CN103968770A - 一种基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构及方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构及方法，属于纳米光学技术领域，可解决现有技术测量精度低，无法动态测量等问题。本发明中光源输出光经过准直镜、宽带偏振器入射到分束器；经过分束镜的透射光与纳米间隙检测结构及基底相互作用后，反射光回至分束器；经分束器反射并由透镜会聚后入射至光谱探测器，探测器将探测得到的数据传到计算机，经计算机处理得到间隙值，实现纳米间隙的检测。本发明采用光谱探测的方法可以实现纳米量级间隙的高精度动态检测，为纳米加工、纳米测量领域提供一种全新的测试技术；并有望在包括近场光学，近场物理在内的多个研究领域发挥重要作用。

Description

一种基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构及方法

技术领域

本发明涉及基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构的制作及其对光波的调控，可以实现纳米量级间隙的高精度动态检测。

背景技术

纳米量级间隙宽度的传感与探测在半导体制造业、高密度磁存储、超光滑表面的粗糙度检测等领域应用非常广泛。尤其在近场光刻加工，如表面等离子体纳米光刻、扫描探针光刻、接近式X射线光刻等新型纳米加工领域，为了实现较高的分辨力及高加工精度，器件与基底的间距通常要求在亚微米，乃至几十个纳米的量级，且其间隙精度更需控制在几纳米到几十纳米范围内，要让系统实现器件与基底之间如此高的纳米间隙精度控制，以及整个平面内的等间隙调平，这都要求我们对纳米间隙进行高精度的探测。

由于微纳米尺度间隙宽度测量在现代科学与应用领域的重要性，基于不同原理的微小间隙宽度测量方法被不断提出，如基于电容传感间隙宽度测量，基于超声波传感间隙宽度测量方法，基于光学传感间隙宽度测量等。然而，前两种方法虽然可以实现微米、亚毫米量级的间隙宽度传感，但是由于本身分别基于间隙电容和超声波反射时间差随间隙变化的原理，对于极小间隙改变不够灵敏，很难向亚微米，纳米量级拓展。基于光学测量原理的间隙测量方法以其非接触测量、高精度等特点被认为是很有希望实现稳定的微纳米量级间隙宽度测量的有效途径。目前基于光学原理的间隙宽度测量方法主要可以分为两大类，第一类是激光干涉法，1983年，Flanders,D.C.等人采用单色He-Ne光源实现了25-120μm范围的间隙宽度测量，其测试精度达到±0.25％。此后，大量科研工作者通过改进实验系统，利用测试位相平移及光谱干涉等原理极大地拓展了这一测试方法。但是，由于其自身基于传输波干涉的原理限制，这一方法的间隙宽度探测范围理论极限为半波长量级，无法实现小到百纳米以下的间隙宽度测量。第二类是激光衍射成像法，该方法是1999年由麻省理工大学的研究小组提出，在掩模的下表面制作啁啾的西洋跳盘棋结构，通过探测激光入射后不同路径衍射的电磁能量相互干涉得到衍射图样，从而分析得到间隙宽度的大小。该方法可对3μm至400μm的间隙宽度进行直接测量，而对于更小的间隙，如亚微米，纳米间隙宽度，直接测量已不再适用，而须通过间隙扫描，F-P腔标定等多个步骤才能对绝对间隙值进行探测。因此，无论是激光干涉法还是激光衍射成像的方法对微小间隙宽度进行测量，其基本原理都是利用微小间隙对空间传输电磁波的光程进行调制，使得空间的干涉图样发生相应的变化，从而实现对间隙的宽度进行传感、测量。这一原理要求间隙的宽度必须至少达到几百纳米或微米量级才能积累足够的光程差，从而限制了间隙的宽度测量范围，很难拓展到纳米量级。

台湾国立清华大学采用棱镜激发，通过亚微米间隙对长程SP导波共振模式的调节，证实了其在130nm至1100间隙宽度范围内的传感能力，该研究以长程SP导波模式作为调节对象，因而其对更小间隙的探测灵敏度有限；并且其采用的棱镜耦合激发方法及角度扫描传感方式不利于器件的系统集成和高效的实时探测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对传统间隙检测技术测量精度不高，及难以实现纳米量级间隙绝对测量等问题，提出一种基于表面等离子体共振原理，可实现高精度纳米间隙动态检测的结构和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构，光源输出光经过准直镜、宽带偏振器入射到分束器；经过分束镜的透射光与纳米间隙检测结构及基底相互作用后，反射光回至分束器；经分束器反射并由透镜会聚后入射至光谱探测器，探测器将探测得到的数据传到计算机，经计算机处理得到间隙值，实现纳米间隙的检测。

本发明另外提供一种利用基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构进行检测的方法，包括以下步骤：

