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一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，采用器件從上到下依次包括透明基底層、激發(fā)光柵層、超衍射結(jié)構(gòu)材料層和檢測光柵層。其中從透明基底背面入射的照明光通過激發(fā)光柵層激發(fā)出倏逝波級次，超衍射結(jié)構(gòu)材料層可對倏逝波級次進行橫向波矢的空間頻率高通濾波從而形成一個具有特定橫向波矢近場透過率的倏逝波光場，檢測光柵層可將倏逝波級次轉(zhuǎn)換為傳輸波級次傳輸至遠場，最終在遠場可接收到與倏逝波成份一一對應(yīng)的檢測光。該方法將可應(yīng)用于對超衍射結(jié)構(gòu)材料倏逝波光場橫向波矢近場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場探測，實現(xiàn)對倏逝波光場的橫向波矢近場分布及其相應(yīng)波矢能量透過效率的定性分析以及定量檢測。
【專利說明】一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于納米光刻加工技術(shù)及顯微成像領(lǐng)域，涉及一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法。
【背景技術(shù)】
[0002]當(dāng)前，光刻、顯微等光學(xué)系統(tǒng)的特征尺寸成像極限已經(jīng)進入了納米量級(〈〈λ )，而超衍射結(jié)構(gòu)材料因其獨特的倏逝波還原特性而被廣泛關(guān)注并應(yīng)用于克服衍射極限。近年來，研究發(fā)現(xiàn)超衍射結(jié)構(gòu)材料如金屬介質(zhì)多層膜等，具有空間頻率帶通濾波特性，對近場倏逝波進行橫向波矢選擇性透過，實現(xiàn)倏逝波在超衍射結(jié)構(gòu)材料中的縱向傳輸。超衍射結(jié)構(gòu)材料的倏逝波傳輸特性將直接影響到其超衍射能力。由于超衍射結(jié)構(gòu)材料支持傳輸?shù)馁渴挪ň钟蛟诮Y(jié)構(gòu)表面，光場橫向波矢透過率特性能夠反映結(jié)構(gòu)材料的光頻超衍射傳輸特性。因此，如何獲得對倏逝波光場橫向波矢近場透過率的描述，就成為光頻超衍射傳輸特性表征的關(guān)鍵之處?，F(xiàn)有的超衍射結(jié)構(gòu)材料近場透過率傳輸特性檢測技術(shù)方法多為近場檢測如SN0M，通過對條紋狀光場分布的幾何尺寸如周期等的檢測，從而間接獲得倏逝波橫向波矢的近場透過率函數(shù)，但其橫向分辨力受限，對于更小周期的條紋則較難檢測，從而較難獲得對更大的倏逝波波矢的反映。
[0003]為了實現(xiàn)對近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的檢測，已有專利提出采用雙光柵頻譜裁剪，能夠?qū)Τ苌浣Y(jié)構(gòu)材料的倏逝波級次濾波透過并相互干涉，形成產(chǎn)生莫爾條紋被CCD接收從而可驗證其帶通濾波特性。然而該方法僅僅可對某一特定級次進行觀測從而定性分析，無法一一對應(yīng)量化檢測出各個倏逝波級次的透過率。
[0004]如果能夠?qū)⒔鼒龈鱾€倏逝波級次通過光柵轉(zhuǎn)換至傳輸波級次，在遠場用功率計接收檢測，那么將可實現(xiàn)對倏逝波級次的量化分析。因此研究人員提出一種針對具有倏逝波光場橫向波矢透過率傳輸特性函數(shù)的超衍射結(jié)構(gòu)材料所激發(fā)的不同橫向波矢的倏逝波透過率函數(shù)的遠場檢測方法。從透明基底背面入射的照明光通過激發(fā)光柵層激發(fā)出倏逝波級次，超衍射結(jié)構(gòu)材料層可對倏逝波級次進行橫向波矢的空間頻率高通濾波從而形成一個具有特定橫向波矢近場透過率函數(shù)的倏逝波光場，檢測光柵層可將倏逝波級次轉(zhuǎn)換為傳輸波級次傳輸至遠場，最終在遠場可接收到與倏逝波成份一一對應(yīng)的檢測光。該方法將可應(yīng)用于對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場橫向波矢近場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場探測，實現(xiàn)對倏逝波光場的橫向波矢近場分布及其其相應(yīng)波矢能量透過效率的定性分析以及定量檢測。