标光路沿激光的照射路径，依次为目镜、物镜及透镜。
放大光路沿激光的照射路径，依次为扩束透镜及透镜。
通常的泰铂效应是一维和二维光栅透射样品的衍射自成像，本发明发现了反射泰铂效应，并利用该效应对周期性结构的非透射样品进行反射泰铂效应成像，本发明中的反射泰铂效应是在硅基上构建的一维和二维光子晶体上的反射泰铂自成像，其像结构不仅有一维和二维的周期性结构，还有较高分辨率的精细结构。
利用高斯平面波照射反射样品产生反射泰铂像的理论推导与实验给出：高斯平面波照明的反射泰铂像是等间距相邻像，其成像距离r2为：
r2=rm=mβ[1]
β=(2d2)/λ[2]
式中的d为光栅常数，λ是照射光源波长，m是正整数。
利用高斯球面波照射反射样品产生反射泰铂像的理论推导与实验给出：球面波照明的反射Talbot像是非等间距相邻像，其成像距离r2为：
rm=mβ/[1-(mβ)/R1][3]
β=(2d2)/λ[4]
式中的R1为照明球面波在样品处的曲率半径。球面波照明的反射Talbot像的放大率为：
Mm=1＋rm/R1 [5]
根据以上公式可以得知，通过调控放大光路修整球面波的波阵面，即可得所需的反射泰铂像的放大率。
由于采用上述的技术方案，与现有技术相比，本发明采用激光作为光源，通过光路修整激光的波形后，对不透明的周期结构样品进行照射，使照射后产生反射自成像。并利用该成像原理可实现对微结构的放大与显微分析；同时设计了一套对应于反射泰铂成像的光路结构和用于成像照明的波前整形技术。通常的泰铂效应是一维和二维光栅透射样品的衍射自成像，而本发明是在硅基上构建的一维和二维光子晶体上的反射泰铂自成像，其像结构不仅有一维和二维的周期性结构，还有较高分辨率的精细结构。本发明可应用于各种激光微加工结构的观察与控制系统中，特别是在硅基上的光子晶体与波导的光子制备中，它能对真空腔中的样品实现在线的反射泰铂成像放大与显微分析，极大的简化了硅基上微结构的放大与显微工序，提高了生产效率。本发明方法简单，易于产业化，所采用的装置结构简单，应用效果好。
附图说明
图1为实施例1的反射泰铂成像定标光路结构图；
图2为实施例1的反射泰铂放大成像光路结构图；
图3为实施例1的反射样品的显微结构图；
图4为实施例2的反射泰铂成像定标光路结构图；
图5为实施例2的反射泰铂放大成像光路结构图；
图6为实施例2的反射样品的显微结构图。
具体实施方式
本发明的实施例1：采用1064nm波长的调Q纳秒脉冲激光在P型硅片上制备出一维和二维的光子晶体结构，该结构的周期间隔尺寸分布从0.1mm到0.8mm，该样品以下简称反射样品；利用反射泰铂效应成像的方法对该反射样品的微结构进行放大与显微分析。
利用反射泰铂效应实现微结构放大与显微分析的方法，先采用相干性很好的532nm（绿光）波长的激光作为成像光源1，使激光的高斯波经过汇聚透镜2后，先沿逆光路进入望远镜的目镜3-1，再从望远镜的物镜3-2出光，最后经透镜5修整波形，获得激光的高斯平面波，使高斯平面波照射在反射样品上，并成像于反射泰铂像屏7上，由于高斯平面波照明的反射泰铂像是等间距相邻像，其成像距离r2为：
r2=rm=mβ
β=(2d2)/λ
式中的d为光栅常数，λ是照射光源波长，m是正整数；
根据上述公式的计算即可实现对反射泰铂像的成像距离的校准；再将定标光路切换为放大光路，使激光的高斯波经过汇聚透镜2后，先经扩束透镜4放大光束，再经透镜5修整波形，获得高斯球面波，使高斯球面波照射在反射样品上，并成像于反射泰铂像屏7上，从而实现利用反射泰铂效应对微结构进行放大与显微分析，反射样品的显微结构如图3所示；高斯球面波照明的反射泰铂像是非等间距相邻像，其成像距离r2为：
rm=mβ/[1-(mβ)/R1]
β=(2d2)/λ
式中的R1为照明球面波在样品处的曲率半径。球面波照明的反射Talbot像的放大率为：
Mm=1＋rm/R1
根据上述公式可得知，通过调控放大光路可以修整高斯球面波的波阵面，从而得到所需的反射泰铂像的放大率。
利用反射泰铂效应实现微结构放大与显微分析的装置，包括光源1，在光源1的射出光路上设有汇聚透镜2，在汇聚透镜2的射出光路上设有可相互切换的定标光路及放大光路；定标光路沿激光的照射路径，依次为目镜3-1、物镜3-2及透镜5；放大光路沿激光的照射路径，依次为扩束透镜4-1及透镜5；在光路修整结构的射出光路上设有样品放置台6，在样品放置台6的反射光路上设有反射泰铂像屏7。光路切换至定标光路时，其光路结构如图1所示；当光路切换至放大光路时，其光路结构如图2所示。
本发明的实施例2：在真空腔体中对半导体硅片进行脉冲激光等离子体刻蚀（PLE）过程中，利用反射泰铂成像的方法对加工样品进行在线放大与显微分析，实现脉冲激光等离子体加工的实时监控。
