一种纳米薄膜材料厚度和密度不均匀性的测量方法技术

本发明专利技术属于纳米薄膜材料测量相关技术领域，其公开了一种纳米薄膜材料厚度和密度不均匀性的测量方法，方法包括：采用穆勒矩阵椭偏仪测量对应的实际穆勒矩阵和实际退偏度；依据菲涅尔反射理论获取待测样品的幅值比和相位差并将其代入待测样品的理论穆勒矩阵；以理论穆勒矩阵和实际穆勒矩阵拟合偏差最小为目标获取各层的平均复折射率和平均层厚度；分别以平均复折射率和平均层厚度为均值预设各层的厚度和密度概率分布模型并将其加入反射光的斯托克斯向量，进而获取理论退偏度；以理论退偏度曲线和实际退偏度曲线拟合偏差最小为目标获得厚度和密度分布的不均匀性。本申请通过分析薄膜样品的退偏特性，能够准确表征纳米薄膜样品的厚度和密度不均匀性。膜样品的厚度和密度不均匀性。膜样品的厚度和密度不均匀性。

【技术实现步骤摘要】
一种纳米薄膜材料厚度和密度不均匀性的测量方法


[0001]本专利技术属于纳米薄膜材料测量相关
，更具体地，涉及一种纳米薄膜材料厚度和密度不均匀性的测量方法。

技术介绍

[0002]在制备纳米薄膜材料时，鉴于制备工艺存在一定的不稳定性，材料的厚度与密度分布往往是不均匀的，从而所制备纳米薄膜材料具有退偏特性，该退偏特性在穆勒矩阵椭偏测量中以偏振光的退偏度所表现出来。然而，现有的正向光学模型仅考虑了材料厚度不均匀性对偏振光的退偏度的影响，所推导的模型不能准确地拟合样品的退偏度曲线，表明所测样品厚度不均匀性并不是足够准确和真实。因此，为了更准确的评估薄膜材料的加工质量，也为了获得更完善的薄膜材料的厚度与密度分布信息，对材料的厚度和密度不均匀性的椭偏表征方法的建立与完善具有十分重要的研究意义。
[0003]光谱椭偏仪是一种无损、非接触、快速的表征固体材料光学常数的标准测量仪器，常被用于金属、半导体等材料的表征。利用穆勒矩阵椭偏仪测量出样品的穆勒矩阵，其包含丰富的光学信息，尤其是入射完全偏振光在经过样品反射后所产生的退偏度。但椭偏测量方法是一种基于模型的测量方法，直接测得的光学信息不能直观的反映样品的物理状态，更无法反映样品的厚度和密度变化，因此，亟需设计一种纳米薄膜材料厚度和密度不均匀性的测量方法。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种纳米薄膜材料厚度和密度不均匀性的测量方法，通过分析薄膜样品的退偏特性，可以准确测量纳米薄膜样品的厚度和密度不均匀性。r/>[0005]为实现上述目的，按照本专利技术的一个方面，提供了一种纳米薄膜材料厚度和密度不均匀性的测量方法，所述方法包括：S1：采用穆勒矩阵椭偏仪测量待测纳米薄膜材料在探测光预设入射角下不同波长所对应的实际穆勒矩阵；S2：将探测光分解为相互垂直的p光和s光并依据菲涅尔反射理论获取待测纳米薄膜材料的复折射率、层厚度与探测光之间的作用关系，进而获取待测纳米薄膜的幅值比和相位差；S3：将所述幅值比和相位差代入所述待测纳米薄膜材料的理论穆勒矩阵，以获取所述理论穆勒矩阵与所述复折射率和层厚度的关系，其中，所述理论穆勒矩阵中的退偏系数设置为1；S4：以所述理论穆勒矩阵和实际穆勒矩阵拟合偏差最小为目标获得各层的平均复折射率和平均层厚度；S5：分别以所述平均复折射率和平均层厚度为均值预设待测纳米薄膜材料各层的厚度概率分布模型和密度概率分布模型；S6：将所述探测光的反射光的斯托克斯向量中各项元素与样品表面不同位置的厚度概率分布或密度概率分布相乘后加权求和以获得所述待测纳米薄膜材料总的反射光的斯托克斯向量；S7：依据所述总的反射光的斯托克斯向量中的各项元素获取理论退偏度，并基于所述实际穆勒矩阵的元素获取所述待测薄膜材料的实际退偏度；S8：以所述理论退偏
度曲线和实际退偏度曲线拟合偏差最小为目标获得厚度和密度分布的不均匀性。
[0006]优选地，待测纳米薄膜的幅值比ψ和相位差Δ的表达式为：
[0007][0008]其中，r
p
和f
s
分别为p光和s光的复反射系数，由菲涅尔反射理论获得，δ
p
和δ
s
为p光和s光的相移。
[0009]优选地，步骤S4中以所述理论穆勒矩阵和实际穆勒矩阵偏差mse最小为目标的表达式为：
[0010][0011]其中，M
mod
(λ)为理论穆勒矩阵，M
exp
(λ)为实测穆勒矩阵，Q为波长λ的个数。
[0012]优选地，所述厚度概率分布模型和密度概率分布模型相同，为正态分布、泊松分布、二项分布或指数分布中的一种。
[0013]优选地，所述厚度概率分布模型ω(d)和密度概率分布模型ω(ρ)为正态分布，其中：
[0014][0015][0016]其中，μ1为平均层厚度，μ2为平均负折射率，σ1为厚度不均匀性，σ2为密度不均匀性。
[0017]优选地，步骤S6具体为：
[0018]S61：将所述探测光的入射光以斯托克斯向量S
inc
表示：
[0019]S
inc
＝[1，0，1，0]T
[0020]S62：获取不同厚度和密度处反射光的斯克斯向量S
out