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是:針對納米圖像光刻及顯微成像等領(lǐng)域中，現(xiàn)有的超衍射結(jié)構(gòu)材料近場透過率傳輸特性檢測技術(shù)方法如近場檢測SNOM的橫向分辨力受限，莫爾條紋檢測僅可對某一特定級次進行觀測從而定性分析而較難一一對應(yīng)量化檢測出近場區(qū)域各個倏逝波級次的透過率特性等現(xiàn)狀，我們提出一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，結(jié)構(gòu)從上到下依次包括透明基底層、激發(fā)光柵層、超衍射結(jié)構(gòu)材料層和檢測光柵層，透明基底背面入射的照明光通過激發(fā)光柵層激發(fā)出倏逝波級次，超衍射結(jié)構(gòu)材料層可對倏逝波級次進行橫向波矢的空間頻率高通濾波從而形成一個具有特定橫向波矢近場透過率的倏逝波光場，檢測光柵層可將倏逝波級次轉(zhuǎn)換為傳輸波級次傳輸至遠場，最終在遠場可接收到與倏逝波成份一一對應(yīng)的檢測光。該方法將可應(yīng)用于對超衍射結(jié)構(gòu)材料倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場探測，實現(xiàn)對近場倏逝波的橫向波矢分布及其相應(yīng)波矢能量透過效率的定性分析以及定量檢測。
[0006]本發(fā)明解決其技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是:一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，步驟如下:
[0007]步驟一、構(gòu)建該方法采用的器件，該器件結(jié)構(gòu)特征主要包括:
[0008]透明基底層；
[0009]激發(fā)光柵層:通過照明光作用激發(fā)出具有不同橫向波矢的倏逝波級次；
[0010]超衍射結(jié)構(gòu)材料層:用于對不同橫向波矢的倏逝波進行選擇性透過濾波，從而形成一個具有特定橫向波矢近場透過率的倏逝波光場；
[0011]檢測光柵層:將倏逝波級次轉(zhuǎn)換為傳輸波級次，傳輸至遠場，最終在遠場可接收到與近場倏逝波橫向波矢分量對應(yīng)的傳輸波檢測光；
[0012]步驟二、針對超 衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測步驟為:
[0013](21)預(yù)先分析近場倏逝波不同橫向波矢級次與轉(zhuǎn)換后的遠場傳輸波級次的--
對應(yīng)關(guān)系，計算出各個倏逝波級次轉(zhuǎn)換后的遠場衍射強度關(guān)系；
[0014](22)采用P偏振態(tài)的激光束均勻照明激發(fā)光柵層，其照明方向保持與光柵方向垂直；
[0015](23)改變照明入射角，掃描激發(fā)所得的近場倏逝波波矢一一對應(yīng)主要的遠場衍射光級次角度大小、遠場測量主要級次的歸一化強度，與步驟(21)中的設(shè)計計算值進行比較。
[0016]其中，所述激發(fā)光柵層的光柵周期為可以激發(fā)出特定橫向波矢的倏逝波級次的光柵周期。
[0017]其中，所述激發(fā)光柵層中的納米結(jié)構(gòu)圖形可以是一維或二維圖形，圖形結(jié)構(gòu)可以是周期性的光柵或其它形狀。
[0018]其中，所述激發(fā)光柵層為可以高效激發(fā)特定傳輸波長范圍表面波的材料，包括但不限于金屬Cr、介質(zhì)Ti02。
[0019]其中，所述超衍射結(jié)構(gòu)材料層為具有空間頻率高通濾波特性的結(jié)構(gòu)，其材料結(jié)構(gòu)選取包括但不限于納米量級厚度的金屬和介質(zhì)多層膜。
[0020]其中，所述檢測光柵層的光柵周期，其倒格矢能夠?qū)⑻囟M向波矢的倏逝波級次轉(zhuǎn)換為傳輸波級次，但不與激發(fā)光柵層周期相等。
[0021]其中，所述檢測光柵層中圖形結(jié)構(gòu)可以是一維或二維圖形，圖形線條方向與激發(fā)層納米圖形方向一致。
