基于光学频率梳的多层结构材料特性测量装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术属于材料特性测量技术领域，公开了一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量方法和装置，方法包括以下步骤：S1、将光学频率梳发出的光分为两束，使其中一束经参考光路后入射至第二分光元件，另一束经测量光路后入射至第二分光元件，经第二分光元件后两束光重合并发生干涉，通过光谱仪接收第一干涉信号；S2、将待测样品放入测量光路，接收第二干涉信号；S3、对第一干涉信号和第二干涉信号分别进行傅里叶变换得到第一傅里叶变换光谱图和第二傅里叶变换光谱图；S4、确定材料层数获取各个峰的展开相位，计算对应的光程差值；S5、计算材料各层厚度及折射率。本发明专利技术可以识别样品层数，同时测量样品的每一层厚度和折射率。

【技术实现步骤摘要】
基于光学频率梳的多层结构材料特性测量装置和方法
本专利技术属于材料特性测量
，具体涉及一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量装置和方法，其可以对多层材料结构进行样品层数识别以及对各层的厚度和折射率测量。
技术介绍
近年来，多层结构材料被广泛应用于制造各种用途的智能设备，如堆叠半导体器件，柔性显示器件，太阳能电池，电子纸，光学滤波器等器件。特别是这些应用中的光学元件，如显示面板和波导，其性能对每个堆叠层的物理厚度和折射率都很敏感。因此，对于多层光学元件，为了达到预期的性能效果，需要对每一层的物理厚度和折射率及其数量进行监测和控制。同时，基于光刻技术的半导体制造过程中最重要的问题是衬底厚度的不均匀性。多层结构的材料的厚度和每层厚度分布的测量有助于降低样品的缺陷率，提高生产能力。通常，材料的厚度和折射率的测量技术分为接触式和非接触式两种。接触式测量法相对较为简单。然而，当使用该方法进行测量时，当探测针头与样品接触时，由于弹性变形，会造成样品表面的损伤，从而降低测量精度。此外，接触式测量法测量速度较慢，存在实时检测样品厚度及其分布情况的实际困难。另一方面，非接触式测量法可以在不造成任何损伤的情况下快速确定样品光学厚度和折射率。在非接触方法中，光学干涉仪是一种良好的无损测量光学厚度和折射率的方法，具有较好的精度和可溯源长度标准的优点。然而，目前使用现有的干涉测量法只能对单层样品的厚度和折射率进行表征，未能进行多层样品的特性表征。因此，需要对现有技术中的多层样品的特性表征方法进行改进。
技术实现思路
本专利技术克服现有技术存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于光学频率梳实现多层结构材料特性测量的装置和方法，以实现对多层结构材料的特性测量，即识别待测样品层数，同时测量待测样品的每一层结构的厚度和折射率。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、将光学频率梳发出的光分为两束，使其中一束经参考光路后入射至第二分光元件，另一束经测量光路后入射至第二分光元件，经第二分光元件后两束光重合并发生干涉后入射至光谱仪，通过光谱仪接收第一干涉信号；S2、将待测样品放入测量光路，通过光谱仪接收第二干涉信号；S3、对第一干涉信号和第二干涉信号分别进行快速傅里叶变换得到第一傅里叶变换光谱图和第二傅里叶变换光谱图；S4、根据第二傅里叶变换光谱图峰数量确定材料层数，同时获取各个峰的展开相位，并根据各个峰的展开相位的斜率计算对应的光程差值；S5、根据各个光程差值，计算材料各层厚度及折射率。所述步骤S3中，材料层数n＝N-1，其中N表示傅里叶变换光谱图中的峰数量。所述步骤S4中，各个峰对应的光程差值的计算公式为：其中，c表示光速，表示展开相位的斜率，其中表示相位，f表示频率。所述的一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量方法，当材料层数n＞1层时，所述步骤S3还包括以下步骤：将待测样品不同部位放入光路中，重复步骤S2和步骤S3，得到样品层数为1,2,……n-1层的部位的第二干涉信号和第二傅里叶变换光谱图。当材料层数为单层时，对应的单层第二傅里叶变换光谱图中，从左到右的光谱峰分别对应的光程差为OPD3(1)，OPD2(1)；单层材料层厚度T1的计算公式为：T1＝OPD1-OPD3(1)+OPD2(1)/2；单层材料折射率N1的计算公式为：N1＝OPD2(1)/2T1；其中OPD1表示第一傅里叶变换光谱图中的光谱峰对应的光程差。当材料层数为两层时，对应的双层第二傅里叶变换光谱图中，从左到右分别对应光程差OPD2(2)，OPD3(2)，OPD2-1(2)；第二层材料厚度T2的计算公式为：T2＝OPD1(2)-OPD3(2)+OPD2(2)/2-T1；第二层材料折射率N2的计算公式为：N2＝(OPD2(2)-2N1T1)/2T2。当材料层数为三层时，对应的三层第二傅里叶变换光谱图中，从左到右分别对应光程差OPD2(3)，OPD3(3)，OPD2-2(3)，OPD2-1(3)；第三层材料的厚度T3的计算公式为：T2＝OPD1(3)-OPD3(3)+OPD2(3)/2-T1-T2；第三层材料折射率N2的计算公式为：N2＝(OPD2(3)-2N1T1-2N2T3)/2T3。本专利技术还提供了一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量装置，用于实现所述的一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量方法，包括：光学频率梳、第一分光元件，第二分光元件、光谱仪和信号处理系统；所述光学频率梳发出的光，经第一分光元件后分为两束，其中一束直接入射至第二分光元件，另一束经待测样品后入射至第二分光元件，经第二分光元件后两束光重合并发生干涉，干涉信号入射至光谱仪，经光谱仪采集数据后传输至信号处理系统；信号处理系统用于对光谱仪的测量对第一干涉信号和第二干涉信号进行分别傅里叶变换得到第一傅里叶变换光谱图和第二傅里叶变换光谱图，根据第二傅里叶变换光谱图峰数量确定材料层数；还用于获取傅里叶变换光谱图中各个峰的展开相位，并根据各个峰的展开相位的斜率计算对应的光程差值；以及用于根据各个光程差值，计算材料各层厚度及折射率。光谱仪使用的是Yokogawa公司，型号为AQ6370D的高精度光谱仪，所述光学频率梳出射的飞秒激光波长为1560nm，脉冲的重复频率为250MHz，精度为10-14。待测样品设置在二维平移台上。本专利技术与现有技术相比具有以下有益效果：本专利技术提出了一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量装置和方法，用于对多层材料结构进行样品层数识别以及每层厚度和折射率测量，本专利技术通过光学频率梳获得干涉信号，实现不同情况下光程差的测量，进而可以进行待测样品的层数识别、厚度计算以及折射率计算，其具有普适性高的优点，可以实现对任意层数的待测样品进行特性表征，测量精度高，同时，测量操作简单，有益于设备集成，可实时测量；这些结果证明，本专利技术将成为实现多层结构材料特性研究的有力工具。附图说明图1为本专利技术实施例提供的一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量装置的结构示意图；图2为本专利技术实施例中测量光束通过待测样品的内部光路图；图3为本专利技术实施例中获得的实验数据图；其中(1)、(4)、(7)、(10)分别为第一干涉信号图和单层、二层、三层样品对应的第二干涉信号图；(2)、(5)、(8)、(11)分别为对应的傅里叶变换光谱图；(3)、(6)、(9)、(12)分别为各个干涉信号的各个峰对应的展开相位图；图1中：1为光学频率梳，2为第一反射镜，3为第二反射镜，4为第一分光元件，5为第三反射镜，6为第四反射镜，7为待测样品，8为二维平移台，9为第二分光元件，10为第一透镜，11为光谱仪，12为信号处理系统，13为显示屏。具体实施方式为使本专利技术实施例的目的、技术本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：/nS1、将光学频率梳（1）发出的光分为两束，使其中一束经参考光路后入射至第二分光元件，另一束经测量光路后入射至第二分光元件，经第二分光元件后两束光重合并发生干涉后入射至光谱仪，通过光谱仪接收第一干涉信号；/nS2、将待测样品放入测量光路，通过光谱仪接收第二干涉信号；/nS3、对第一干涉信号和第二干涉信号分别进行快速傅里叶变换得到第一傅里叶变换光谱图和第二傅里叶变换光谱图；/nS4、根据第二傅里叶变换光谱图峰数量确定材料层数，同时获取各个峰的展开相位，并根据各个峰的展开相位的斜率计算对应的光程差值；/nS5、根据各个光程差值，计算材料各层厚度及折射率。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、将光学频率梳（1）发出的光分为两束，使其中一束经参考光路后入射至第二分光元件，另一束经测量光路后入射至第二分光元件，经第二分光元件后两束光重合并发生干涉后入射至光谱仪，通过光谱仪接收第一干涉信号；
S2、将待测样品放入测量光路，通过光谱仪接收第二干涉信号；
S3、对第一干涉信号和第二干涉信号分别进行快速傅里叶变换得到第一傅里叶变换光谱图和第二傅里叶变换光谱图；
S4、根据第二傅里叶变换光谱图峰数量确定材料层数，同时获取各个峰的展开相位，并根据各个峰的展开相位的斜率计算对应的光程差值；
S5、根据各个光程差值，计算材料各层厚度及折射率。


