专利名称：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I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lOOnm，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IOOnm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IOOnm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Λ Φ = Φ ε-ΦΜ，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Δ Φ = 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O. 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。


图I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。
具体实施例方式如图I所示，激光器I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Λ Φ = Φμ_Φμ，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Δ Φ = 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I :对本发明的原理给予具体分析。由光线追踪方法可知，如图2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Δζ,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Λ Θ，二者有一定的比例关系。
权利要求
1.一种高精度纳米间距检测装置，其特征是，激光器(I)、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PNPS (8)从左到右共轴放置，PNPS (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(I)发出的光线平行入射到透镜(5)和反射镜(7)上；激光器(I)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I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PNPS (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PNPS (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Λ Φ = Φ^-ΦΜ，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PNPS (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Δ Φ = 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。
全文摘要
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。
文档编号G01B11/14GK102927923SQ201210428399
公开日2013年2月13日 申请日期2012年10月31日 优先权日2012年10月31日
发明者鱼卫星, 王二伟, 王成, 孙强 申请人:中国科学院长春光学精密机械与物理研究所