专利名称：一种平面周期结构的测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及ー种周期结构的測量技术，尤其是涉及ー种平面周期结构的測量装置及測量方法。
背景技术：
现代材料科学的发展在很大程度上依赖于对材料性能和其它成分结构及形貌组织关系的理解。因此，对材料性能的各种测试技术和对材料在微观层次上的表征技木，构成了材料科学的ー个重要组成部分。这使得材料分析成为材料科学的重要研究手段，被广泛应用于研究和解决材料理论和工程实际问题。一般材料结构的表征的基本方法包括化学成分分析、结构測定、形貌观察等。而目前，随着光学微制造、加工技术的快速发展，设计并制备各类亚微米、纳米尺、寸的光电子器件成为当前实验室研究和生产应用的ー个重要方向。由于一般光子器件多通过器型物理结构、形貌来决定ー个器件的相关物理性能，因而此时形貌观察技术即成为了表征器件形貌的ー个重要技术手段。特别的，自1969年美国Bell实验室的Miller首次提出“集成光学”的概念以来，以及光纤通信兴起所提供的契机，使得人们研制出一系列的用于光通信与传感的高性能集成光子器件。并且，自1987年Eli Yablonovitch和SajeevJohn分别首次提出光子晶体(PCs)的概念以来，其被越来越广泛的应用于各类新型光子器件的设计和应用，而光子晶体作为ー类由人工设计和制造的介质常数具有一定周期性分布的结构，由于其可实现无泄漏模损耗传输等优异性能，因此对高密度集成有着非常重要的意义。一般，类似光子晶体这类亚微米周期结构已被广泛的应用于宽带滤光片、亚波长光栅、光子晶体光纤等器件中。目前，測量亚微米周期结构的方法大多采用扫描电子显微镜(SEM, Scanning Electron Microscope)、原子力显微镜(AFM, Atomic Force Microscope)、台阶仪等设备进行直接的形貌表征，但对于一般亚微米周期光栅、平面周期结构等有时往往需要快速、简便、经济的测试制的样品的周期尺寸等简单结构，而一般诸如扫描电子显微镜，一则价格昂贵、使用(测试)成本高；ニ则操作繁琐、测试流程繁杂、需专人操作测试、使用不便，三则有时只需测得结构的周期尺寸用作參考即可，并不一定需要查看完整形貌表征，因此不仅给实际的操作应用带来了不便，而且容易造成不必要的浪费。另ー方面，由于亚微米(数百纳米)周期结构在普通可见光波长附近，故一般的光栅衍射理论已不适用。因此，亟需研究ー种简易、快速的测试多种平面周期结构的实验方法。

发明内容
本发明所要解决的技术问题是提供ー种结构简单、成本低、操作方便快速的平面周期结构的測量装置及測量方法。本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为ー种平面周期结构的測量装置，其特征在于包括激光器、样品架、水平托盘、旋转台、自由旋转圆盘和光束角度測量元件，所述的激光器发出的激光入射到置放于所述的样品架上的样品的待测表面上，所述的样品架固定于所述的水平托盘的顶部，所述的水平托盘的底部设置有用于调整所述的水平托盘的初始位置使所述的激光器发出的激光与所述的样品的待测表面垂直的微调旋钮，所述的水平托盘的底部与所述的旋转台相连接，所述的旋转台用于改变所述的水平托盘的方位，所述的旋转台的上表面上沿圆周设置有游标盘，所述的游标盘的角刻度的精度为“I, ”，所述的自由旋转圆盘与所述的旋转台同轴连接，所述的光束角度测量元件固定于所述的自由旋转圆盘上，所述的光束角度测量元件用于测量衍射光束与所述的样品的待测表面的法线的夹角。所述的激光器米用波长为632. 8nm的He-Ne激光器。所述的光束角度测量元件包括一个钢质圆柱，所述的钢质圆柱的一个端面的中心标记有十字叉丝，且该端面靠近所述的样品架。