CN102927923B - 一种高精度纳米间距检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

一种高精度纳米间距检测装置及检测方法，属于纳米光刻技术领域，为解决现有技术对纳米间距测量精度低的问题，本发明中激光器发出的光线依次经过扩束装置、第一分束器、第二分束器、透镜、透光镜和反射镜；光经过第一分光器时部分光被反射，第一检偏器接收第一分束器反射出来的光线，光线经过第一检偏器后被第一光电探测器接收，第一光电探测器将采集到的信息传给计算机；反射镜反射回来的光线入射到第二分束器，SPR传感器接收第二分束器反射出来的光线，光线经过SPR传感器后入射到第二检偏器上，光线经过第二检偏器后被第二光电接收器接收，第二光电接收器将采集到的信息传给计算机，由计算机得出反射镜的位移量，实现高精度纳米间距检测。

Description

一种高精度纳米间距检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及一种高精度纳米间距检测装置及检测方法，属于纳米光刻技术领域。

背景技术

光学衍射极限一直制约着两个物体之间绝对间距的检测。但是直到目前，光学干涉方法仍旧是检测两物体绝对间距的常规方法，衍射极限问题仍旧制约着光学检测方法的应用。为了扩展光学干涉方法能够应用于纳米尺度的检测，许多科研工作者做出了大量的工作。基于现有的Krestchmann-Raether(KR)结构，提出了一种检测纳米间距的方法，如图1所示，TM模式的激光束入射到SPR传感器上，SPR和玻璃板之间有一微小距离d。在谐振角度下，反射光束经由SPR反射后，其反射光光强受SPR反射率的影响。而由菲涅耳公式可以知道SPR的反射率受到d的影响，因此通过检测出射光束的反射率变化可以得到纳米间距d值。理论模拟结果显示使用632.8nm的激光束来检测时，入射角度从45°变化到50°，纳米间距由300nm变化到100nm，能够检测到的最小间距大约为126nm，可见这种检测方法对于小于100nm以下的纳米间距就不能适用。然而在纳米光刻技术中，经常会要求两个平面的间距小于100nm以下，间距的测量精度直接关系到纳米光刻技术的精度。

发明内容

本发明为了解决现有技术对纳米间距测量精度低的问题，提供一种高精度纳米间距检测装置及方法。

本发明一种高精度纳米间距检测装置，该装置中激光器、扩束装置、第一分束器、第二分束器、透镜、透光镜和平面反射镜共轴放置，透光镜位于透镜的后焦面上，调整激光器发出的光线平行入射到透镜和平面反射镜上；激光器发出的光线依次经过扩束装置、第一分束器、第二分束器、透镜、透光镜和反射镜；光经过第一分光器时部分光被反射，第一检偏器接收第一分束器反射出来的光线，光线经过第一检偏器后被第一光电探测器接收，第一光电探测器将采集到的信息传给计算机；反射镜反射回来的光线入射到第二分束器，SPR传感器接收第二分束器反射出来的光线，光线经过SPR传感器后入射到第二检偏器上，光线经过第二检偏器后被第二光电接收器接收，第二光电接收器将采集到的信息传给计算机。

本发明所述一种高精度纳米间距检测装置的检测方法，包括以下步骤：

步骤一：调整检测装置，使光束平行入射到透镜上；

步骤二：通过PNPS驱动、调整平面反射镜的位置，使其位于透镜后焦面附近；

步骤三：调整第二检偏器使其透过方向平行于X轴，然后调整SPR传感器，直至SPR传感器反射出的P分量光束光强达到最小；

步骤四：调整第二检偏器使其透过方向与X轴成10°角，然后由PNPS驱动平面反射镜，通过计算机监测测试光路和参考光路的位相差值Δφ＝φ_te-φ_re，直至其为一定值，此时透光镜与反射镜重合，两者都位于透镜后焦面上；

步骤五：由PNPS驱动反射镜产生微小位移，同时计算机实时记录位相差Δφ＝φ_te-φ_re的值；

步骤六：由计算机分析处理实验数据得出反射镜的位移量。

本发明的有益效果是：一种高精度纳米间距检测装置及检测方法，由物理光学原理分析了微小位移与角度偏移之间的关系，然后结合SPR角度传感器关于角度偏移和位相改变的关系，建立起微小位移(纳米间距)和位相改变之间的关系，从而通过监测位相改变可以实现纳米间距的实时测量，通过理论模拟，得出纳米间距检测的灵敏度可以达到0.3°/nm；本发明检测装置搭建出测试光路和参考光路，通过计算机实时监测两光路信息，进而分析计算得出所要获得的反射镜位移量，本发明结构简单、易于操作，本发明的检测方法实现对纳米间距的实时监测，且测量精度高。

