CN202710465U - 一种纳米图形化系统及其光响应特性检测装置 - Google Patents

Abstract

一种纳米图形化系统及其光响应特性检测装置，该纳米图形化系统包括电源、控制装置和测量装置，该测量装置包括电子束枪、真空腔、真空系统、样品台和光响应特性检测装置，该光响应特性检测装置包括光发射器、导入光纤、光探测器、CCD成像设备和精密传导光纤，该光发射器通过该精密传导光纤与该导入光纤连接，该光探测器通过该精密传导光纤与该CCD成像设备连接，该导入光纤及该光探测器均对应于该纳米图形化系统的样品台设置于该纳米图形化系统的真空腔内，该导入光纤用于将该光发射器发出的光束导入至该样品台的样品上，该光探测器用于采集该样品的反射光，该光探测器相对于该导入光纤设置以采集该样品的反射光。

Description

一种纳米图形化系统及其光响应特性检测装置

技术领域

本发明涉及一种纳米图形化系统，特别是一种适用于磁电高频特性测量系统中的一种光激发和光探测的纳米图形化系统及其光响应特性检测装置。

背景技术

导入光纤、光纤发射器、光纤探测器、精密球面镜集合光技术、光学CCD照相技术以及光谱分析方法已经广泛应用于各类工程测量技术中，同时也是高精度物理实验研究重要手段。上述光学仪器和光学实验技术方法在研究物质和光的相互作用以及原子分子的结构中是极为重要的研究手段。

基于光学系统，在微米和纳米器件的图形化和测量系统中，需要对微米和纳米图形化器件的各个阶段进行表征。在微米和纳米图形化器件的微加工过程中，可以对微加工过程进行跟踪探测，同时在测量过程中，微米和纳米图形化器件的光学性质也能体现和反映该器件的基本物理属性,这样可以对微米和纳米图形化器件进行实时的原位探测。最重要的是，通过光谱分析的方法对微米和纳米图形化材料或器件进行光激发、光吸收、光发射和光电转换特性等方面的测量研究，有望能发现微米和纳米图形化材料或器件的新效应。

为了解决以上的问题，在专利号为“201120265595.5”，名称为“纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统”的中国实用新型专利中公开了在纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统中，由光纤导入光束，实现对被测纳米材料和器件的光辐照和光激发的方法和装置，但该装置中没有涉及对微米和纳米图形化器件进行光激发、光吸收、光发射和光电转换特性等方面光响应特性测试的具体方法及结构设计。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能在微米和纳米图形化器件的图形化和测量系统中进行表面特征和/或光电特性实时和原位检测的纳米图形化系统及其光响应特性检测装置。

为了实现上述目的，本发明提供了一种纳米图形化系统的光响应特性检测装置，用于纳米图形化系统在微米和纳米图形化器件微加工和探测中，实时和原位探测微米和纳米图形化材料或器件的光响应特性，其中，包括光发射器、导入光纤、光探测器、CCD成像设备和精密传导光纤，所述光发射器通过所述精密传导光纤与所述导入光纤连接，所述光探测器通过所述精密传导光纤与所述CCD成像设备连接，所述导入光纤及所述光探测器均对应于所述纳米图形化系统的样品台设置于所述纳米图形化系统的真空腔内，所述导入光纤用于将所述光发射器发出的光束导入至所述样品台的样品上，所述光探测器用于采集所述样品的反射光，所述光探测器相对于所述导入光纤设置以采集所述样品的反射光。

上述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其中，还包括光谱仪，所述光谱仪通过所述精密传导光纤与所述光探测器连接。

上述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其中，还包括电极探针，所述电极探针通过电极探针臂与电压源或电流源连接，所述电极探针与所述样品分别具有一连接位置和一断开位置，所述电极探针与所述样品在连接位置时组成闭合电路。

