CN102679906B - 一种用于纳米表面形貌在线测量的集成*** - Google Patents
一种用于纳米表面形貌在线测量的集成*** Download PDFInfo
- Publication number
- CN102679906B CN102679906B CN201210167843.1A CN201210167843A CN102679906B CN 102679906 B CN102679906 B CN 102679906B CN 201210167843 A CN201210167843 A CN 201210167843A CN 102679906 B CN102679906 B CN 102679906B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- integrated
- reference mirror
- photo
- detector
- grating
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 22
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 claims abstract description 11
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 18
- 238000012876 topography Methods 0.000 claims description 10
- 239000000919 ceramic Substances 0.000 claims description 6
- 230000008878 coupling Effects 0.000 claims description 5
- 238000010168 coupling process Methods 0.000 claims description 5
- 238000005859 coupling reaction Methods 0.000 claims description 5
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 claims description 5
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 238000006073 displacement reaction Methods 0.000 claims description 4
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 239000010703 silicon Substances 0.000 claims description 4
- 239000010409 thin film Substances 0.000 claims description 4
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 3
- 230000008569 process Effects 0.000 claims description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims description 3
- 229910004298 SiO 2 Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000002223 garnet Substances 0.000 claims description 2
- 239000013528 metallic particle Substances 0.000 claims description 2
- 235000012239 silicon dioxide Nutrition 0.000 claims description 2
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims description 2
- XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N Iron Chemical compound [Fe] XEEYBQQBJWHFJM-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 2
- 229910052742 iron Inorganic materials 0.000 claims 1
- 229910052727 yttrium Inorganic materials 0.000 claims 1
- VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N yttrium atom Chemical compound [Y] VWQVUPCCIRVNHF-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 abstract description 17
- 239000000523 sample Substances 0.000 abstract description 5
- 230000008901 benefit Effects 0.000 abstract description 2
- 239000013307 optical fiber Substances 0.000 abstract description 2
- 230000010354 integration Effects 0.000 abstract 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 7
- 238000011160 research Methods 0.000 description 5
- 239000010408 film Substances 0.000 description 4
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 4
- 238000013461 design Methods 0.000 description 3
- 238000011161 development Methods 0.000 description 2
- 230000002452 interceptive effect Effects 0.000 description 2
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 2
- 238000000790 scattering method Methods 0.000 description 2
- XNVGXJNBEPYSHM-UHFFFAOYSA-N [Fe].[Y].[Ce] Chemical compound [Fe].[Y].[Ce] XNVGXJNBEPYSHM-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 238000005305 interferometry Methods 0.000 description 1
