CN104237568A - 一种扫描近场光学显微镜有源集成探针及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种扫描近场光学显微镜有源集成探针，从上到下包括LED发光二极管、带纳米小孔的波导和PN光电二极管结构，纳米小孔的波导和PN光电二极管通过微细加工方法构成一体，为悬臂梁结构，波导上的小孔为金字塔探针结构，小孔从波导贯穿并超出下面的PN光电二极管结构，PN光电二极管结构P型部分在上，N型部分在下并不超过小孔位置，小孔末端相对N型部分的距离为5um～10um，LED发光二极管光通过带纳米小孔的波导传输，再经过小孔出射到样品上，PN光电二极管结构接收带有样品表面信息的散射光。与现有技术相比，结构简单，既没有分立的聚焦透镜又没有分立的PMT光电倍增管，克服了集成扫描近场光学显微镜有源集成探针对准困难，体积大的缺点。
Description
技术领域
本发明涉及一种光学器件，特别涉及一种基于微细加工技术的扫描近场光学显微镜有源集成探针及其制备方法。
背景技术
近年来，随着MEMS技术的迅速发展，各种光学器件也逐渐向微型化和集成化的方向发展。扫描近场光学显微镜（ＳＮＯＭ）是通过光探头探测样品表面倏逝波的超高频信息，可以获得纳米量级的空间分辨率。由于传统的扫描近场光学显微镜有源探针由激光器，光纤，光电探测器等构成，故体积较大，需要对准，所以扫描近场光学显微镜有源集成探针的研究引起了科研人员的注意。对传统的近场光学显微镜而言，光纤探针制备是常见的技术。经文献检索发现，华中师范大学闵永泉提出了一种变温腐蚀制备光纤探针的新方法，获得了35-52度的大锥角光纤探针（见华中师范大学2004年，闵永泉硕士论文）。但他没有进行微型化，所以所需的部件比较多，从而造成各个部件间对准困难，体积较大。另外，从性能上来说，由于光纤和外部目标间的耦合损失大，导致信号很小。
发明内容
本发明是针对光纤式扫描近场光学显微镜探针系统存在光学对准困难，光纤和外部目标间的耦合损失大的问题，提出了一种扫描近场光学显微镜有源集成探针及其制备方法，对现有技术作了进一步改进，省略了现有技术中的光纤、分立的激光器、光电探测器、光学透镜等，使其结构更加简洁，并使其采用微细加工技术来集成扫描近场光学显微镜的有源集成探针，集成扫描近场光学显微镜有源集成探针构造关键部件采用了LED光源，带纳米小孔的波导和PN半导体光电二极管，结构小，易于对准。
本发明的技术方案为：一种扫描近场光学显微镜有源集成探针，从上到下包括LED发光二极管、带纳米小孔的波导和PN光电二极管结构，纳米小孔的波导和PN光电二极管通过微细加工方法构成一体，为悬臂梁结构，波导上的小孔为金字塔探针结构，小孔从波导贯穿并超出下面的PN光电二极管结构，PN光电二极管结构P型部分在上，N型部分在下并不超过小孔位置，小孔末端相对N型部分的距离为5um～10um，LED发光二极管光通过带纳米小孔的波导传输，再经过小孔出射到样品上，PN光电二极管结构接收带有样品表面信息的散射光。
所述探针的制备方法，具体包括如下：
1）在硅片的背面用光刻工艺和湿法刻蚀形成波导悬臂梁，然后在波导悬臂梁上形成PN半导体光电二极管结构；
2）在硅片的正面用光刻工艺和湿法刻蚀形成硅金字塔探针，再经过长时间氧化形成二氧化硅包层的金字塔探针，再用氢氟酸刻蚀二氧化硅形成纳米小孔；
3）波导采用半导体薄膜工艺，制成平面结构的集成光路，形成波导的导光层和波导的包覆层；
4）LED发光二极管用薄膜胶固定在波导上面的一端。
所述在波导悬臂梁上形成PN半导体光电二极管结构方法为：在波导悬臂梁背面分别进行砷离子注入和硼离子注入，构成PN结结构，然后经淬火工艺和SiO2薄膜沉积，最后镀铝形成铝电极。