一种应用上述的测量装置测量平面周期结构的测量方法，其特征在于包括以下步骤 ①开启激光器，并使其预热20分钟左右；②将样品固定于样品架上，然后利用设置于水平托盘的底部的微调旋钮调整水平托盘的初始位置，使激发器发出的激光与样品的待测表面垂直；③调整激光器、样品架及光束角度测量元件在垂直方向上的相对高度位置，使激光器发出的激光、置放于样品架上的样品的中心点及光束角度测量元件的中心点处在同一水平面上；④将水平托盘的底部与旋转台固定连接，然后转动旋转台改变水平托盘的方位，假设此时激光器发出的激光入射到样品的待测表面的入射角为Θ ；⑤转动光束角度测量元件，使其中心正对衍射光束，测量激光器发出的激光入射到样品的待测表面的入射角为Θ时衍射光束与样品的待测表面的法线的夹角φ;⑥根据衍射光束与样品的待测表面的法线的夹角φ推算出样品的周期尺寸。与现有技术相比，本发明的优点在于I)本发明装置利用激光器将其发出的激光入射到置放于样品架上的样品的待测表面上，然后通过固定于自由旋转圆盘上的光束角度测量元件测量衍射光束与样品的待测表面的法线的夹角，这样可根据衍射光束与样品的待测表面的法线的夹角推算出样品的周期尺寸，不仅测得的周期尺寸的精度高，而且快速。2)本发明装置及方法除使用于普通的平面(一维、二维)周期结构外，还适用于点阵形貌相对复杂，诸如平面手征结构的测量，与采用诸如扫描电子显微镜测量相比较，其测量相对误差在5%以内，测量精度高。3)本发明装置仅使用了常用的632. SnmHe-Ne激光器以及以常用的分光计改装后搭建的光束角度测量元件，因此结构简单、成本低，且操作简便、快速，非常适用于平面周期结构的快速测量。


图I为本发明的平面周期结构的测量装置的结构示意图；图2为第一个样品的SEM图3为第二个样品的SEM图；图4为第三个样品的SEM图。
具体实施例方式以下结合附图实施例对本发明作进ー步详细描述。实施例一本发明提出的ー种平面周期结构的測量装置，如图I所示，其包括激光器I、样品架2、水平托盘3、旋转台4、自由旋转圆盘5和光束角度測量元件6，激光器I发出的激光入 射到置放于样品架2上的样品(图中未示出)的待测表面上，激光器I发出的激光通过水平托盘3的中心，样品架2固定于水平托盘3的顶部，水平托盘3的底部设置有三颗用于调整水平托盘3的初始位置使激光器I发出的激光与样品的待测表面垂直的微调旋钮(图中未示出)，水平托盘3的底部与旋转台4相连接，旋转台4用于改变水平托盘3的方位，旋转台4的上表面上沿圆周设置有游标盘(图中未示出)，游标盘的角刻度(图中未示出)的精度为“V ”，自由旋转圆盘5与旋转台4同轴连接，光束角度測量元件6固定于自由旋转圆盘5上，光束角度測量元件6用于测量衍射光束与样品的待测表面的法线的夹角。在此，利用在旋转台4的上表面上沿圆周设置的角刻度，可方便地读取光束角度測量元件6所旋转过的角度，将角刻度的精度设为“P ”，能够使根据测试原理推算实际测量周期精度最小可达O. Inm0在此具体实施例中，激光器I采用波长为632. 8nm的He-Ne激光器。在此，光束角度測量元件6包括ー个钢质圆柱61，钢质圆柱61的一个端面的中心标记有十字叉丝62，且该端面靠近样品架2即面向样品架2。在实际制作该光束角度測量元件6时，还可直接使用现有的分光计的望远镜部件，去除物镜、目镜后在其靠近样品架2的端面附以中心标有十字叉丝的圆形硬纸片。在此具体实施例中，所使用的样品是基于电子束光刻所制备而成的平面周期图案。图2给出了第一个样品的SEM图，其是ー种点阵形貌相对简单的平面周期结构，经扫描电子显微镜测试其周期为509. 7nm ;图3给出了第二个样品的SEM图，其是一种点阵形貌呈风车型的平面手征周期结构，经扫描电子显微镜测试其周期为515. 