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 description 1
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 1
- 230000005693 optoelectronics Effects 0.000 description 1
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 1
- 238000012360 testing method Methods 0.000 description 1
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
一种用于纳米表面形貌在线测量的集成***。该***由集成光子芯片和测量探头两个主要部分组成,光子芯片由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集成产生,而测量探头由准直透镜、光栅、物镜和参考镜组合而成。光子芯片和测量探头通过光纤连接。测量***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。
Description
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***,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***:通过连接测量探头和集成光子芯片建立光学干涉测量***,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***,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***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***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***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***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
光子芯片的研制采用混合集成的方法。首先把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分别集成到单独的“子芯片”上,然后根据各“子芯片”的尺寸和结构特点以及图1中的各器件之间的相互关系设计“母芯片”,最后把不同的“子芯片”集成到“母芯片”上。保证“子芯片”在“母芯片”上的准确定位,并不断调整“子芯片”之间的位置关系,使光子芯片中的光损失达到设计指标。
基于纳米线阵列的可调谐激光器1:包括金属薄膜电极、纳米线、绝缘基底;不同波长纳米线在绝缘基底上依次均匀排列,每根纳米线的两端均覆盖金属薄膜电极形成正负极,金属薄膜电极与绝缘基底接触;在金属薄膜电极上加电压,从而使纳米线两端产生激光。
集成波导型光隔离器2:由硅(Si)基底、硅基底上覆盖的二氧化硅(SiO2)层和SiO2层上溅射生长的铈-钇铁石榴石(CeYIG)磁光薄膜组成。
基于表面等离子体的光耦合器3:包括基底和波导层,而波导层由半导体薄膜及其上的金属颗粒共同组成。
光探测器采用已有技术制备。
2)测量探头
测量探头由准直透镜8、光栅9、物镜10和参考镜11组成。首先加工制备这些光学器件使其能在可见光波段工作,然后把这些光学器件按照干涉测量原理进行布置。测试并确定输入输出关系,计算测量探头的光损失。优化各光学器件的几何关系,使得测量探头的光损耗达到最低,最后把这些光学器件按照调整好的最佳位置组装成为一个整体。
3)光学干涉测量***
光子芯片集成了测量***中的全部光子器件,而测量探头把测量***中所有的光学器件组合为一体,这两部分通过光纤连接就可以建立光学测量***。在测量探头中参考镜11上安装压电陶瓷驱动器,通过压电陶瓷驱动参考镜每次移动相同的位移,产生相应的相位变化。采用相移技术获得绝对相位,并采用Carré算法计算相位值,从而得到表面形貌信息。
Claims (3)
1.一种用于纳米表面形貌在线测量的集成***,其特征在于: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(1)、集成波导型光隔离器(2)、基于表面等离子体光耦合器(3)和光探测器(4);测量探头由准直透镜(8)、光栅(9)、物镜(10)和参考镜(11)组成;激光器(1)发出的光经过光隔离器(2)和光耦合器(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,然后分别入射到参考镜(11)和经由物镜(10)入射到被测物体表面上;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,通过准直透镜(8)再次进入光子芯片,经过耦合器(3)回到探测器(4),探测器(4)把光信号转换成电信号并输出,通过控制单元(6)控制激光器(1)和探测器(4),并通过数据采集单元(5)对输出信号进行采集并输入计算机(7)进行处理得到被测物体表面形貌信息;集成波导型光隔离器(2)由硅基底、硅基底上覆盖的二氧化硅层和SiO2层上溅射生长的铈‐钇铁石榴石磁光薄膜组成;等离子体的光耦合器(3)包括基底和波导层,而波导层由半导体薄膜及其上的金属颗粒共同组成。
2.根据权利要求1所述的***,其特征在于:在测量探头中参考镜(11)上安装压电陶瓷驱动器,通过压电陶瓷驱动参考镜每次移动相同的位移,产生相应的相位变化。
3.根据权利要求2所述的***,其特征在于: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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201210167843.1A CN102679906B (zh) | 2012-05-28 | 2012-05-28 | 一种用于纳米表面形貌在线测量的集成*** |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
CN201210167843.1A CN102679906B (zh) | 2012-05-28 | 2012-05-28 | 一种用于纳米表面形貌在线测量的集成*** |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
CN102679906A CN102679906A (zh) | 2012-09-19 |
CN102679906B true CN102679906B (zh) | 2014-11-05 |
Family
ID=46812197
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
CN201210167843.1A Active CN102679906B (zh) | 2012-05-28 | 2012-05-28 | 一种用于纳米表面形貌在线测量的集成*** |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
CN (1) | CN102679906B (zh) |
