專利名稱：一種用于納米表面形貌在線測量的集成系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本專利涉及光學(xué)、集成光電子學(xué)、納米材料、納米加工、納米測量、儀器科學(xué)等多學(xué)科交叉的前沿研究領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
從Taniguchi最早提出“納米技木” 一詞到現(xiàn)在，納米技術(shù)已經(jīng)走過了幾十年的歷 程，但是目前在納米技術(shù)領(lǐng)域所取得的研究成果基本上都處于實驗室階段，如何把理論研究成果產(chǎn)品化和實現(xiàn)大規(guī)模制造的實用產(chǎn)品成為了納米技術(shù)繼續(xù)向前發(fā)展的瓶頸，而納米測量技術(shù)是制約納米技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵因素。納米測量主要包括納米級精度的尺寸及位移測量和納米級表面形貌測量。表面形貌是微納器件失效的主要原因之一，所以研究納米表面形貌對于提高微納器件的可靠性和實現(xiàn)其工程應(yīng)用非常重要。為了提高納米加工效率和降低成本，實現(xiàn)納米表面形貌在線測量已經(jīng)成為納米測量領(lǐng)域一項迫切的任務(wù)和要求。要實現(xiàn)納米表面形貌的在線測量，測量儀器必須能夠連續(xù)、快速、準(zhǔn)確地在加工過程中獲得表面形貌信息。目前可用于微納表面形貌測量的方法主要包括觸針式測量方法、非接觸光學(xué)測量方法和掃描顯微鏡。對于在線測量，觸針式測量方法最大的問題是測量速度慢，而且要與被測試樣接觸。非接觸光學(xué)測量方法包括光切法、散射法、散斑法以及干涉測量方法等。光切法只能用于測量相對粗糙的表面；散射法可用于定性表征而不能用于定量測量；散斑法局限于測量規(guī)整表面；干涉法測量容易受環(huán)境噪聲和振動的影響。也有研究嘗試把掃描顯微鏡用于納米表面形貌的在線測量，但是實際上只是增加了自動化程度，并沒有真正實現(xiàn)在線測量。比較而言，光學(xué)干涉測量方法是實現(xiàn)表面形貌在線測量最具潛力的方法之一，但是光學(xué)組件一般成本昂貴，最主要的原因是處理光信號組件的體積大，不像電子組件一祥能大規(guī)模集成。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明提出ー種用于納米表面形貌在線測量的集成系統(tǒng)，包括I)集成光子芯片集成基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器、集成波導(dǎo)型光隔離器、基于表面等離子體的光耦合器和光探測器。2)測量探頭測量探頭是直接用于測量納米表面形貌的部分，包括準(zhǔn)直透鏡、光柵、物鏡和參考鏡。3)光學(xué)干涉測量系統(tǒng)通過連接測量探頭和集成光子芯片建立光學(xué)干涉測量系統(tǒng)，并研制激光器、光隔離器和探測器的控制單元。具體如下ー種用于納米表面形貌在線測量的集成系統(tǒng)，主要包括集成光子芯片和測量探頭；集成光子芯片上集成了基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器、集成波導(dǎo)型光隔離器、基于表面等離子體光耦合器和光探測器；測量探頭由準(zhǔn)直透鏡、光柵、物鏡和參考鏡組成；激光器發(fā)出的光經(jīng)過光隔離器和耦合器后從光子芯片輸出，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡后平行入射到光柵上并發(fā)生衍射，然后分別入射到參考鏡和經(jīng)由物鏡入射到被測物體表面上；兩束光分別由參考鏡和被測物體表面反射后在光柵處發(fā)生干渉，通過準(zhǔn)直透鏡再次進入光子芯片，經(jīng)過耦合器回到探測器，探測器把光信號轉(zhuǎn)換成電信號并輸出，對輸出信號進行處理得到被測物體表面形貌信息。進ー步，在測量探頭中參考鏡上安裝壓電陶瓷驅(qū)動器，通過壓電陶瓷驅(qū)動參考鏡
(11)每次移動相同的位移,產(chǎn)生相應(yīng)的相位變化。進ー步，采用相移技術(shù)獲得絕對相位，并采用Carr6算法計算相位值，從而得到被測物體表面形貌信息。 本發(fā)明的有益效果是本發(fā)明的測量系統(tǒng)將具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、整體性和靈活性良好等特點，對于實現(xiàn)納米表面形貌在線測量具有很大的優(yōu)勢。


圖I集成光學(xué)測量系統(tǒng)示意圖。
具體實施例方式如圖I所示，激光器I發(fā)出的光經(jīng)過光隔離器2和耦合器3后從光子芯片輸出，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡8后平行入射到光柵9上并發(fā)生衍射分為O級光和I級光，然后分別入射到參考鏡11和經(jīng)由物鏡10入射到被測物體12表面上。兩束光分別由參考鏡11和被測物體12表面反射后在光柵9處發(fā)生干渉，然后通過準(zhǔn)直透鏡8再次進入光子芯片，經(jīng)耦合器3回到探測器4，光信號由探測器4轉(zhuǎn)成電信號并輸出，對輸出信號進行處理便可得到表面形貌信