上述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其中，所述电极探针臂与所述导入光纤和/或所述光探测器分别通过结合器安装在所述真空腔内，所述结合器用于控制所述导入光纤和/或所述光探测器及所述电极探针臂的运动和定位。

上述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其中，所述结合器包括固定架及安装在所述固定架上的光纤滑轨、驱动电机及传动机构，所述电极探针臂安装在所述固定架上，所述光纤安装在所述光纤滑轨上，所述光纤滑轨通过所述传动机构与所述驱动电机连接。

上述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其中，所述电极探针为四路电极探针，所述四路电极探针的一对探针与所述电压源连接，所述四路电极探针的另一对探针与所述电流源连接。

上述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其中，还包括用于会聚所述样品的反射光的球面镜，所述球面镜设置在所述纳米图形化系统的电子束枪下方且与所述光探测器的距离小于所述球面镜的焦半径，所述球面镜上设置有微米级小孔以保证电子束穿过所述球面镜对所述样品进行微加工和/或成像。

为了更好地实现上述目的，本发明还提供了一种纳米图形化系统，包括电源、控制装置和测量装置，所述控制装置与所述测量装置连接，所述控制装置和所述测量装置分别与所述电源连接，所述测量装置包括电子束枪、真空腔、真空系统、样品台和光响应特性检测装置，所述真空系统与所述真空腔连接，所述电子束枪及样品台均设置在所述真空腔内，所述电子束枪对应于所述样品台设置，其中，所述光响应特性检测装置为上述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置。

上述的纳米图形化系统，其中，所述测量装置还包括宽频信号测试分析装置，所述宽频信号测试分析装置包括信号传输装置，所述信号传输装置对应于所述样品台设置，所述信号传输装置包括高频探针臂和/或低频探针臂、探针臂移动机构和探针，所述高频探针臂和/或低频探针臂与所述探针臂移动机构连接，所述探针安装在所述高频探针臂和/或低频探针臂的前端，所述电极探针臂分别与所述高频探针臂和/或低频探针臂集成于一体。

本发明的技术效果在于：本发明利用开设微米小孔的高精密球面镜、导入光纤、光发射器以及光探测器等构成的光纤探针系统，可以在微米和纳米图形化材料或器件的微加工及测量过程中，对微米和纳米图形化器件进行光电性质方面的探测，特别是能实现对微米和纳米图形化材料或器件进行光激发、光吸收、光发射和光电转换特性等方面的实时和原位检测。本发明具有探测技术的广泛适用性，能扩展用于电子束曝光机(EBL)、扫描电子显微镜(SEM)、扫描隧道显微镜(STM)、磁力原子力显微镜(MFM/AFM))等系统中，具有重要的应用价值。