附图说明

图1现有技术中检测纳米间距的原理图。

图2是本发明一种高精度纳米间距检测装置结构示意图。

图3是角度偏移与反射镜位置的关系示意图。

图4是角度偏移随物镜位置变化关系示意图。

图5是SPR传感器的四层结构图。

图6是位相变化量随入射角度改变的函数关系图。

图7是在全反射角附近位相随角度变化的函数关系图。

图8是位相变化量与角度偏移量的函数关系图。

图9是位移量与位相变化量的关系图。

图10是位相变化量随采样位置变化关系图。

具体实施方式

如图2所示，激光器1发出的激光束包含两个相互垂直的振动方向，其经过扩束装置2准直扩束后入射到第一分束器3，光束被分为两部分。其中反射光束作为参考光束，其经过第一检偏器9后产生干涉条纹，干涉信号经由第一光电探测器10采集后传送给计算机14。透射光束作为测试光束，其经过第二分束器4后通过透镜5后经由透光镜6再经反射镜7反射回来，透光镜6位于透镜5后焦面上，反射镜7位于透光镜6之后，PNPS(压电纳米定位系统)8与反射镜7固定在一起。经由反射镜7反射回来的光束通过第二分束器4再次反射后以临界角入射到SPR传感器11。最后，光束通过第二检偏器12，P分量和S分量的光在透振方向上的分量会产生干涉条纹，干涉信号由第二光电探测器13转化为电信号并传送给计算机14。计算机14将参考信号与测量信号进行处理后就可以得到所需要的测量信息。

本发明一种高精度纳米间距的检测步骤如下：

步骤一：调整检测装置，使光束平行入射到透镜5上；

步骤二：通过PNPS8驱动、调整反射镜7的位置，使其位于透镜5后焦面附近；

步骤三：调整第二检偏器12使其透过方向平行于X轴，然后调整SPR传感器，直至SPR传感器11反射出的P分量光束光强达到最小，此时入射角度满足谐振角度；

步骤四：调整第二检偏器12使其透过方向与X轴成10°角，然后由PNPS8驱动反射镜7，通过计算机14监测测试光路和参考光路的位相差值Δφ＝φ_te-φ_re，直至其为一定值，此时透光镜6与反射镜7重合，两者都位于透镜5后焦面上；

步骤五：由PNPS8驱动反射镜7产生微小位移，同时计算机14实时记录位相差Δφ＝φ_te-φ_re的值；

步骤六：由计算机14分析处理实验数据得出反射镜7的位移量。

实施例1：对本发明的原理给予具体分析。

由光线追踪方法可知，如图3所示，一条平行于光轴的光线入射到一个透镜5，然后经由一个反射镜7反射，如果反射镜7位于透镜5的后焦面上，那么反射光束仍是平行光束，没有角度偏移。若反射镜7与透镜5后焦面之间有一小位移Δz，相对于光轴而言，入射光束外部的光线将会产生一个角度偏移Δθ，二者有一定的比例关系。

$\begin{array}{cc}\mathrm{\Δz}=-\tan \mathrm{\Δ\θ}\frac{f^2}{2r}& r\∈[0,\frac{D}{2}]\\ r=\sqrt{x^2+y^2}& x,y\∈[-\frac{D}{2},\frac{D}{2}]\end{array}---\left(1\right)$

对于微小位移Δz和微小角度Δθ，有

$\mathrm{\Δz}=-\mathrm{\Δ\θ}\frac{f^2}{2r}r\∈[0,\frac{D}{2}]---\left(2\right)$

建立两种模型来计算采样位置与角度偏移量的关系，分别取Δz＝0.5mm和Δz＝0.1mm，透镜焦距f＝8.5mm，透镜口径为10mm，(x,y)为透镜上的位置坐标点，分别由-5mm变化到5mm。如图4所示，横轴分别为物镜上的采样位置坐标(x,y),纵轴为角度偏移量Δθ，在透镜同一位置，反射镜7偏移透镜后焦面的位移量Δz越大，反射光线产生的角度偏移越明显。角度偏移量Δθ还和取样位置有关，在中心位置，角度偏移量为0，远离中心时角度偏移量Δθ逐渐变大。

