[发明专利]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

说明书

技术领域

本发明涉及基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构的制作及其对光波的调控，可以实现纳米量级间隙的高精度动态检测。

背景技术

纳米量级间隙宽度的传感与探测在半导体制造业、高密度磁存储、超光滑表面的粗糙度检测等领域应用非常广泛。尤其在近场光刻加工，如表面等离子体纳米光刻、扫描探针光刻、接近式X射线光刻等新型纳米加工领域，为了实现较高的分辨力及高加工精度，器件与基底的间距通常要求在亚微米，乃至几十个纳米的量级，且其间隙精度更需控制在几纳米到几十纳米范围内，要让系统实现器件与基底之间如此高的纳米间隙精度控制，以及整个平面内的等间隙调平，这都要求我们对纳米间隙进行高精度的探测。

由于微纳米尺度间隙宽度测量在现代科学与应用领域的重要性，基于不同原理的微小间隙宽度测量方法被不断提出，如基于电容传感间隙宽度测量，基于超声波传感间隙宽度测量方法，基于光学传感间隙宽度测量等。然而，前两种方法虽然可以实现微米、亚毫米量级的间隙宽度传感，但是由于本身分别基于间隙电容和超声波反射时间差随间隙变化的原理，对于极小间隙改变不够灵敏，很难向亚微米，纳米量级拓展。基于光学测量原理的间隙测量方法以其非接触测量、高精度等特点被认为是很有希望实现稳定的微纳米量级间隙宽度测量的有效途径。目前基于光学原理的间隙宽度测量方法主要可以分为两大类，第一类是激光干涉法，1983年，Flanders,D.C.等人采用单色He-Ne光源实现了25-120μm范围的间隙宽度测量，其测试精度达到±0.25％。此后，大量科研工作者通过改进实验系统，利用测试位相平移及光谱干涉等原理极大地拓展了这一测试方法。但是，由于其自身基于传输波干涉的原理限制，这一方法的间隙宽度探测范围理论极限为半波长量级，无法实现小到百纳米以下的间隙宽度测量。第二类是激光衍射成像法，该方法是1999年由麻省理工大学的研究小组提出，在掩模的下表面制作啁啾的西洋跳盘棋结构，通过探测激光入射后不同路径衍射的电磁能量相互干涉得到衍射图样，从而分析得到间隙宽度的大小。该方法可对3μm至400μm的间隙宽度进行直接测量，而对于更小的间隙，如亚微米，纳米间隙宽度，直接测量已不再适用，而须通过间隙扫描，F-P腔标定等多个步骤才能对绝对间隙值进行探测。因此，无论是激光干涉法还是激光衍射成像的方法对微小间隙宽度进行测量，其基本原理都是利用微小间隙对空间传输电磁波的光程进行调制，使得空间的干涉图样发生相应的变化，从而实现对间隙的宽度进行传感、测量。这一原理要求间隙的宽度必须至少达到几百纳米或微米量级才能积累足够的光程差，从而限制了间隙的宽度测量范围，很难拓展到纳米量级。

台湾国立清华大学采用棱镜激发，通过亚微米间隙对长程SP导波共振模式的调节，证实了其在130nm至1100间隙宽度范围内的传感能力，该研究以长程SP导波模式作为调节对象，因而其对更小间隙的探测灵敏度有限；并且其采用的棱镜耦合激发方法及角度扫描传感方式不利于器件的系统集成和高效的实时探测。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：针对传统间隙检测技术测量精度不高，及难以实现纳米量级间隙绝对测量等问题，提出一种基于表面等离子体共振原理，可实现高精度纳米间隙动态检测的结构和方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构，光源输出光经过准直镜、宽带偏振器入射到分束器；经过分束镜的透射光与纳米间隙检测结构及基底相互作用后，反射光回至分束器；经分束器反射并由透镜会聚后入射至光谱探测器，探测器将探测得到的数据传到计算机，经计算机处理得到间隙值，实现纳米间隙的检测。

本发明另外提供一种利用基于表面等离子体共振的高精度纳米间隙检测结构进行检测的方法，包括以下步骤：

步骤一：调整检测装置，使入射光平行入射至分束镜上；

步骤二：调节宽带偏振器，使其输出偏振方向与纳米间隙检测结构中一维金属光栅线条方向垂直；

步骤三：将纳米间隙检测结构、基底、及压电移动台用平面反射镜代替，由平面反射镜反射的光经分束镜、透镜汇聚到光谱探测器，并由计算机记录光谱探测数据作为参考光谱；

步骤四：取下平面反射镜，将纳米间隙检测结构、基底、及压电移动台移回光路中，移动压电移动台使得纳米间隙检测结构与基底之间产生一个纳米量级的间隙，光纳米间隙检测结构、间隙及基底相互作用后部分反射，反射光光经分束镜、透镜汇聚到光谱探测器，并由计算机记录光谱探测数据作为初始探测光谱；

步骤五：计算机将初始探测光谱与参考光谱进行归一化处理，分析处理得到实际间隙值。