8nm ;图4给出了第三个样品的SEM图，其是ー种点阵形貌略呈矩形的平面手征结构，经扫描电子显微镜测试其周期为 414. 3nm。实施例ニ 一种应用实施例一所述的测量装置測量平面周期结构的測量方法，其包括以下步骤 ①开启激光器I，并使其预热20分钟左右。②将第一个样品固定于样品架2上，然后利用设置于水平托盘3的底部的微调旋钮调整水平托盘3的初始位置，使激发器I发出的激光与第一个样品的待测表面垂直。③调整激光器、样品架及光束角度測量元件在垂直方向上的相对高度位置，使激光器发出的激光、置放于样品架上的样品的中心点及光束角度測量元件的中心点处在同一水平面上，这样可有效提高測量精度。④将水平托盘3的底部与旋转台4固定连接，然后转动旋转台4改变水平托盘3的方位，使此时激光器I发出的激光入射到第一个样品的待测表面的入射角Θ为20度。⑤转动光束角度测量元件6，使其中心正对衍射光束，测量激光器I发出的激光入射到第一个样品的待测表面的入射角Θ为20度时衍射光束与第一个样品的待测表面的法线的夹角φ为66. 7度。⑥根据衍射光束与第一个样品的待测表面的法线的夹角Φ推算出第一个样品的周期尺寸。由于根据当光束照射在周期结构上时，每个周期单元均会反射部分光束，故而每个周期单元即可作为一个个波前，在不同方向角上产生相消、相长干涉，因此可根据入射角与衍射角推算出周期结构的周期尺寸。⑦按同一方向转动旋转台4改变水平托盘3的方位，使激光器I发出的激光入射到第一个样品的待测表面的入射角Θ分别为39. 3度、60度、80度，在入射角Θ为39. 3度 时，按照步骤⑤的操作过程测得衍射光束与第一个样品的待测表面的法线的夹角φ为39. 3度；在入射角Θ为60度时，按照步骤⑤的操作过程测得衍射光束与第一个样品的待测表面的法线的夹角φ为22. 9度；在入射角Θ为80度时，按照步骤⑤的操作过程测得衍射光束与第一个样品的待测表面的法线的夹角φ为15. 6度。表I列出了扫描电子显微镜与本发明方法测得的样品的周期的相对误差，从表I所列的数据可得出，扫描电子显微镜与本发明方法测得的样品的周期的相对误差小于2%，平均为I. 4%ο表I扫描电子显微镜与本发明方法测得的第一个样品的周期的相对误差
φ!°66.739.322.915.6.....
平均周期/nm
θ °2039.36080
本发明方法测502499.5504.2504.7502.6
得的周期/nm______
与SEM值的误
1.52II1.4
差/%______实施例三本实施例的测量方法与实施例二的测量方法相同，只是将样品换为第二个样品进行测量，其包括以下步骤①开启激光器I，并使其预热20分钟左右。②将第二个样品固定于样品架2上，然后利用设置于水平托盘3的底部的微调旋钮调整水平托盘3的初始位置，使激发器I发出的激光与第二个样品的待测表面垂直。③调整激光器、样品架及光束角度测量元件在垂直方向上的相对高度位置，使激光器发出的激光、置放于样品架上的样品的中心点及光束角度测量元件的中心点处在同一水平面上，这样可有效提高测量精度。④将水平托盘3的底部与旋转台4固定连接，然后转动旋转台4改变水平托盘3的方位，使此时激光器I发出的激光入射到第二个样品的待测表面的入射角Θ为20度。⑤转动光束角度测量元件6，使其中心正对衍射光束，测量激光器I发出的激光入射到第二个样品的待测表面的入射角Θ为20度时衍射光束与第二个样品的待测表面的法线的夹角φ为67度。