以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。

附图说明

图1为本发明的纳米图形化系统结构框图；

图2为本发明一实施例的光响应特性检测装置结构示意图；

图3为本发明一实施例的结合器结构示意图；

图4为本发明又一实施例的结合器结构示意图；

图5为本发明另一实施例的光响应特性检测装置结构示意图；

图6为本发明一实施例的光响应特性检测装置原理示意图；

图7为图6的光路示意图；

图8为本发明又一实施例的光响应特性检测装置原理示意图；

图9为图8的光路示意图；

图10为图8的光电探测光路示意图；

图11为图10的工作原理示意图；

图12为本发明又一实施例的光响应特性检测装置原理示意图；

图13为图12的光电探测光路示意图；

图14为图13的工作原理示意图；

图15为一现有技术的纳米图形化系统结构示意图。

其中，附图标记

1电源

2控制装置

3测量装置

31电子束枪

32真空腔

33真空系统

34样品台

35光响应特性检测装置

351光发射器

352导入光纤

353光探测器

354CCD成像设备

355精密传导光纤

356光谱仪

357电极探针

358电极探针臂

359结合器

3591固定架

3592光纤滑轨

3593驱动电机

3594传动机构

350球面镜

3501微米级小孔

36宽频信号测试分析装置

37电压源

38电流源

4样品

A、B、C、D探针

具体实施方式

下面结合附图对本发明的结构原理和工作原理作具体的描述：

参见图1，图1为本发明的纳米图形化系统结构框图。本发明的纳米图形化系统，包括电源1、控制装置2和测量装置3，所述控制装置2与所述测量装置3连接，所述控制装置2和所述测量装置3分别与所述电源1连接，所述测量装置3包括电子束枪31、真空腔32、真空系统33、样品台34和光响应特性检测装置35，所述真空系统33与所述真空腔32连接，所述电子束枪31及样品台34均设置在所述真空腔32内，所述电子束枪31对应于所述样品台34设置，因该纳米图形化系统的其他部分的组成、结构、功能等均为较成熟的现有技术，在此不做赘述，下面仅对本发明的光响应特性检测装置35予以详细说明。

参见图2，图2为本发明一实施例的光响应特性检测装置结构示意图。本发明的纳米图形化系统的光响应特性检测装置35，用于纳米图形化系统在微米和纳米图形化器件微加工和探测中，实时和原位探测微米和纳米图形化材料或器件的光响应特性，包括光发射器351、导入光纤352、光探测器353、CCD成像设备354和精密传导光纤355，所述光发射器351通过所述精密传导光纤355与所述导入光纤352连接，所述光探测器353通过所述精密传导光纤355与所述CCD成像设备354连接，所述导入光纤352及所述光探测器353均对应于所述纳米图形化系统的样品台34设置于所述纳米图形化系统的真空腔32内，所述导入光纤352用于将所述光发射器351发出的光束导入至所述样品台34的样品4上，所述光探测器353用于采集所述样品4的反射光，所述光探测器353相对于所述导入光纤352设置以采集所述样品4的反射光。本实施例中，还可包括光谱仪356，所述光谱仪356通过所述精密传导光纤355与所述光探测器353连接。还包括电极探针357，所述电极探针357通过电极探针臂358与电压源37或电流源38连接，所述电极探针357与所述样品4分别具有一连接位置和一断开位置，所述电极探针357与所述样品4在连接位置时组成闭合电路以完成对样品4的光激发、光吸收、光发射和光电转换特性等方面的检测。

参见图3及图4，图3为本发明一实施例的结合器结构示意图，图4为本发明又一实施例的结合器结构示意图。本实施例中，所述电极探针臂358与所述导入光纤352和/或所述光探测器353分别通过结合器359安装在所述真空腔32内，所述结合器359用于控制所述导入光纤352和/或所述光探测器353及所述电极探针357臂358的运动和定位。电极探针臂358与结合器359可以精确控制导入光纤352和电极探针357的运动和位置，该电极探针臂358外也可设置一套管，位于套管中的电极探针臂358可以自由收缩运动。该结合器359可为图3所示结构，将导入光纤352及电极探针臂358安装在固定架3591内，该导入光纤352及电极探针臂358分别与一动力装置连接以实现位移，或者该固定架3591与一动力装置连接以实现位移。本实施例中，所述结合器359优选包括固定架3591及安装在所述固定架3591上的光纤滑轨3592、驱动电机3593及传动机构3594，参见图4，所述电极探针臂358安装在所述固定架3591上，所述导入光纤352安装在所述光纤滑轨3592上，连接所述光探测器353的精密传导光纤355安装在光纤滑轨3592上，所述光纤滑轨3592通过所述传动机构3594与所述驱动电机3593连接。优选所述电极探针357为四路电极探针357，所述四路电极探针357的一对探针Ａ、Ｂ与所述电压源37连接，所述四路电极探针357的另一对探针Ｃ、Ｄ与所述电流源38连接。