测量过程中，对于同一位移量Δz，在同一干涉图不同位置多次采样后计算出角度偏移量Δθ，然后由位移量Δz和角度偏移量Δθ之间的关系得到位移量Δz，最后计算多次采样的平均值来降低测量误差。

在图2中，产生角度偏移后的光束将入射到SPR传感器11上，光束经过SPR传感器11后振动方向分别为P分量和S分量的光束将会产生不同的位相差，其位相差值与SPR结构和入射角度有关。

如图5所示，SPR传感器有四层结构：BK7玻璃、钛(Ti)、金(Au)和空气层，其中使用Ti层主要是为了增加Au层和棱镜之间的粘合力。

SPR传感器11四层结构，n1，n2，n3，n4分别为棱镜、Ti、Au以及空气的折射率。由SPR传感器的原理可知，当入射角度达到临界角时将会产生表面等离子体波，由菲涅耳公式可知，p分量和s分量总的反射系数为

$r_{1234}^t=\frac{r_{12}^t+r_{234}^t{e}^{i2k_{z2}{d}_2}}{1+r_{12}^t{t}_{234}^t{e}^{i2k_{z2}{d}_2}},t=p,s---\left(3\right)$

其中表示2,3.4层介质的反射系数。

表示介质i,j之间的反射系数；d2和d3分别表示第二层(Ti)和第三层(Au)介质的厚度。t表示振动方向的s分量或p分量，表示为：

$E_I^t=\left\{\begin{array}{cc}\frac{n_I^2}{k_{\mathrm{zI}}}& t=p\\ k_{\mathrm{zI}}& t=s\end{array},=i,j;i,j=\mathrm{1,2,3,4}\right.---\left(4\right)$

其中，k_zI表示在介质i或者j中波矢的z分量

$k_{\mathrm{zi}\left(j\right)}=k_0{(n_{i\left(j\right)}^2-n_1^2{\sin }^2\mathrm{\α})}^{1/2}---\left(5\right)$

若其中δ_p和δ_s分别P分量和S分量的位相，两者之间的位相改变量

φ＝δ_p-δ_s  (6)

如图6所示，用matlab模拟的位相变化量和入射角度之间的函数关系，设定d2＝2.53nm,d3＝44.7nm,入射光波长632.8nm,棱镜、Ti、Au以及空气的折射率n1＝(1.51509)^2,n2＝-3.84+12.5i,n3＝-12+1.26i,n4＝(1.0003)^2。图中显示位相在SPR共振角度附近变化十分敏感，角度由43.82°变化到43.84°时，位相变化量由260°降低到110°左右。为了便于计算，改变坐标系，材料的全反射角度为43.83°，取β＝α-α_sp＝α-43.83°，如图7所示，位相在全反射角附近对入射角度的变化非常敏感，因此可以通过检测位相变化来得出入射角度改变量。

经由分束器再次反射回来的光束入射到SPR传感器上，光束关于光轴对称的两条光线分别为A和B。若是汇聚光束，光线A和B分别有一个负的和正的角度偏移Δθ；若是发散光束，则A和B分别产生一个正的和负的角度偏移Δθ。分别用φ_A，φ_B表示光线A和光线B由于角度偏移产生的位相改变量，令φ＝φ_A-φ_B表示光线A，B之间产生的位相差，建立φ与Δθ之间的关系。

图8为matlab模拟的位相变化量与角度偏移量的函数关系，取入射光波长λ＝632.8nm,棱镜、Ti、Au以及空气的折射率n1＝(1.51509)^2，n2＝-3.84+12.5i，n3＝-12+1.26i，n4＝(1.0003)^2，d2＝2.53nm，d3＝44.7nm，入射角度为43.83°。图8(a)所示，φ_A和φ_B分别表示光线A和B经过SPR后所产生的位相改变量。模拟结果显示，φ_A和φ_B关于y轴对称，这是由于光线A和B是关于主轴对称的，它们所产生的角度偏移量之间仅差一个负号。图8(b)中φ表示光线A和B之间的位相差值，结果显示角度变化量小于0.1°，位相改变量可以达到300°。