[0022]其中，所述檢測光柵層中圖形結(jié)構(gòu)，可以為規(guī)則的幾何體的任意面型，包括但不限于光柵結(jié)構(gòu)。
[0023]其中，所述檢測光柵層為可以高效激發(fā)特定傳輸波長范圍表面波的材料，包括但不限于半導(dǎo)體材料Si。
[0024] 針對超衍射結(jié)構(gòu)材料倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，該方法檢測原理如下:
[0025]在中心波長為λ ^、特定照明方向(照明光線中心方向與器件表面法線夾角為Θ)的P偏振態(tài)入射光場下，通過透明基底后均勻照明激發(fā)光柵層，激發(fā)出特定橫向波矢大小的近場倏逝波；然后超衍射結(jié)構(gòu)材料層對該倏逝波光場進行橫向波矢的空間頻率高通濾波從而形成一個具有特定的橫向波矢近場透過率的倏逝波光場；檢測光柵層對濾波后的近場倏逝波光級次轉(zhuǎn)換至傳輸波級次，傳輸至遠場，最終在遠場可接收到與倏逝波成份一一對應(yīng)的檢測光。
[0026]其中遠場傳輸波檢測級次與近場倏逝波級次的波矢對應(yīng)滿足方程①:
[0027]kt = n sin Θ k0±2 π ms/ds±2 π mt/dt ①
[0028]其中ms = 0,1,2,...；mt = 0,1,2,...[0029]方程中kt代表轉(zhuǎn)換后的傳輸級次波矢，n為入射介質(zhì)折射率，Θ為特定照明方向的中心角度，ds代表激發(fā)光柵周期，dt代表檢測光柵周期，ms、mt分別為激發(fā)光柵層和檢測光柵層的激發(fā)的衍射波矢級次。
[0030]從透明基底背面入射的照明光通過激發(fā)光柵層激發(fā)出倏逝波級次，超衍射結(jié)構(gòu)材料層可對倏逝波級次進行橫向波矢的空間頻率高通濾波從而形成一個特定透過的不同橫向波矢的倏逝波場，檢測光柵層可將倏逝波級次轉(zhuǎn)換為傳輸波級次傳輸至遠場，最終在遠場可接收到與倏逝波成份一一對應(yīng)的檢測光。
[0031]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比所具有的優(yōu)點:
[0032](I)實現(xiàn)對近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的定性、定量檢測。對于現(xiàn)有的近場檢測方式，檢測范圍和精度受檢測手段橫向分辨力大小限制，只能采取定性分析而較難進行一一對應(yīng)的量化檢測。而采用本發(fā)明，能夠直接定量遠場檢測近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)。
[0033](2)實現(xiàn)對近場信息的遠場間接檢測。現(xiàn)有的近場檢測方式要求緊貼近場納米量級范圍內(nèi)進行檢測，探針對近場的影響噪聲較難克服，操作不當(dāng)時容易破壞被檢測照明器件的表面結(jié)構(gòu)。而采用本發(fā)明，能夠?qū)⒔鼒龇植加成渲吝h場進行檢測，減小對近場的光場影響。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0034]圖1是發(fā)明的針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法示意圖。
[0035]圖2是實施例1中多層膜OTF曲線以及表面等離子體器件的空間頻譜透過系數(shù)。
[0036]圖3是實施例1中超衍射結(jié)構(gòu)材料倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測仿真結(jié)果。其中圖3(b)是圖3(a)中光場各個空間頻率的歸一化磁場透射振幅。
[0037]圖4是實施例1中掃描入射波矢時+1級次轉(zhuǎn)換后的主要遠場傳輸波級次的衍射效率。[0038]圖5為激發(fā)光柵周期一定時，不同檢測光柵周期(nm)的主要遠場傳輸波級次衍射效率。
[0039]圖1中，I為透明基底層，2為激發(fā)光柵層，3為超衍射結(jié)構(gòu)材料層介質(zhì)層，4為超衍射結(jié)構(gòu)材料層金屬層，5為檢測光柵層，6為入射光。