参见图5，图5为本发明另一实施例的光响应特性检测装置结构示意图。在本实施例中，该光响应特性检测装置35还包括用于会聚所述样品4的反射光的球面镜350，该球面镜350为具有高聚光能力的高精度球面镜，所述球面镜350设置在所述纳米图形化系统的电子束枪31下方且与所述光探测器353的距离小于所述球面镜350的焦半径，所述球面镜350上设置有微米级小孔3501以保证电子束穿过所述球面镜350对所述样品4进行微加工和/或成像。本实施例在电子束枪31下安装一个高精密微小的球面镜350，用于汇聚样品4发射或反射的光。球面镜350是反射成像，像可以是倒立、放大的虚像或倒立、缩小的实像。同时，在球面镜350上方开设一个小孔，这样可以保证电子束可以通过球面镜350对样品4进行微加工(如电子曝光)和成像(如电子扫描电镜成像)。所加设的球面镜350并不会影响上述操作。同时，由于开设的小孔较小，不会影响球面镜350聚光后所成的像。这样既可以保证光学系统的操作，同时，又不影响电子束在样品4表面上的直写曝光(EBL)或扫描成像(SEM)的操作。

在球面镜350的下方安装导入光纤352和光探测器353，安装光探测器353的位置与球面镜350的距离必须小于球面镜350的焦半径，由光学原理可知，球面镜350的成像位置在球面镜350的焦半径以内，因此光探测器353的位置不能远离焦半径之外，同时光探测器353的探测表面尺寸优选为1平方厘米，空间最高分辨率优选为1微米，这样在球面镜350进行聚光后，仍然可以分辨样品4的表面。光探测器353在探测到光后，运用精密传导光纤355进行传导，这样被测光由接头入射到光谱仪356内，光谱仪356内的光学平台设计采用交叉式Czerny-Turner分光结构，入射光经反射准直镜准直，平面反射式光栅分光后，将入射光分成按一定波长顺序排列的单色光，再由成像物镜聚焦后，投射到CCD阵列的光敏面上进行检测，以电荷耦合器件(CCD)阵列作为检测器，可进行瞬态采集，并通过计算机实时输出。

光发射器351由输入接口、光源、驱动电路、监控电路、控制电路等构成，其核心是光源及驱动电路。本发明中，要利用光发射器351的光源发出不同频率的单色光。在样品4上方安置导入光纤352，并由电极探针357来固定和操控导入光纤352的空间位置和方向。同时在导入光束的过程中不能引入新的噪音，以保证光束在导入光纤352中的单色性。光发射器351的光源发出单色光后，沿着导入光纤352照射到样品4的表面，并通过球面镜350成像，由光探测器353采集。当导入光纤352和光探测器353可以对样品4某一部分单元器件进行辐照和探测后，前后左右连续移动样品4平台，就可以对整个样品4的器件单元进行光学性质的测量。由光发射器351的光源发出单色光后，照射在实验样品4的表面，通过光探测器353收集后，由精密传导光纤355导入光谱仪356中，通过光谱分析研究微米和纳米图形化材料或器件的光激发、光吸收、光发射和光电转换特性等方面的性质。

下面通过几个具体实施例对本发明的光响应特性检测装置的工作过程予以说明：

实施例1

参见图6及图7，图6为本发明一实施例的光响应特性检测装置原理示意图，图7为图6的光路示意图。首先将导入光纤352移动到样品4的上方，把四英寸的标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件)样品4放在样品台34上，开启光发射器351后，光发射器351的光源发光并由导入光纤352把光束导入，如图7所示，移动导入光纤352，使得样品4的标准硅片或金属片的发射光全部入射到球面镜350内，通过球面镜350聚光，同时，调节光探测器353，采集球面镜350所会聚的光，光探测器353通过光纤与CCD成像设备354连接，然后通过CCD成像设备354照相，观测样品4的标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件)的表面特征。

