一种磁光薄膜介电常数全张量表征方法技术

本发明专利技术属于硅基光电子领域，具体涉及一种磁光薄膜介电常数全张量表征方法

【技术实现步骤摘要】
一种磁光薄膜介电常数全张量表征方法


[0001]本专利技术属于硅基光电子领域，具体涉及一种磁光薄膜介电常数全张量表征方法，基于转移矩阵法和椭圆偏振仪改装，适用于晶圆级硅基磁光薄膜
。

技术介绍

[0002]硅光电子技术近年来发展迅速，大多数有源器件都能实现晶圆集成，只有基于非互易原理的光子器件，诸如光环形器和光隔离器等仍是需要开发的离散器件
。
磁光材料因其特殊地不对称的介电常数张量，是实现非互易的三种方法之一
。
因此，磁光薄膜的大面积晶圆集成是目前硅基光电子研究的热门方向
。
[0003]目前，对于磁光薄膜的表征，重点关注其法拉第旋转角
、
损耗等性能参数，对于其结构参数介电常数张量研究较少，且目前没有办法直接地完整地表征晶圆级磁光薄膜介电常数全张量的所有元
。
介电常数张量能一定程度反应磁光薄膜的性能，其对角线元的虚部与薄膜损耗大小相关，非对角线元的实部与薄膜法拉第旋转角相关
。
其中，介电常数张量的对角线元可以通过光学常数
n、k
计算，但是非对角线元目前只能通过测量法拉第旋角和椭圆率间接计算得到
。
因此，迫切需要找到一种直接地
、
完整地介电常数全张量表征方法
。
[0004]此外，为更加符合大规模工业生产的要求，在不破坏晶圆薄膜的前提下进行完整的晶圆表征也是研究重点
。
而上述法拉第旋角和损耗等性能参数因测试设备的限制，只能在小面积样品上表征，如果测量晶圆级样品则需要进行切样处理，会对晶圆薄膜造成破坏
。
因此，迫切需要找到一种实现晶圆级薄膜无损表征的方法或设备
。