2.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量方法，其特征在于，所述步骤S3中，材料层数n=N-1，其中N表示傅里叶变换光谱图中的峰数量。


3.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量方法，其特征在于，所述步骤S4中，各个峰对应的光程差值的计算公式为：

；
其中，c表示光速，表示展开相位的斜率，其中φ表示相位，f表示频率。


4.根据权利要求1所述的一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量方法，其特征在于，当材料层数n＞1层时，所述步骤S3还包括以下步骤：
将待测样品不同部位放入光路中，重复步骤S2和步骤S3，得到样品层数为1,2,……n-1层的部位的第二干涉信号和第二傅里叶变换光谱图。


5.根据权利要求4所述的一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量方法，其特征在于，当材料层数为单层时，对应的单层第二傅里叶变换光谱图中，从左到右的光谱峰分别对应的光程差为OPD3(1)，OPD2(1)；
单层材料层厚度T1的计算公式为：T1=OPD1-OPD3(1)+OPD2(1)/2；
单层材料折射率N1的计算公式为：N1=OPD2(1)/2T1；
其中OPD1表示第一傅里叶变换光谱图中的光谱峰对应的光程差。


6.根据权利要求5所述的一种基于光学频率梳的多层结构材料特性测量方法，其特征在于，当材料层数为两层时，对应的双层第二傅里叶变换光谱...

【专利技术属性】
技术研发人员：元晋鹏，汪丽蓉，高薇，
申请(专利权)人：山西大学，
类型：发明
国别省市：山西;14