实施例2

参见图8、图9、图10及图11，图8为本发明又一实施例的光响应特性检测装置原理示意图，图9为图8的光路示意图，图10为图8的光电探测光路示意图，图11为图10的工作原理示意图。调整电极探针臂358与结合器359，使得导入光纤352移动到样品4的上方，把四英寸的标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件样品4)放在样品台34上，开启光发射器351后，光发射器351的光源发光并由导入光纤352把光束导入，如图9，继续调整电极探针臂358与结合器359，使得标准硅片或金属片的发射光全部入射到球面镜350内，通过球面镜350聚光，同时，调节光探测器353，采集球面镜350所会聚的光，光探测器353通过精密传导光纤355与CCD成像设备354连接，然后通过CCD成像设备354照相，观测标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件)的表面特征，完成上述操作后，放入另一个电极探针357，如图10，光探测器353连接好光谱仪356，同时把电极探针357与标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件)接入连接位置，形成闭合电路，如图11，探针A、探针B分别接入电流源38，探针C、探针D分别接入电压源37，这样利用四端电路法测量微米和纳米图型化材料或器件电学性质，开启光发射器351使得其光源发光，光束通过导入光纤352辐照到标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件)上，调节光探测器353与标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件)反射光的波长匹配，通过光谱分析和观测电路中的电流、电压变化，完成标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件)的光电实验，研究标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件)进行光激发、光吸收、光发射和光电转换特性等方面。

实施例3

参见图12－图14，图12为本发明又一实施例的光响应特性检测装置原理示意图，图13为图12的光电探测光路示意图，图14为图13的工作原理示意图。调整电极探针臂358与结合器359，使得导入光纤352移动到样品4的上方，电极探针357位于断开位置，样品4不接入电路，把四英寸的标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件)放在样品台34上，开启光发射器351后，其光源发光并由导入光纤352把光束导入，如图13，继续调整电极探针臂358与结合器359，同时调节另一个电极探针臂358与结合器359，使得标准硅片或金属片的发射光全部入射到光探测器353，光探测器353通过精密传导光纤355与CCD成像设备354连接，然后通过CCD成像设备354照相，观测标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件)的表面特征，完成上述操作后，放入电极探针357，或者当电极探针357已在样品4上时，把电极探针357接入电路中，如图14，探针A、探针B分别接入电流源38，探针C、探针D分别接入电压源37，这样利用四端电路法测量微米和纳米图型化材料或器件电学性质，光探测器353连接好光谱仪356，同时把标准硅片或金属片(微米和纳米图形化材料或器件)接入到电路系统中，开启光发射器352使得其光源发光，光束通过导入光纤352辐照到微米和纳米图型化材料或器件，调节光探测器353与微米和纳米图型化材料或器件反射光的波长匹配，通过光谱分析和观测电路中的电流、电压变化，完成微米和纳米图型化材料或器件的光电实验，研究微米和纳米图型化材料或器件进行的光激发、光吸收、光发射和光电转换特性等方面。

参见图15，图15为一现有技术的纳米图形化系统结构示意图（专利号为“201120265595.5”，名称为“纳米图形化和超宽频电磁特性测量系统”的中国实用新型专利的附图4）。其中，所述测量装置3还可包括宽频信号测试分析装置36，所述宽频信号测试分析装置36包括信号传输装置，所述信号传输装置对应于所述样品台34设置，所述信号传输装置包括高频探针臂和/或低频探针臂、探针臂移动机构和探针，所述高频探针臂和/或低频探针臂与所述探针臂移动机构连接，所述探针安装在所述高频探针臂和/或低频探针臂的前端，所述电极探针臂358分别与所述高频探针臂和/或低频探针臂集成于一体。