技术实现思路

[0005]针对上述存在的问题或不足，为解决现有磁光薄膜无法直接
、
完整的实现介电常数全张量表征
、
以及不能无损适用于晶圆级磁光薄膜表征的问题，本专利技术提供了一种磁光薄膜介电常数全张量表征方法，基于转移矩阵法和椭圆偏振仪改装，适用于晶圆级磁光薄膜
。
在椭圆偏振仪上设计施加磁场装置，在正负磁场方向下对磁光薄膜进行晶圆椭偏光谱扫描，测量得到每一处磁光薄膜的椭偏参数振幅比
Psi(
Ψ
)、
相位差
Delta(
Δ
)
和4×
4Mueller
矩阵，拟合椭偏参数得到介电张量对角线元，转移矩阵法参数反演差分
Mueller
矩阵得到介电常数张量的非对角线元，实现晶圆级磁光薄膜的介电张量表征
。
[0006]一种磁光薄膜介电常数全张量表征方法，具体流程如下：
[0007]步骤
1、
将待测磁光薄膜置于椭圆偏振仪中，且施加磁场方向与椭圆偏振仪探测光的传播路径所在平面垂直的磁场，磁场磁力线平行于待测磁光薄膜表面，磁场大小足够使磁光薄膜饱和磁化
。
[0008]步骤
2、
在椭圆偏振仪中设置测量点位置与扫描路径，改变磁场方向，测量磁光薄膜各点处在正磁场
、
负磁场以及无磁场下硅基磁光薄膜的
Psi、Delta
和
Mueller
矩阵
。
[0009]步骤
3、
在椭圆偏振仪分析软件中建立结构模型和
Tauc
‑
Lorentz
色散模型，拟合各个测量点无磁场条件下的椭偏参数
Psi
和
Delta
，得到磁光薄膜各点处折射率
n
和消光系数
k
，从而计算得到待测磁光薄膜介电常数张量的对角线元晶圆分布
。
[0010]步骤
4、
将正磁场方向下的
Mueller
矩阵减去负磁场下的
Mueller
矩阵得到差分
Mueller
矩阵
M
’1，根据转移矩阵法参数反演差分
Mueller
矩阵
M
’1，计算得到各测量点处介电常数张量的非对角线元，从而得到磁光薄膜介电常数张量非对角元的晶圆分布
。
[0011]进一步的，所述磁场是通过对椭圆偏振仪进行改装，增加施加磁场装置实现
。
[0012]进一步的，所述磁光薄膜为晶圆级磁光薄膜
。
[0013]进一步的，所述步骤4中具体计算过程为：
[0014]转移矩阵法的基本原理是：对于
Air/
磁光薄膜
/
基底
(
硅
、
氧化硅或氮化硅
)
的磁光薄膜结构来说，当一束线偏振光斜入射到磁光薄膜表面，在垂直于光传播平面的方向施加对向磁场，使磁光薄膜饱和磁化，光会在
Air/
磁光薄膜和磁光薄膜
/
基底的界面上发生反射和折射，为研究整个光学系统反射特性，
Air、
磁光薄膜和基底分别设置一个动态矩阵
D1、D2和
D3。
[0015][0016][0017][0018]其中，
n1和
n3分别是
Air、
基底的折射率，
θ1、
θ2和
θ3分别依次是光在
Air、
磁光薄膜和基底中的传播角度，可根据菲涅尔定律计算得到
。
[0019]设磁光薄膜的介电常数张量
D2中
n
s
＝
N
，
N
为复光学常数
n+ik
，
n
和
k
分别为磁光薄膜的折射率和消光系数，
i
为虚数符号
。
[0020]因为法拉第效应和磁光克尔效应的存在，正负磁场方向下
n
p
不同，所有在正负磁场方向下动态矩阵
D2会有不同的值和
[0021]根据每层的动态矩阵，可得
Air/
磁光薄膜界面的转移矩阵为磁光薄膜
/
基底界面的转移矩阵为
[0022]由于磁光薄膜层具有一定厚度，光在其中传播会有强度衰减，需设置一个传输矩阵
P
，与
s
偏振和
p
偏振下磁光薄膜的传播常数
k
s
和
k
p
以及磁光薄膜层厚度
d
相关，
j
为虚数符号：
[0023][0024]最后，可得到整个磁光薄膜结构光学系统的转移矩阵由转移矩阵可求出薄膜系统对
s
偏和
p
偏的反射率，即
[0025]通过椭圆偏振仪测量，得到4×
4Mueller<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种磁光薄膜介电常数全张量表征方法，其特征在于，具体流程如下：步骤
1、
将待测磁光薄膜置于椭圆偏振仪中，且施加磁场方向与椭圆偏振仪探测光的传播路径所在平面垂直的磁场，磁场磁力线平行于待测磁光薄膜表面，磁场大小足够使磁光薄膜饱和磁化；步骤
2、
在椭圆偏振仪中设置测量点位置与扫描路径，改变磁场方向，测量磁光薄膜各点处在正磁场
、
负磁场以及无磁场下硅基磁光薄膜的
Psi、Delta
和
Mueller
矩阵；步骤
3、
在椭圆偏振仪分析软件中建立结构模型和
Tauc
‑
Lorentz
色散模型，拟合各个测量点无磁场条件下的椭偏参数
Psi
和
Delta
，得到磁光薄膜各点处折射率
n
和消光系数
k
，从而计算得到待测磁光薄膜介电常数张量的对角线元晶圆分布；步骤
4、
将正磁场方向下的
Mueller
矩阵减去负磁场下的
Mueller
矩阵得到差分
Mueller
矩阵
M
’1，根据转移矩阵法参数反演差分
Mueller
矩阵
M
’1，计算得到各测量点处介电常数张量的非对角线元，从而得到待测磁光薄膜介电常数张量非对角元的晶圆分布
。2.
如权利要求1所述磁光薄膜介电常数全张量表征方法，其特征在于：所述磁光薄膜为晶圆级硅基磁光薄膜
。3.
如权利要求1所述磁光薄膜介电常数全张量表征方法，其特征在于，所述步骤4中具体计算过程为：将
Air/
磁光薄膜
/
基底的待测磁光薄膜分别设置一个动态矩阵
D1、D2和
D3：：：其中，
n1和
n3分别是
Air、
基底的折射率，
θ1、
θ2和
θ3分别依次是光在
Air、
磁光薄膜和基底中的传播角度，根据菲涅尔定律计算可得；设磁光薄膜的介电常数张量
D2中
n
s
＝
N
，
N
为复光学常数
n+ik
，
n
和
k
分别为磁光薄膜的折射率和消光系数，
i
为虚数符号；因为法拉第效应和磁...

【专利技术属性】
技术研发人员：毕磊，苏杰军，杨玉聪，杨伟豪，秦俊，
申请(专利权)人：电子科技大学，
类型：发明
国别省市：