根据位移量和角度偏移量的关系以及角度偏移量和位相改变量的关系，可以推导出位移量(纳米间距)和位相改变量之间的函数关系。设定激光入射波长为632.8nm；透镜口径为10mm，焦距8.5mm；BK7玻璃的介电常数为1.51509；Au层的厚度为44.7nm，介电常数为-12+1.26i；Ti层的厚度为2.53nm，介电常数为-3.84+12.5i；空气介电常数为1.0003；光束入射到SPR的角度为43.83°，由matlab来进行理论模拟。

图9(a)所示为光线A产生的位相变化量和纳米间距之间的函数关系，模拟结果显示纳米间距从-0.5变化到0.5μm时，位相该变量由120°变化到270°，并且在0点位置位相该变量为230°左右。图9(b)所示，为光线A和B之间的位相差值和纳米间距之间的函数关系，结果显示当纳米间距由-0.5变化到0.5μm时，位相变化量由150°变化到-150°，其灵敏度可以达到0.3°/nm。

由于不同位置的光线经过反射镜反射回来后所产生的角度偏移量是不同的，所以其位相改变量也是不同的。

如图10所示，表示取不同采样位置时，位相随位移变化曲线，设定激光入射波长为632.8nm；物镜口径为10mm，焦距8.5mm；BK7玻璃的介电常数为1.51509；Au层的厚度为44.7nm，介电常数为-12+1.26i；Ti层的厚度为2.53nm，介电常数为-3.84+12.5i；空气介电常数为1.0003；光束入射到SPR的角度为43.83°。取Δz＝0.001和0.0001mm,建立两个模型，模拟结果显示，取样位置越靠近边缘，位相变化越大。纳米间距Δz＝0.0001mm时，中心光线与边缘光线之间的位相差值大于5°；Δz＝0.001mm时，中心光线和边缘光线之间的位相差值大于90°。因此，为了增大测量灵敏度，可以靠近光束边缘取样；为了降低误差可以在不同位置多次取样。

Claims (2)

1.一种高精度纳米间距检测装置，其特征是，激光器(1)、扩束装置(2)、第一分束器(3)、第二分束器(4)、透镜(5)、透光镜(6)、平面反射镜(7)和压电纳米定位系统(8)从左到右共轴放置，压电纳米定位系统(8)与反射镜(7)固定在一起，透光镜(6)位于透镜(5)的后焦面上，调整激光器(1)发出的光线平行入射到透镜(5)和反射镜(7)上；激光器(1)发出的光线依次经过扩束装置(2)、第一分束器(3)、第二分束器(4)、透镜(5)、透光镜(6)和反射镜(7)；光经过第一分光器(3)时部分光被反射，第一检偏器(9)接收第一分束器(3)反射出来的光线，光线经过第一检偏器(9)后被第一光电探测器(10)接收，第一光电探测器(10)将采集到的信息传给计算机(14)；反射镜(7)反射回来的光线入射到第二分束器(4)，SPR传感器(11)接收第二分束器(4)反射出来的光线，光线经过SPR传感器(11)后入射到第二检偏器(12)上，光线经过第二检偏器(12)后被第二光电接收器(13)接收，第二光电接收器(13)将采集到的信息传给计算机(14)。

2.基于权利要求1所述一种高精度纳米间距检测装置的检测方法，其特征是，包括以下步骤：

步骤一：调整检测装置，使光束平行入射到透镜(5)上；

步骤二：通过压电纳米定位系统(8)驱动、调整平面反射镜(7)的位置，使其位于透镜(5)后焦面附近；

步骤三：调整第二检偏器(12)使其透过方向平行于X轴，然后调整SPR传感器(11)，直至SPR传感器(11)反射出的P分量光束光强达到最小；

步骤四：调整第二检偏器(12)使其透过方向与X轴成10°角，然后由压电纳米定位系统(8)驱动平面反射镜(7)，通过计算机(14)监测测试光路和参考光路的位相差值Δφ＝φ_te-φ_re，直至其为一定值，此时透光镜(6)与反射镜(7)重合，两者都位于透镜(5)后焦面上；

步骤五：由压电纳米定位系统(8)驱动反射镜(7)产生微小位移，同时计算机(14)实时记录位相差Δφ＝φ_te-φ_re的值；

步骤六：由计算机(14)分析处理实验数据得出反射镜(7)的位移量。