步骤一：调整检测装置，使入射光平行入射至分束镜上；

步骤二：调节宽带偏振器，使其输出偏振方向与纳米间隙检测结构中一维金属光栅线条方向垂直；

步骤三：将纳米间隙检测结构、基底、及压电移动台用平面反射镜代替，由平面反射镜反射的光经分束镜、透镜汇聚到光谱探测器，并由计算机记录光谱探测数据作为参考光谱；

步骤四：取下平面反射镜，将纳米间隙检测结构、基底、及压电移动台移回光路中，移动压电移动台使得纳米间隙检测结构与基底之间产生一个纳米量级的间隙，光纳米间隙检测结构、间隙及基底相互作用后部分反射，反射光光经分束镜、透镜汇聚到光谱探测器，并由计算机记录光谱探测数据作为初始探测光谱；

步骤五：计算机将初始探测光谱与参考光谱进行归一化处理，分析处理得到实际间隙值。

本发明与现有技术相比所具有的优点：本发明利用金属表面等离子体共振原理，根据共振产生的尖锐共振谱线与纳米间隙的对应关系来实现纳米间隙绝对值的高精度测量；本发明采用平面的一维金属光栅结构实现金属表面等离子体的激发，从而易于集成；利用光谱探测实现间隙的传感，因而可以实现纳米量级间隙的动态检测，结构简单、易于操作，为纳米加工、纳米测量领域提供一种全新的测试技术。

附图说明

图1是本发明表面等离子体纳米间隙检测结构示意图；图1中：1-1为石英基底；1-2为铬光栅；1-3为石英材料；1-4为金属银膜层；1-5为空气间隙；1-6为金属银膜层；1-7为石英基底。

图2是本发明表面等离子体共振纳米间隙检测装置示意图；图2中：2-1为光源；2-2为准直镜；2-3为宽带偏振器；2-4为分束器；2-5为纳米间隙检测结构；2-6为基底；2-7为压电移动台；2-8为透镜；2-9为光谱探测器；2-10为计算机。

图3是不同纳米间隙下对应的反射光谱图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式详细介绍本发明。但以下的实施例仅限于解释本发明，本发明的保护范围应包括权利要求的全部内容，而且通过以下实施例对领域的技术人员即可以实现本发明权利要求的全部内容。

本发明所述一种基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构，如图2所示，该结构包括：2-1为光源；2-2为准直镜；2-3为宽带偏振器；2-4为分束器；2-5为纳米间隙检测结构；2-6为基底；2-7为压电移动台；2-8为透镜；2-9为光谱探测器；2-10为计算机。光源2-1输出光经过准直镜2-2、宽带偏振器2-3入射到分束器2-4；经过分束器2-4的透射光入射到纳米间隙检测结构2-5上，并与纳米间隙检测结构2-5、间隙及基底2-6相互作用，压电移动台2-7与基底2-6固定在一起，以控制间隙大小；相互作用后，部分光被反射回至分束器2-4；再经分束器2-4反射，并由透镜2-8会聚后入射至光谱探测器2-9，光谱探测器2-9将探测得到的数据传到计算机2-10，经计算机2-10处理得到间隙值，实现纳米间隙的检测。

本发明基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测方法，检测步骤如下：

步骤一：调整检测装置，使入射光平行入射至分束器2-4上；

步骤二：调节宽带偏振器2-3，使其输出偏振方向与纳米间隙检测结构2-5中一维金属光栅线条方向垂直；

步骤三：将纳米间隙检测结构2-5、基底2-6、及压电移动台2-7用平面反射镜代替，由平面反射镜反射的光经分束器2-4、透镜2-8汇聚到光谱探测器2-9，并由计算机2-10记录光谱探测数据作为参考光谱；

步骤四：取下平面反射镜，将纳米间隙检测结构2-5、基底2-6、及压电移动台2-7移回光路中，移动压电移动台2-7使得纳米间隙检测结构2-5与基底2-6之间产生一个纳米量级的间隙，光在纳米间隙检测结构2-5、间隙及基底2-6相互作用后部分反射，反射光光经分束器2-4、透镜2-8汇聚到光谱探测器2-9，并由计算机2-10记录光谱探测数据作为初始探测光谱；