O測量系統(tǒng)主要由光子芯片和測量探頭兩部分組成，光子芯片集成了基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器I、集成波導(dǎo)型光隔離器2、基于表面等離子體的光耦合器3和光探測器4 ;測量探頭組合了準(zhǔn)直透鏡8、光柵9、物鏡10和參考鏡11。另外，測量系統(tǒng)還包括激光器
I、光耦合器3、光探測器4的控制單元6和數(shù)據(jù)采集単元5和計算機7。I)集成光子芯片光子芯片的研制采用混合集成的方法。首先把基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器I、集成波導(dǎo)型光隔離器2、基于表面等離子體的光耦合器3和光探測器4分別集成到単獨的“子芯片”上，然后根據(jù)各“子芯片”的尺寸和結(jié)構(gòu)特點以及圖I中的各器件之間的相互關(guān)系設(shè)計“母芯片”，最后把不同的“子芯片”集成到“母芯片”上。保證“子芯片”在“母芯片”上的準(zhǔn)確定位，并不斷調(diào)整“子芯片”之間的位置關(guān)系，使光子芯片中的光損失達(dá)到設(shè)計指標(biāo)?；诩{米線陣列的可調(diào)諧激光器I :包括金屬薄膜電極、納米線、絕緣基底；不同波長納米線在絕緣基底上依次均勻排列，每根納米線的兩端均覆蓋金屬薄膜電極形成正負(fù)極，金屬薄膜電極與絕緣基底接觸；在金屬薄膜電極上加電壓，從而使納米線兩端產(chǎn)生激光。集成波導(dǎo)型光隔離器2 :由硅(Si)基底、硅基底上覆蓋的ニ氧化硅(SiO2)層和SiO2層上濺射生長的鈰-釔鐵石榴石(CeYIG)磁光薄膜組成?；诒砻娴入x子體的光耦合器3 :包括基底和波導(dǎo)層，而波導(dǎo)層由半導(dǎo)體薄膜及其上的金屬顆粒共同組成。
光探測器采用已有技術(shù)制備。2)測量探頭測量探頭由準(zhǔn)直透鏡8、光柵9、物鏡10和參考鏡11組成。首先加工制備這些光學(xué)器件使其能在可見光波段工作，然后把這些光學(xué)器件按照干涉測量原理進行布置。測試并確定輸入輸出關(guān)系，計算測量探頭的光損失。優(yōu)化各光學(xué)器件的幾何關(guān)系，使得測量探頭的光損耗達(dá)到最低，最后把這些光學(xué)器件按照調(diào)整好的最佳位置組裝成為ー個整體。3)光學(xué)干涉測量系統(tǒng)光子芯片集成了測量系統(tǒng)中的全部光子器件，而測量探頭把測量系統(tǒng)中所有的光學(xué)器件組合為一體，這兩部分通過光纖連接就可以建立光學(xué)測量系統(tǒng)。在測量探頭中參考 鏡11上安裝壓電陶瓷驅(qū)動器，通過壓電陶瓷驅(qū)動參考鏡每次移動相同的位移，產(chǎn)生相應(yīng)的相位變化。采用相移技術(shù)獲得絕對相位，并采用Carr6算法計算相位值，從而得到表面形貌信息。
權(quán)利要求
1.一種用于納米表面形貌在線測量的集成系統(tǒng)，其特征在于主要包括集成光子芯片和測量探頭；集成光子芯片上集成了基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器(I)、集成波導(dǎo)型光隔離器(2)、基于表面等離子體光耦合器(3)和光探測器(4);測量探頭由準(zhǔn)直透鏡(8)、光柵(9)、物鏡(10)和參考鏡(11)組成；激光器(I)發(fā)出的光經(jīng)過光隔離器(2)和光耦合器(3)后從光子芯片輸出，經(jīng)過準(zhǔn)直透鏡(8)后平行入射到光柵(9)上并發(fā)生衍射，然后分別入射到參考鏡(11)和經(jīng)由物鏡(10)入射到被測物體表面上；兩束光分別由參考鏡(11)和被測物體(12)表面反射后在光柵(9)處發(fā)生干涉，通過準(zhǔn)直透鏡(8)再次進入光子芯片，經(jīng)過耦合器(3)回到探測器(4)，探測器(4)把光信號轉(zhuǎn)換成電信號并輸出，通過控制單元(6)控制激光器(I)和探測器(4)，并通過數(shù)據(jù)采集單元(5)對輸出信號進行采集并輸入計算機(7)進行處理得到被測物體表面形貌信息。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的系統(tǒng)，其特征在于在測量探頭中參考鏡(11)上安裝壓電陶 瓷驅(qū)動器，通過壓電陶瓷驅(qū)動參考鏡每次移動相同的位移，產(chǎn)生相應(yīng)的相位變化。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的系統(tǒng)，其特征在于采用相移技術(shù)獲得絕對相位，并采用Carre算法計算相位值，從而得到被測物體表面形貌信息。
全文摘要
一種用于納米表面形貌在線測量的集成系統(tǒng)。該系統(tǒng)由集成光子芯片和測量探頭兩個主要部分組成，光子芯片由基于納米線陣列的可調(diào)諧激光器、集成波導(dǎo)型光隔離器、基于表面等離子體的光耦合器和光探測器集成產(chǎn)生，而測量探頭由準(zhǔn)直透鏡、光柵、物鏡和參考鏡組合而成。光子芯片和測量探頭通過光纖連接。測量系統(tǒng)將具有尺寸小、結(jié)構(gòu)緊湊、集成度高、整體性和靈活性良好等特點，對于實現(xiàn)納米表面形貌在線測量具有很大的優(yōu)勢。
文檔編號G01B11/24GK102679906SQ20121016784
公開日2012年9月19日 申請日期2012年5月28日 優(yōu)先權(quán)日2012年5月28日
發(fā)明者張坤, 李磊, 楊樹明, 胡慶杰, 蔣莊德, 韓楓 申請人:西安交通大學(xué)