：
[0021][0022]其中，s0，s1，s2，S3为不同厚度处和密度处反射光的斯托克斯向量的各个元素，ψ和Δ为幅值比和相位差；
[0023]S63：获取待测纳米薄膜材料总反射光的斯托克斯向量S
total
：
[0024]S
total
＝[S0，S1，S2，S3]T
[0025]其中，其表示总反射光的斯托克斯向量的各个元素。ω(q)为第q个位置处所对应的厚度或密度概率密度，num为样品表面所有离散位置
的个数。
[0026]优选地，步骤S7中依据所述总的反射光的斯托克斯向量中的各项元素来获取理论退偏度，具体为：依据所述总的反射光的斯托克斯向量获取所述待测纳米薄膜材料的退偏系数p，而后获取理论退偏度Dep
mod
(λ)，其中：
[0027][0028]Dep
mod
(λ)＝1
‑
p2。
[0029]优选地，所述实际退偏度Dep
exp
(λ)表达式为：
[0030][0031]其中，m
ij
为实际穆勒矩阵中第i行第j列的元素。
[0032]优选地，步骤S8中以所述理论退偏度曲线和实际退偏度曲线拟合偏差MSE最小为目标具体公式为：
[0033][0034]其中，Dep
mod
(λ)为理论退偏度，Dep
exp
(λ)为实际退偏度，Q为输入波长λ的个数。
[0035]总体而言，通过本专利技术所构思的以上技术方案与现有技术相比，本专利技术提供的一种纳米薄膜材料厚度和密度不均匀性的测量方法具有如下有益效果：
[0036]1.本申请通过实际穆勒矩阵和理论穆勒矩阵获得了平均层厚度以及表征密度的平均复折射率，进而能够以平均层厚度和平均复折射率为均值构建厚度和密度的概率分布模型，进一步通过将厚度和密度概率分布模型加入退偏度表征式以获取厚度和密度分布的不均匀性，进而能够准确完善地测量纳米薄膜材料的厚度和密度不均匀性。
[0037]2.本申请的厚度概率分布模型和密度概率分布模型是多样化的，可以根据实际需要进行选择。
[0038]3.本申请中的方法在分析纳米薄膜样品的退偏特性时，不仅考虑了薄膜样品厚度分布的不均匀性，建立了更完善的厚度分布模型，还考虑了薄膜样品密度分布模型对退偏特性的影响，能够更加准确完善地测量薄膜样品的厚度和密度不均匀性，进而有利于后续该材料加工工艺的确定。
附图说明
[0039]图1是纳米薄膜材料厚度和密度不均匀性的测量方法的步骤图；
[0040]图2是纳米本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种纳米薄膜材料厚度和密度不均匀性的测量方法，其特征在于，所述方法包括：S1：采用穆勒矩阵椭偏仪测量待测纳米薄膜材料在探测光预设入射角下不同波长所对应的实际穆勒矩阵；S2：将探测光分解为相互垂直的p光和s光并依据菲涅尔反射理论获取待测纳米薄膜材料的复折射率、层厚度与探测光之间的作用关系，进而获取待测纳米薄膜的幅值比和相位差；S3：将所述幅值比和相位差代入所述待测纳米薄膜材料的理论穆勒矩阵，以获取所述理论穆勒矩阵与所述复折射率和层厚度的关系，其中，所述理论穆勒矩阵中的退偏系数设置为1；S4：以所述理论穆勒矩阵和实际穆勒矩阵拟合偏差最小为目标获得各层的平均复折射率和平均层厚度；S5：分别以所述平均复折射率和平均层厚度为均值预设待测纳米薄膜材料各层的厚度概率分布模型和密度概率分布模型；S6：将所述探测光的反射光的斯托克斯向量中各项元素与样品表面不同位置的厚度概率分布或密度概率分布相乘加权求和获得所述待测纳米薄膜材料总的反射光的斯托克斯向量；S7：依据所述总的反射光的斯托克斯向量中的各项元素来获取理论退偏度，并基于所述实际穆勒矩阵的元素获取所述待测薄膜材料的实际退偏度；S8：以所述理论退偏度曲线和实际退偏度曲线拟合偏差最小为目标获得厚度和密度分布的不均匀性。2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，待测纳米薄膜的幅值比ψ和相位差Δ的表达式为：其中，r
p
和f
s
分别为p光和s光的复反射系数，由菲涅尔反射理论获得，δ
p
和δ
s
为p光和s光的相移。3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤S4中以所述理论穆勒矩阵和实际穆勒矩阵拟合偏差mse最小为目标的表达式为：其中，M
mod
(λ)为理论穆勒矩阵，M
exp
(λ)为实测穆勒矩阵，Q为波长λ的个数。4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述厚度概率分布模型和密度概率分布模型相同，为正态分布、泊松分布、二项分布或指数分布中的一种。5.根...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘世元，刘佳敏，李磊，江浩，张林，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：