[发明专利]一种基于椭偏仪的原位薄膜性质参数实时表征方法

说明书

本发明公开了一种基于椭偏仪的原位薄膜性质参数实时表征方法。本发明的技术方案为：在薄膜生长过程中，实时测量同一性质参数有较大差别薄膜样品的椭偏参数ψ和Δ；通过拟合椭偏参数，获取上述薄膜样品的介电函数图谱；采用插值方法，建立以该性质参数为变量的光学常数函数库；用该光学常数函数库描述待测薄膜的光学性质，构建适于薄膜生长过程监测的在线椭偏拟合模型；使用在线椭偏拟合模型对薄膜生长过程中的椭偏参数进行实时拟合，从而获得生长过程中薄膜性质参数的实时表征与评价。本发明的优点在于为薄膜生长过程中纵向集成结构设计、性能参数实时表征和评价等问题提供解决方案，为复杂异质结制备技术的发展提供新思路。

技术领域

本发明适用于薄膜外延原位实时测量技术领域，具体涉及薄膜生长过程中基于椭偏仪的原位薄膜性质参数实时表征，薄膜性质参数包括厚度、组分以及其他能够对薄膜光学性质产生影响的参数。

背景技术

基于外延薄膜材料制备的红外光电探测器，广泛应用于军事、科研、商业、民用等领域，在侦查、预警、信号探测、通信、宇宙探索等方面发挥着核心作用。未来高科技战争、人工智能、智慧城市等领域的信息探测需求旺盛，从而对多波段、多层、复杂异质结光电薄膜提出了更高的要求。

现阶段薄膜生长的技术难点在于缺乏充分的腔内实时测试数据，实时表征和精准调控特殊结构异质结材料的难度较大。傅里叶红外光谱仪(以下简称红外)、原子力显微镜、X射线衍射仪等离线测试手段得到的薄膜性质反馈具有延时性和生长不可重复性，特别是对材料纵向性质的表征，一般均会采用电子刻蚀或腐蚀等破坏性方法，不仅破坏样品而且结果分析困难。因此，生长过程中薄膜性质参数的原位测量和精确调控对特殊复杂异质结制备技术的发展至关重要。椭偏技术作为一种常用光学测量手段，利用偏振光对样品的高偏振敏感度，测量偏振光与样品相互作用前后偏振态的改变。由于样品的光学性质与其相位空间息息相关，因此该方法具备非接触、高精度、高灵敏度、无损害的特点，能够对由材料组分、厚度、表面粗糙度等改变引起的细微光学性质变化做出探测。本发明结合椭偏技术与薄膜生长技术，通过快速、实时的在线椭偏数据采集，实现薄膜生长过程中性质参数的原位提取表征。在线椭偏原位表征的技术难点在于准确的信号获取和数据处理，椭偏仪的光源和探测器通过透射窗口安装于生长腔体上，信号测量时需尽可能排除或减小由窗口折射、腔体振动、样品架旋转等因素带来的干扰。此外，准确的拟合模型对椭偏数据处理的精度至关重要，应根据待测薄膜的光学性质建立符合薄膜实际物理性质的色散模型，深入优化模型参数，提高系统测试精度。

发明内容

本发明采用在线椭偏方法突破复杂异质结制备过程中缺乏腔内实时测试数据的技术难点，实现薄膜生长过程中性质参数的实时表征和精确控制，本发明的技术方案如下：

本发明公开了一种基于椭偏仪的原位薄膜性质参数实时表征方法，具体步骤为：步骤一，在薄膜生长过程中，采用椭偏仪实时测量同一性质参数有较大差别的薄膜样品，通过探测p光和s光经样品反射前后复反射系数r_p和r_s的比值ρ获得椭偏参数ψ和Δ(ρ＝r_p/r_s＝tanψe^iΔ，Δ＝δ_p-δ_s)；步骤二，通过建立符合薄膜实际物理意义的光学色散模型对上述椭偏参数进行拟合，获取同一性质参数有较大差别薄膜样品的介电函数图谱；步骤三，采用插值方法，建立以该性质参数为变量的光学常数函数库；步骤四，用该光学常数函数库描述待测薄膜的光学性质，构建适于薄膜生长过程监测的在线椭偏拟合模型；步骤五，使用在线椭偏拟合模型对薄膜生长过程中的椭偏参数进行实时拟合，从而获得生长过程中薄膜性质参数的实时表征与评价。

薄膜生长过程中，样品架通常会按照一定的速率旋转以提高制备薄膜的均匀性，所述椭偏仪的信号采集频率需要设置为样品架旋转速率的倍数以提高信号强度，维持测试精度；如果薄膜生长腔体中的样品架位置固定，则无需考虑此因素。