与现有技术的光学探测系统相比，本发明的探测系统更加微小，适合用于电子束曝光(EBL)和扫描电子显微镜(SEM)等综合系统中。本发明可以借助扫描电子显微镜(SEM)的辅助成像功能，对微米和纳米图形化器件进行定位、然后实施一些光学性质的检测，包括光激发、光吸收、光发射和光电转换特性等方面的观测和研究。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种纳米图形化系统的光响应特性检测装置，用于纳米图形化系统在微米和纳米图形化器件微加工和探测中，实时和原位探测微米和纳米图形化材料或器件的光响应特性，其特征在于，包括光发射器、导入光纤、光探测器、CCD成像设备和精密传导光纤，所述光发射器通过所述精密传导光纤与所述导入光纤连接，所述光探测器通过所述精密传导光纤与所述CCD成像设备连接，所述导入光纤及所述光探测器均对应于所述纳米图形化系统的样品台设置于所述纳米图形化系统的真空腔内，所述导入光纤用于将所述光发射器发出的光束导入至所述样品台的样品上，所述光探测器用于采集所述样品的反射光，所述光探测器相对于所述导入光纤设置以采集所述样品的反射光。

2.如权利要求1所述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其特征在于，还包括光谱仪，所述光谱仪通过所述精密传导光纤与所述光探测器连接。

3.如权利要求2所述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其特征在于，还包括电极探针，所述电极探针通过电极探针臂与电压源或电流源连接，所述电极探针与所述样品分别具有一连接位置和一断开位置，所述电极探针与所述样品在连接位置时组成闭合电路。

4.如权利要求3所述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其特征在于，所述电极探针臂与所述导入光纤和/或所述光探测器分别通过结合器安装在所述真空腔内，所述结合器用于控制所述导入光纤和/或所述光探测器及所述电极探针臂的运动和定位。

5.如权利要求4所述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其特征在于，所述结合器包括固定架及安装在所述固定架上的光纤滑轨、驱动电机及传动机构，所述电极探针臂安装在所述固定架上，所述导入光纤安装在所述光纤滑轨上，所述光纤滑轨通过所述传动机构与所述驱动电机连接。

6.如权利要求3所述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其特征在于，所述电极探针为四路电极探针，所述四路电极探针的一对探针与所述电压源连接，所述四路电极探针的另一对探针与所述电流源连接。

7.如权利要求1、2、3、4、5或6所述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置，其特征在于，还包括用于会聚所述样品的反射光的球面镜，所述球面镜设置在所述纳米图形化系统的电子束枪下方且与所述光探测器的距离小于所述球面镜的焦半径，所述球面镜上设置有微米级小孔以保证电子束穿过所述球面镜对所述样品进行微加工和/或成像。

8.一种纳米图形化系统，包括电源、控制装置和测量装置，所述控制装置与所述测量装置连接，所述控制装置和所述测量装置分别与所述电源连接，所述测量装置包括电子束枪、真空腔、真空系统、样品台和光响应特性检测装置，所述真空系统与所述真空腔连接，所述电子束枪及样品台均设置在所述真空腔内，所述电子束枪对应于所述样品台设置，其特征在于，所述光响应特性检测装置为上述的权利要求1～7任意一项所述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置。

9.一种纳米图形化系统，包括电源、控制装置和测量装置，所述控制装置与所述测量装置连接，所述控制装置和所述测量装置分别与所述电源连接，所述测量装置包括电子束枪、真空腔、真空系统、样品台和光响应特性检测装置，所述真空系统与所述真空腔连接，所述电子束枪及样品台均设置在所述真空腔内，所述电子束枪对应于所述样品台设置，其特征在于，所述光响应特性检测装置为上述的权利要求7所述的纳米图形化系统的光响应特性检测装置。

10.如权利要求9所述的纳米图形化系统，其特征在于，所述测量装置还包括宽频信号测试分析装置，所述宽频信号测试分析装置包括信号传输装置，所述信号传输装置对应于所述样品台设置，所述信号传输装置包括高频探针臂和/或低频探针臂、探针臂移动机构和探针，所述高频探针臂和/或低频探针臂与所述探针臂移动机构连接，所述探针安装在所述高频探针臂和/或低频探针臂的前端，所述电极探针臂分别与所述高频探针臂和/或低频探针臂集成于一体。

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