【具體實施方式】
[0040]下面結(jié)合附圖及【具體實施方式】詳細介紹本發(fā)明。但以下的實施例僅限于解釋本發(fā)明，本發(fā)明的保護范圍應(yīng)包括權(quán)利要求的全部內(nèi)容，而且通過以下實施例對領(lǐng)域的技術(shù)人員即可以實現(xiàn)本發(fā)明權(quán)利要求的全部內(nèi)容。
[0041]實施例1，在激發(fā)層與檢測層均為一維光柵圖形，激發(fā)層線寬lOOnm、周期200nm，檢測層線寬115nm、周期230nm情況下,利用遠場檢測衍光來反映超衍射結(jié)構(gòu)材料倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)。
[0042]超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測如說明書附圖1所示，具體條件是:1為填充激發(fā)層的石英基底；2為激發(fā)層TiO2光柵，TiO2層厚75nm，光柵深度40nm,周期200nm,占空比為0.5 ;3為超衍射結(jié)構(gòu)材料層(介質(zhì)/金屬多層膜)中的介質(zhì)層MgF2,厚度15nm ；4為超衍射結(jié)構(gòu)材料層(MgF2/Al多層膜)中的金屬Al層，厚度15nm ；5為檢測層Si,厚40nm,線寬115nm、周期230nm ；6為中心波長365nm的入射光，入射角度Θ為 28。。
[0043]數(shù)值仿真表明， 超衍射結(jié)構(gòu)材料層MgF2/Al交替多層膜具有較好的增強效果。表面等離子波納米器件產(chǎn)生2.511? Gitl表示真空波矢)的表面波場。對于Si02、Ti02、MgF2、Al的介電常數(shù)分別為2.13,14.91+1.941、l.932,-19.4238+3.6028i。說明書附圖中圖2中的灰色曲線展示了 5對MgF2/Al交替的介質(zhì)金屬多層膜的OTF曲線(圖中匕表示照明場橫向波矢)，顯然多層膜的增強空間頻率窗口為1.51^~31ν而濾波后橫向波矢透過率如圖2中的黑色柱狀圖分布，從圖中可以看到照明場的強度集中在空間頻譜2.511?上，其他橫向波矢的透過率被有效抑制約為照明主要橫向波矢透過率的I/100。
[0044]利用數(shù)值仿真，對上述條件下的利用遠場檢測衍射光來反映超衍射結(jié)構(gòu)材料倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測結(jié)果進行了仿真。Si的介電常數(shù)分別為7.92+21.06i。其仿真成像結(jié)果為說明書附圖中圖3所示，其中圖3(b)是圖3(a)中光場各個空間頻率的歸一化磁場透射振幅，根據(jù)方程I可知，透過率較高的兩個衍射峰均為照明場中主要照明波矢2.51k0的衍射峰級次，與相應(yīng)衍射級次的其他照明場級次相比，其透過率抑制約為1/70，這是因為檢測光柵的激發(fā)效率受到光柵高度影響。
[0045]圖4為掃描入射波矢時+1級次轉(zhuǎn)換后的主要遠場傳輸波級次的衍射效率，此時+1級次橫向波矢范圍在1.83k0~2.551?，其遠場衍射級次的強度變化通帶能夠反映出超衍射結(jié)構(gòu)材料的帶通濾波特性。實際操作中，通過實驗檢測數(shù)據(jù)曲線與該理論曲線對比，即可進行檢測。
[0046]圖5為激發(fā)光柵周期一定時，不同檢測光柵周期的主要遠場傳輸波級次衍射效率?？芍槍μ囟ぐl(fā)光柵周期，檢測光柵需要滿足其倒格矢能夠?qū)①渴挪壌无D(zhuǎn)換為傳輸波級次的條件。
[0047]本發(fā)明未詳細公開的部分屬于本領(lǐng)域的公知技術(shù)。[0048]盡管上面對本發(fā)明說明性的【具體實施方式】進行了描述，以便于本技術(shù)領(lǐng)的技術(shù)人員理解本發(fā)明，但應(yīng)該清楚，本發(fā)明不限于【具體實施方式】的范圍，對本【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來講，只要各種變化在所附的權(quán)利要求限定和確定的本發(fā)明的精神和范圍內(nèi)，這些變化是顯而易見的，一切利用本發(fā)明構(gòu)思的發(fā)明創(chuàng)造均在保護之列。