⑥根据衍射光束与第二个样品的待测表面的法线的夹角φ推算出第ニ个样品的周期尺寸。⑦按 同一方向转动旋转台4改变水平托盘3的方位，使激光器I发出的激光入射到第二个样品的待测表面的入射角Θ分别为39. 3度、60度、80度，在入射角Θ为39. 3度时，按照步骤⑤的操作过程测得衍射光束与第二个样品的待测表面的法线的夹角φ为39. 3度；在入射角Θ为60度时，按照步骤⑤的操作过程测得衍射光束与第二个样品的待测表面的法线的夹角φ为22. 4度；在入射角Θ为80度时，按照步骤⑤的操作过程测得衍射光束与第二个样品的待测表面的法线的夹角φ为15. I度。表2列出了扫描电子显微镜与本发明方法测得的样品的周期的相对误差，从表2所列的数据可得出，扫描电子显微镜与本发明方法测得的样品的周期的相对误差小于4%，平均为2. 3%。表2扫描电子显微镜与本发明方法测得的第二个样品的周期的相对误差

权利要求
1.一种平面周期结构的测量装置，其特征在于包括激光器、样品架、水平托盘、旋转台、自由旋转圆盘和光束角度测量元件，所述的激光器发出的激光入射到置放于所述的样品架上的样品的待测表面上，所述的样品架固定于所述的水平托盘的顶部，所述的水平托盘的底部设置有用于调整所述的水平托盘的初始位置使所述的激光器发出的激光与所述的样品的待测表面垂直的微调旋钮，所述的水平托盘的底部与所述的旋转台相连接，所述的旋转台用于改变所述的水平托盘的方位，所述的旋转台的上表面上沿圆周设置有游标盘，所述的游标盘的角刻度的精度为“I' ”，所述的自由旋转圆盘与所述的旋转台同轴连接，所述的光束角度测量元件固定于所述的自由旋转圆盘上，所述的光束角度测量元件用于测量衍射光束与所述的样品的待测表面的法线的夹角。
2.根据权利要求I所述的一种平面周期结构的测量装置，其特征在于所述的激光器采用波长为632. 8nm的He-Ne激光器。
3.根据权利要求I或2所述的一种平面周期结构的测量装置，其特征在于所述的光束角度测量元件包括一个钢质圆柱，所述的钢质圆柱的一个端面的中心标记有十字叉丝，且该端面靠近所述的样品架。
4.一种应用权利要求I所述的测量装置测量平面周期结构的测量方法，其特征在于包括以下步骤 ①开启激光器，并使其预热20分钟左右； ②将样品固定于样品架上，然后利用设置于水平托盘的底部的微调旋钮调整水平托盘的初始位置，使激发器发出的激光与样品的待测表面垂直； ③调整激光器、样品架及光束角度测量元件在垂直方向上的相对高度位置，使激光器发出的激光、置放于样品架上的样品的中心点及光束角度测量元件的中心点处在同一水平面上； ④将水平托盘的底部与旋转台固定连接，然后转动旋转台改变水平托盘的方位，假设此时激光器发出的激光入射到样品的待测表面的入射角为e ； ⑤转动光束角度测量元件，使其中心正对衍射光束，测量激光器发出的激光入射到样品的待测表面的入射角为0时衍射光束与样品的待测表面的法线的夹角9; ⑥根据衍射光束与样品的待测表面的法线的夹角9推算出样品的周期尺寸。
全文摘要
本发明公开了一种平面周期结构的测量装置及测量方法，该装置包括激光器、样品架、水平托盘、旋转台、自由旋转圆盘和光束角度测量元件，样品架固定于水平托盘的顶部，水平托盘的底部与旋转台连接，旋转台用于改变水平托盘的方位，旋转台的上表面上沿圆周设置有角刻度，自由旋转圆盘与旋转台同轴连接，光束角度测量元件固定于自由旋转圆盘上，优点在于利用激光器将其发出的激光入射到样品的待测表面上，然后通过光束角度测量元件测量衍射光束与样品的待测表面的法线的夹角，这样可根据衍射光束与样品的待测表面的法线的夹角推算出样品的周期尺寸，不仅测量精度高，而且快速，且由于仅使用了激光器以及光束角度测量元件，因此结构简单、成本低。
文档编号G01B11/00GK102706276SQ20121016813
公开日2012年10月3日 申请日期2012年5月24日 优先权日2012年5月24日
发明者张斌, 潘雪丰, 董建峰, 陶卫东 申请人:宁波大学