[发明专利]一种用于纳米表面形貌在线测量的集成系统

说明书

技术领域

本专利涉及光学、集成光电子学、纳米材料、纳米加工、纳米测量、仪器科学等多学科交叉的前沿研究领域。

背景技术

从Taniguchi最早提出“纳米技术”一词到现在，纳米技术已经走过了几十年的历程，但是目前在纳米技术领域所取得的研究成果基本上都处于实验室阶段，如何把理论研究成果产品化和实现大规模制造的实用产品成为了纳米技术继续向前发展的瓶颈，而纳米测量技术是制约纳米技术发展的关键因素。纳米测量主要包括纳米级精度的尺寸及位移测量和纳米级表面形貌测量。表面形貌是微纳器件失效的主要原因之一，所以研究纳米表面形貌对于提高微纳器件的可靠性和实现其工程应用非常重要。为了提高纳米加工效率和降低成本，实现纳米表面形貌在线测量已经成为纳米测量领域一项迫切的任务和要求。要实现纳米表面形貌的在线测量，测量仪器必须能够连续、快速、准确地在加工过程中获得表面形貌信息。目前可用于微纳表面形貌测量的方法主要包括触针式测量方法、非接触光学测量方法和扫描显微镜。对于在线测量，触针式测量方法最大的问题是测量速度慢，而且要与被测试样接触。非接触光学测量方法包括光切法、散射法、散斑法以及干涉测量方法等。光切法只能用于测量相对粗糙的表面；散射法可用于定性表征而不能用于定量测量；散斑法局限于测量规整表面；干涉法测量容易受环境噪声和振动的影响。也有研究尝试把扫描显微镜用于纳米表面形貌的在线测量，但是实际上只是增加了自动化程度，并没有真正实现在线测量。

比较而言，光学干涉测量方法是实现表面形貌在线测量最具潜力的方法之一，但是光学组件一般成本昂贵，最主要的原因是处理光信号组件的体积大，不像电子组件一样能大规模集成。

发明内容

本发明提出一种用于纳米表面形貌在线测量的集成系统，包括：1)集成光子芯片：集成基于纳米线阵列的可调谐激光器、集成波导型光隔离器、基于表面等离子体的光耦合器和光探测器。2)测量探头：测量探头是直接用于测量纳米表面形貌的部分，包括准直透镜、光栅、物镜和参考镜。3)光学干涉测量系统：通过连接测量探头和集成光子芯片建立光学干涉测量系统，并研制激光器、光隔离器和探测器的控制单元。

具体如下：

一种用于纳米表面形貌在线测量的集成系统，主要包括集成光子芯片和测量探头；集成光子芯片上集成了基于纳米线阵列的可调谐激光器、集成波导型光隔离器、基于表面等离子体光耦合器和光探测器；测量探头由准直透镜、光栅、物镜和参考镜组成；激光器发出的光经过光隔离器和耦合器后从光子芯片输出，经过准直透镜后平行入射到光栅上并发生衍射，然后分别入射到参考镜和经由物镜入射到被测物体表面上；两束光分别由参考镜和被测物体表面反射后在光栅处发生干涉，通过准直透镜再次进入光子芯片，经过耦合器回到探测器，探测器把光信号转换成电信号并输出，对输出信号进行处理得到被测物体表面形貌信息。

进一步，在测量探头中参考镜上安装压电陶瓷驱动器，通过压电陶瓷驱动参考镜(11)每次移动相同的位移，产生相应的相位变化。

进一步，采用相移技术获得绝对相位，并采用Carré算法计算相位值，从而得到被测物体表面形貌信息。

本发明的有益效果是：

本发明的测量系统将具有尺寸小、结构紧凑、集成度高、整体性和灵活性良好等特点，对于实现纳米表面形貌在线测量具有很大的优势。

附图说明

图1集成光学测量系统示意图。

具体实施方式

如图1所示，激光器1发出的光经过光隔离器2和耦合器3后从光子芯片输出，经过准直透镜8后平行入射到光栅9上并发生衍射分为0级光和1级光，然后分别入射到参考镜11和经由物镜10入射到被测物体12表面上。两束光分别由参考镜11和被测物体12表面反射后在光栅9处发生干涉，然后通过准直透镜8再次进入光子芯片，经耦合器3回到探测器4，光信号由探测器4转成电信号并输出，对输出信号进行处理便可得到表面形貌信息。

测量系统主要由光子芯片和测量探头两部分组成，光子芯片集成了基于纳米线阵列的可调谐激光器1、集成波导型光隔离器2、基于表面等离子体的光耦合器3和光探测器4；测量探头组合了准直透镜8、光栅9、物镜10和参考镜11。另外，测量系统还包括激光器1、光耦合器3、光探测器4的控制单元6和数据采集单元5和计算机7。

1）集成光子芯片