【權(quán)利要求】
1.一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，其特征在于:該方法包括: 步驟一、構(gòu)建該方法采用的器件，該器件結(jié)構(gòu)特征主要包括: 透明基底層； 激發(fā)光柵層:通過照明光作用激發(fā)出具有不同橫向波矢的倏逝波級次； 超衍射結(jié)構(gòu)材料層:用于對不同橫向波矢的倏逝波進行選擇性透過濾波，從而形成一個具有特定橫向波矢近場透過率的倏逝波光場； 檢測光柵層:將倏逝波級次轉(zhuǎn)換為傳輸波級次，傳輸至遠場，最終在遠場可接收到與近場倏逝波橫向波矢分量 對應(yīng)的傳輸波檢測光； 步驟二、針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的檢測步驟為: (21)預(yù)先分析近場倏逝波不同橫向波矢級次與轉(zhuǎn)換后的遠場傳輸波級次的一一對應(yīng)關(guān)系，計算出各個倏逝波級次轉(zhuǎn)換后的遠場衍射強度關(guān)系； (22)采用P偏振態(tài)的激光束均勻照明激發(fā)光柵層，其照明方向保持與光柵方向垂直； (23)改變照明入射角，掃描激發(fā)所得的近場倏逝波波矢一一對應(yīng)主要的遠場衍射光級次角度大小、遠場測量主要級次的歸一化強度，與步驟(21)中的設(shè)計計算值進行比較。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，其特征在于:所述激發(fā)光柵層的光柵周期為可以激發(fā)出特定橫向波矢的倏逝波級次的光柵周期。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，其特征在于:所述激發(fā)光柵層中的納米結(jié)構(gòu)圖形可以是一維或二維圖形，圖形結(jié)構(gòu)可以是周期性的光柵或其它形狀。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，其特征在于:所述激發(fā)光柵層為可以高效激發(fā)特定傳輸波長范圍表面波的材料，包括但不限于金屬Cr、介質(zhì)Ti02。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，其特征在于:所述超衍射結(jié)構(gòu)材料層為具有空間頻率高通濾波特性的結(jié)構(gòu)，其材料結(jié)構(gòu)選取包括但不限于納米量級厚度的金屬和介質(zhì)多層膜。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，其特征在于:所述檢測光柵層的光柵周期，其倒格矢能夠?qū)⑻囟M向波矢的倏逝波級次轉(zhuǎn)換為傳輸波級次，但不與激發(fā)光柵層周期相等。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，其特征在于:所述檢測光柵層中圖形結(jié)構(gòu)可以是一維或二維圖形，圖形線條方向與激發(fā)層納米圖形方向一致。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，其特征在于:所述檢測光柵層中圖形結(jié)構(gòu)，可以為規(guī)則的幾何體的任意面型，包括但不限于光柵結(jié)構(gòu)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種針對超衍射結(jié)構(gòu)材料近場倏逝波光場透過率傳輸特性函數(shù)的遠場檢測方法，其特征在于:所述檢測光柵層為可以高效激發(fā)特定傳輸波長范圍表面波的材料，包括但不限于半導(dǎo)體材料Si。
【文檔編號】G01N21/59GK103969225SQ201410175832
【公開日】2014年8月6日 申請日期:2014年4月28日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月28日
【發(fā)明者】羅先剛, 趙澤宇, 王長濤, 王彥欽, 姚納, 胡承剛, 蒲明薄, 王炯, 曾波, 馬曉亮 申請人:中國科學(xué)院光電技術(shù)研究所