Families Citing this family (6)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
CN103017692B (zh) * | 2012-11-27 | 2016-04-06 | 广州计量检测技术研究院 | 复合式校准标样及校准方法 |
CN103575232B (zh) * | 2013-11-13 | 2016-05-04 | 长春理工大学 | 光致变形薄膜反射镜的面形控制及测量装置 |
CN104567658A (zh) * | 2014-12-25 | 2015-04-29 | 北方工业大学 | 一种可发射平行光测量表面三维形貌的激光干涉仪*** |
CN105526883A (zh) * | 2016-01-19 | 2016-04-27 | 西安交通大学 | 一种光纤白光干涉内窥镜三维测量*** |
CN106782645B (zh) * | 2016-12-16 | 2019-10-25 | 宁波大学 | 一种基于相变纳米线的集成型光电存储器件及其测试方法 |
CN110030952B (zh) * | 2019-05-16 | 2020-10-27 | 苏州慧利仪器有限责任公司 | 立式晶棒激光干涉检测设备 |
Family Cites Families (3)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP4843789B2 (ja) * | 2006-08-11 | 2011-12-21 | 国立大学法人富山大学 | レーザスペックルによるナノメートル変位測定方法と装置 |
JP5421677B2 (ja) * | 2009-07-08 | 2014-02-19 | 太陽誘電株式会社 | 光干渉計を用いた変位計測装置 |
CN101852594B (zh) * | 2010-05-10 | 2012-05-23 | 北京理工大学 | 超分辨激光偏振差动共焦成像方法与装置 |
-
2012
- 2012-05-28 CN CN201210167843.1A patent/CN102679906B/zh active Active
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
CN102679906A (zh) | 2012-09-19 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
CN102679906B (zh) | 一种用于纳米表面形貌在线测量的集成*** | |
CN101957246B (zh) | 一种用于微力微位移测量***的集成探测器 | |
CN103322927B (zh) | 一种三自由度外差光栅干涉仪位移测量*** | |
CN106813578B (zh) | 一种二维光栅测量*** | |
US20160334203A1 (en) | Method and Equipment Based on Multi-Core Fiber Bragg Grating Probe for Measuring Structures of a Micro Part | |
CN103292747B (zh) | 一种测量FinFET器件侧墙表面粗糙度的方法及装置 | |
CN102353327A (zh) | 双频激光光栅干涉测量方法及测量*** | |
CN204666496U (zh) | 微悬臂梁热振动信号测量装置 | |
CN106199069B (zh) | 一种高精度双层纳米光栅三轴加速度检测装置 | |
CN101387496B (zh) | 基于集成平面环形微腔与悬臂梁的微位移传感器 | |
WO2007094365A1 (ja) | 測定プローブ、試料表面測定装置、及び試料表面測定方法 | |
CN104613865B (zh) | 高细分高密度光栅干涉仪 | |
CN105674911A (zh) | 非接触式微纳三维测量方法及其装置 | |
CN102507987A (zh) | 一种集成光纤探针型近场光镊与afm测量近场光阱力的方法 | |
CN109470885A (zh) | 一种单片集成光学加速度计 | |
CN102692705B (zh) | 基于moems工艺集成角度传感器的微扫描光栅 | |
Liu et al. | Dual-detection-parameter SPR sensor based on graded index multimode fiber | |
Ge et al. | An optical MEMS pressure sensor based on a phase demodulation method | |
CN103454454A (zh) | 用于双探针原子力显微镜的激光测力*** | |
CN103017670B (zh) | 一种基于受抑全反射的玻璃镀膜质量检测*** | |
CN108120858B (zh) | 自激励自检测探针及其制作方法 | |
CN103968770B (zh) | 一种基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构及方法 | |
CN102927923B (zh) | 一种高精度纳米间距检测装置及检测方法 | |
CN105547158B (zh) | 一种基于超材料红外光谱的纳米位移传感器及其检测方法 | |
CN104655029B (zh) | 一种位相增强型薄膜厚度测量方法和*** |
Legal Events
Date | Code | Title | Description |
---|---|---|---|
C06 | Publication | ||
PB01 | Publication | ||
C10 | Entry into substantive examination | ||
SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
C14 | Grant of patent or utility model | ||
GR01 | Patent grant | ||
TR01 | Transfer of patent right | ||
TR01 | Transfer of patent right |
Effective date of registration: 20240423 Address after: Room 050, F2004, 20th Floor, Building 4-A, Xixian Financial Port, Fengdong New City Energy Jinmao District, Xixian New District, Xi'an City, Shaanxi Province, 710086 Patentee after: Xi'an Mingchuang Zhongce Technology Co.,Ltd. Country or region after: China Address before: 710049 No. 28 West Xianning Road, Shaanxi, Xi'an Patentee before: XI'AN JIAOTONG University Country or region before: China |