本发明的有益效果在于：本发明扫描近场光学显微镜有源集成探针及其制备方法，和其它集成扫描近场光学显微镜有源集成探针相比，它既没有分立的聚焦透镜又没有分立的PMT光电倍增管，所以结构简单。解决了集成扫描近场光学显微镜有源集成探针对准困难，体积大的缺点。
附图说明
图1为本发明扫描近场光学显微镜有源集成探针结构示意图。
具体实施方式
如图1所示扫描近场光学显微镜有源集成探针结构示意图，探针包括LED发光二极管1、带纳米小孔的波导2、PN光电二极管结构3，其连接方式为：LED发光二极管1在最上层，中间为带纳米小孔的波导2，下层为PN光电二极管3，通过微细加工方法依次形成纳米小孔的波导2和PN光电二极管3构成了一体结构。LED发光二极管1、带纳米小孔的波导2、PN光电二极管3分别为阵列形式，可采用微细加工技术制备。LED发光二极管1在图中是分开的，LED发光二极管1可以利用薄膜胶固定在波导2上面的一端。
PN光电二极管结构3位于最低层，采用纵向PN结的结构，在硅片的最外层（图1中斜线部分）为光电二极管PN结的P型部分，里层（图中白色部分）为光电二极管PN结的N型部分。
带纳米小孔的波导2和光电二极管结构3共同形成硅悬臂梁探针结构，采用特殊的微细加工工艺形成。具体是首先在硅片的背面用光刻工艺和湿法刻蚀形成波导悬臂梁，然后在波导悬臂梁上形成PN半导体光电二极管结构3；而在硅片的正面用光刻工艺和湿法刻蚀形成硅金字塔探针，再经过长时间氧化形成二氧化硅包层的金字塔探针，再用氢氟酸刻蚀二氧化硅形成纳米小孔。波导2采用半导体薄膜工艺，制成平面结构的集成光路。图中带纳米小孔的波导2也有两层，图中白色层为波导的导光层，黑色层为波导的包覆层。小孔从波导贯穿并超出下面的PN光电二极管结构，PN光电二极管结构P型部分在上，N型部分在下并不超过小孔位置，小孔末端相对N型部分的距离为5um～10um。硅悬臂梁尺寸为1000umX100umX50um，在光波导的下方沿纵轴方向（臂梁方向为横轴方向）集成半导体光电二极管（即PN结）。其制作流程是：在波导悬臂梁背面分别进行砷离子注入和硼离子注入，构成PN结结构，然后经淬火工艺和SiO2薄膜沉积，最后镀铝形成铝电极而完成PN半导体光电二极管的制备。
LED发光二极管1发出的入射光束耦合到带纳米小孔的波导2中，通过带纳米小孔的光波导导光，光从探针的末端的纳米小孔射出，照射到样品4上，然后带有样品表面信息的光散射进入PN半导体光电二极管结构3。
Claims (3)
1.一种扫描近场光学显微镜有源集成探针，其特征在于，从上到下包括LED发光二极管、带纳米小孔的波导和PN光电二极管结构，纳米小孔的波导和PN光电二极管通过微细加工方法构成一体，为悬臂梁结构，波导上的小孔为金字塔探针结构，小孔从波导贯穿并超出下面的PN光电二极管结构，PN光电二极管结构P型部分在上，N型部分在下并不超过小孔位置，小孔末端相对N型部分的距离为5um～10um，LED发光二极管光通过带纳米小孔的波导传输，再经过小孔出射到样品上，PN光电二极管结构接收带有样品表面信息的散射光。
2.根据权利要求1所述探针的制备方法，其特征在于，具体包括如下：
1）在硅片的背面用光刻工艺和湿法刻蚀形成波导悬臂梁，然后在波导悬臂梁上形成PN半导体光电二极管结构；
2）在硅片的正面用光刻工艺和湿法刻蚀形成硅金字塔探针，再经过长时间氧化形成二氧化硅包层的金字塔探针，再用氢氟酸刻蚀二氧化硅形成纳米小孔；
3）波导采用半导体薄膜工艺，制成平面结构的集成光路，形成波导的导光层和波导的包覆层；
4）LED发光二极管用薄膜胶固定在波导上面的一端。
3.根据权利要求2所述的的制备方法，其特征在于，所述在波导悬臂梁上形成PN半导体光电二极管结构方法为：在波导悬臂梁背面分别进行砷离子注入和硼离子注入，构成PN结结构，然后经淬火工艺和SiO2薄膜沉积，最后镀铝形成铝电极。
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