利用反射泰铂效应实现微结构放大与显微分析的方法，采用相干性很好的632.8nm（红光）波长的激光作为成像光源1，使激光的高斯波经过汇聚透镜2后，先沿逆光路进入望远镜的目镜3-1，再从望远镜的物镜3-2出光，最后经透镜5修整波形，获得激光的高斯平面波，使高斯平面波照射反射样品上，并成像于反射泰铂像屏7上，由于高斯平面波照明的反射泰铂像是等间距相邻像，其成像距离r2为：
r2=rm=mβ
β=(2d2)/λ
式中的d为光栅常数，λ是照射光源波长，m是正整数；
根据上述公式的计算即可实现对反射泰铂像的成像距离的校准；再将定标光路切换为放大光路，使激光的高斯波经过汇聚透镜2后，先经扩束透镜4-1放大光束，再经透镜5修整波形，获得高斯球面波，使高斯球面波照射在置于真空腔8中的硅基二维光子晶体反射样品，并成像于反射泰铂像屏7上，从而实现利用反射泰铂效应对微结构进行放大与显微分析，反射样品的显微结构如图6所示；高斯球面波照明的反射泰铂像是非等间距相邻像，其成像距离r2为：
rm=mβ/[1-(mβ)/R1]
β=(2d2)/λ
式中的R1为照明球面波在样品处的曲率半径。球面波照明的反射泰铂像的放大率为：
Mm=1＋rm/R1
通过调控放大光路可以修整球面波的波阵面，从而得到所需的反射泰铂像的放大率。
利用反射泰铂成像方法对加工硅基二维光子晶体反射样品进行在线放大与实时监控，提高了光子加工质量与精度，实现了脉冲激光等离子体在硅基上的可控加工，图6显示该方法制备出的带H1缺陷的硅基二维光子晶体结构样品。
利用反射泰铂效应实现微结构放大与显微分析的装置，包括光源1，在光源1的射出光路上设有汇聚透镜2，在汇聚透镜2的射出光路上设有可相互切换的定标光路及放大光路；定标光路沿激光的照射路径，依次为目镜3-1、物镜3-2及透镜5；放大光路沿激光的照射路径，依次为扩束透镜4-1及透镜5；在光路修整结构的射出光路上设有样品放置台6，在样品放置台6的反射光路上最终设有反射泰铂像屏7，样品放置台6处于真空腔8内。光路切换至定标光路时，其光路结构如图4所示；当光路切换至放大光路时，其光路结构如图5所示。
Claims (9)
1.一种利用反射泰铂效应成像的方法，其特征在于：用激光束作照明光源，通过光路修整激光的波形后，对不透明的周期结构样品进行照射，使照射后产生的反射光束在反射泰铂像屏上成像；使激光的高斯波经过汇聚透镜后，进入定标光路中进行修整，获得高斯平面波，使高斯平面波照射在反射样品上，并成像于反射泰铂像屏上，实现对反射泰铂像的成像距离的校准；再将定标光路切换为放大光路，使激光的高斯波经过汇聚透镜后，进入放大光路中进行修整，获得高斯球面波，使高斯球面波照射在反射样品上，并成像于反射泰铂像屏上，从而实现利用反射泰铂效应对微结构进行放大与显微分析。
2.根据权利要求1所述的利用反射泰铂效应成像的方法，其特征在于：用波长为532nm或632.8nm的激光束作照明光源，整形激光束后照射到不透明周期性结构样品上形成反射泰铂像。
3.根据权利要求1所述的利用反射钛铂效应成像的方法，其特征在于：通过调控成像的衍射级次，从而提高精细结构的分辨率；通过调控放大光路修整球面波的波阵面，从而得到所需的反射泰铂像的放大率。
4.根据权利要求1所述的利用反射钛铂效应成像的方法，其特征在于：在定标光路中进行修正具体是指，激光的高斯波经过汇聚透镜后，先沿逆光路进入望远镜的目镜，再从望远镜的物镜出光，最后经透镜修整波形，获得激光的高斯平面波作反射泰铂成像的定标光源。
5.根据权利要求1所述的利用反射钛铂效应成像的方法，其特征在于：在放大光路中进行修整具体是指，激光的高斯波经过汇聚透镜后，先经扩束透镜放大光束，再经透镜修整波形，获得激光的高斯球面波作反射泰铂成像的放大光源。
6.一种采用如权利要求1所述的利用反射泰铂效应成像的方法实现微结构放大与显微分析的装置，包括光源（1），其特征在于：在光源（1）的射出光路上设有汇聚透镜（2），在汇聚透镜（2）的射出光路上设有可相互切换的定标光路及放大光路，在光路修整结构的射出光路上设有样品放置台（6），在反射光路上设有反射泰铂成像屏（7）。
7.根据权利要求6所述的利用反射泰铂效应成像的方法实现微结构放大与显微分析的装置，其特征在于：样品放置台（6）处于真空腔（8）内。
8.根据权利要求6所述的利用反射泰铂效应成像的方法实现微结构放大与显微分析的装置，其特征在于：定标光路沿激光的照射路径，依次为目镜（3-1）、物镜（3-2）及透镜（5）。
9.根据权利要求6所述的利用反射泰铂效应成像的方法实现微结构放大与显微分析的装置，其特征在于：放大光路沿激光的照射路径，依次为扩束透镜（4）及透镜（5）。
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