步骤五：计算机2-10将初始探测光谱与参考光谱进行归一化处理，分析处理得到实际间隙值。

实施例1：对本发明的原理及具体参数下的传感特性进行详细分析。

根据表面等离子体光学原理，由麦克斯韦方程推导可得金属-介质-金属三明治结构可以构成一种传输光波的波导结构，其波导的特点包括：(1)光波能量沿金属介质界面传输；(2)该波导模式是一种谐振型的波导，即当其它材料参数及几何参数一定时，谐振传导波长与介质厚度参数一一对应；(3)波导传输波矢量β大于对应光频率在自由空间中传输的波矢β₀＝2π/λ。本发明中的纳米间隙检测结构、间隙、及基底结构如图1所示，其中1-4金属银膜层,1-6金属银膜层与其间的纳米间隙就构成了类似的金属-介质-金属表面等离子体波导。由于波导传输波矢量β大于对应光频率在自由空间中传输的波矢β₀＝2π/λ，因此无法直接用普通光源激发，本发明采用一种平面易集成的一维金属光栅结构来激发，如图1。利用表面等离子体波导谐振传导波长与介质厚度参数一一对应的机理，本发明采用光谱探测的方法，通过探测表面等离子体波导的谐振波长，从而对纳米间隙值进行传感，如图2所示。偏振的平行光经分束器2-4入射到纳米间隙检测结构2-5，某一波长附近的光波由于激发了表面等离子体谐振，从而被结构吸收，而未被吸收的其它光波反射回分束器2-4，由光谱探测器2-9进行收集探测，由计算机2-10进行处理得到反射光谱，进而得到表面等离子体的谐振波长，再根据理论推算的谐振波长与间隙的对应关系实现纳米间隙的探测。

采用严格耦合波理论(RCWA)对本发明中采用的基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构进行理论建模，图1中1-1、1-2、1-3、1-4、1-5、1-6、1-7分别设为石英基底、金属铬光栅、石英材料、金属银膜层、空气间隙、金属银膜层和石英基底。其中石英的介电常数设备(设为)2.1316(折射率n＝1.46)，金属银的介电常数用Drude模型进行模拟。

$\mathrm{\ϵ}\left(\mathrm{\ω}\right)={\mathrm{\ϵ}}_{\∞}+\frac{{{\mathrm{\ω}}_p}^2}{\mathrm{i\γ\ω}-{\mathrm{\ω}}^2}---\left(1\right)$

式中无限大频率介电常数ε_∞＝4.2，等离子体频率ω_p＝1.5×10¹⁶，碰撞频率γ＝7.73×10¹³。

金属铬光栅1-2、金属银膜层1-4和金属银膜层1-6的厚度分别取30nm，20nm和20nm。计算得到不同间隙宽度情况下的反射光谱曲线如图3所示。当间隙宽度从10nm变化到20nm的过程中，由光谱图可以看到反射光谱的谐振特性随着纳米间隙宽度的变化发生了明显平移，尤其当间隙宽度从10nm变化到20nm过程中，反射谱的谐振谷从675nm变化至552nm，平移了123nm，即每纳米间隙改变平均光谱移动达到12.3nm。可见，该纳米间隙探测方法对间隙的传感探测非常灵敏。

Claims (5)

1.一种基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构，其特征是光源(2-1)输出光经过准直镜(2-2)、宽带偏振器(2-3)入射到分束器(2-4)；经过分束器(2-4)的透射光入射到纳米间隙检测结构(2-5)上，并与纳米间隙检测结构(2-5)、间隙及基底(2-6)相互作用，压电移动台(2-7)与基底(2-6)固定在一起，以控制间隙大小；相互作用后，部分光被反射回至分束器(2-4)；再经分束器(2-4)反射，并由透镜(2-8)会聚后入射至光谱探测器(2-9)，光谱探测器(2-9)将探测得到的数据传到计算机(2-10)，经计算机(2-10)处理得到间隙值，实现纳米间隙的检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构，其特征在于：所述光源(2-1)为白光光源或宽带波长可调谐激光。

3.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构，其特征在于：所述纳米间隙检测结构(2-5)由透明基材石英，一维金属光栅及金属纳米膜层三层构成。

4.根据权利要求1所述的一种基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构，其特征在于：所述基底(2-6)由金属纳米膜层及石英或硅基材构成。

5.根据权利要求1至4任一项所述的基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构进行检测的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤一：调整检测装置，使入射光平行入射至分束镜(2-4)上；

步骤二：调节宽带偏振器(2-3)，使其输出偏振方向与纳米间隙检测结构(2-5)中一维金属光栅线条方向垂直；

步骤三：将纳米间隙检测结构(2-5)、基底(2-6)、及压电移动台(2-7)用平面反射镜代替，由平面反射镜反射的光经分束镜(2-4)、透镜(2-8)汇聚到光谱探测器(2-9)，并由计算机记录光谱探测数据作为参考光谱；

步骤四：取下平面反射镜，将纳米间隙检测结构(2-5)、基底(2-6)、及压电移动台(2-7)移回光路中，移动压电移动台(2-7)使得纳米间隙检测结构(2-5)与基底(2-6)之间产生一个纳米量级的间隙，透射光经纳米间隙检测结构(2-5)、间隙及基底(2-6)相互作用后部分反射，反射光光经分束镜(2-4)、透镜(2-8)汇聚到光谱探测器(2-9)，并由计算机(2-10)记录光谱探测数据作为初始探测光谱；

步骤五：计算机(2-10)将初始探测光谱与参考光谱进行归一化处理，分析处理得到实际间隙值。