CN113281266A - 膜层物质的光谱联用分析方法及其应用 - Google Patents

膜层物质的光谱联用分析方法及其应用 Download PDF

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Abstract

本发明涉及多层膜的光谱分析技术领域，公开一种膜层物质的光学常数和介电常数的测量方法及其应用。该测量方法包括：(1)对膜层物质进行深度剖析光谱测试，得到膜层物质沿厚度方向上的元素组成分布光谱数据；(2)对膜层物质进行椭圆偏振测试，得到膜层物质的椭偏参数；(3)根据所述元素组成分布光谱数据，构建所述膜层物质的层结构和确定各层结构的成分组成，建立所述膜层物质的结构模型；(4)根据菲涅尔公式，将所述膜层物质的结构模型和椭偏参数进行迭代拟合，得到光学常数和介电常数。本发明采用将深度剖析后的输出数据作为椭圆偏振光谱仪的测试输入，快速有效的将传递函数信息作为建模依据，实现各种多层膜结构的光学常数/介电常数获得。

Description

膜层物质的光谱联用分析方法及其应用
技术领域
本发明涉及多层膜的光谱分析技术领域，具体涉及一种膜层物质的光学常数和介电常数的测量方法及其应用。
背景技术
通常椭圆偏振光谱用来分析多层膜系统的光学常数，但需要预先知晓系统的膜层结构(即膜层物质的层结构)，建立物理模型，对椭圆偏振光谱进行反演计算，才能推算出每层膜以及组合后的多层膜的光学常数与介电常数。但是更多情况下，面对的是未知样品，不清楚膜层结构与成分分布信息，导致无法建模或建模拟合失败，也就无法获得光学常数进而进行光学器件设计。
目前，在多层膜系统的光学常数分析过程中，对于已知膜层物质的情况，CN102830068A公开了一种多层膜系统光能分布测量方法，该方法采用光谱椭偏仪和台阶仪分别测量基底及各层膜的折射率、消光系数以及各层膜的厚度，然后构建虚拟的多层膜系统，分别通过等效界面方法计算各个界面上、下的光能分布情况。但是该测量方法需要入射介质-各膜层物质的单层膜-基底这种结构的样品若干，存在几层膜就需要几个单层膜样品，来分别对每一个界面进行测试并拟合，获得入射光无限接近和刚刚跨过某界面时的反射、透射和吸收率，进而获得多层膜结构的光能分布信息。
这种方法需要的样品量较大，每个膜层需要一个单独的单层膜结构样品，来获得单层膜的光谱输入，进而叠加迭代获得多层膜的等效界面结果。该方法除了样品量大导致的测量分析工作量大之外，还存在风险，即虽然膜层物质已知，但组合为多层膜时膜层间存在扩散，成分发生纵向梯度分布或者表面及界面产生缺陷。这些实际问题使得虽然单层膜的光能分布已知，但组合为多层膜的计算结果与实际的多层膜光谱曲线存在偏差，而这种偏差往往不容易修正并消除。
对于未知膜层物质及结构的情况，往往采用试错法，通过引入物理模型减少未知数，将具有物理学参量的模型方程所对应的因变量与自变量的关系曲线与测试的椭偏曲线比对并拟合反演，将具有最小均方根误差(MSE)值的一组物理参量作为拟合值，进而得到此物理模型相对应的色散关系，即光学常数或介电常数曲线。
CN102980748A公开了一种非均匀折射率薄膜光学常数的测量方法，该方法包括以下步骤：对薄膜进行透过率和反射率光谱测量，得到光谱测量数据；对薄膜进行变角度的椭圆偏振测量，得到椭偏参数；将光谱数据和椭偏参数拟合，配合相应的色散关系，使用非均匀模型求解薄膜的光学常数。该方法中，对于透明或弱吸收材料采用Cauchy方程，对于金属采用Drude模型，对于半导体材料采用Gaussian或Lorentz模型。通过光学常数的参数化，大大减少未知数的个数。
但该方法的缺点在于需要对材料的物理性质有一定的了解，错误的选择将导致忽略掉一些光学常数的细微变化，建立的物理模型由于缺少真实的材料信息而导致拟合失败。比如，对于最简单的透明材料，建立了Cauchy模型，但该材料是具有肉眼甚至光谱仪如分光光度计测试的光谱曲线所无法分辨的多层透明材料的组合。如果我们通过某种方法获得膜层结构信息作为输入，那么建模时将建立符合真实情况的多层Cauchy模型，且每层Cauchy模型的多项式因子皆不同，这种与实际材料情况相符的模型才能顺利的获得拟合结果。
如上所述，已有的技术均依据人为认知建立单层膜叠加的等效界面多层膜获取光学分布，或通过引入非均匀折射率的Schroeder模型来进行简单修正，但真实的膜层系统要更加复杂。不知晓膜层结构的真实情况往往导致拟合失败，无法获得多层膜系统的正确光学常数。
发明内容
本发明的目的是为了解决现有技术存在的未知结构多层膜系统的光学常数/介电常数分析问题；或已知多层膜的膜层物质，但实际结构中包含未知的成分梯度分布、界面/表面结构或结构的不均匀变化等情况的多层膜系统的光学常数/介电常数分析的问题，提供一种膜层物质的光学常数和介电常数的测量方法及其应用。
为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种膜层物质的光学常数和介电常数的测量方法，包括：
(1)对膜层物质进行深度剖析光谱测试，得到膜层物质沿厚度方向上的元素组成分布光谱数据；
(2)对膜层物质进行椭圆偏振测试，得到膜层物质的椭偏参数；
(3)根据所述元素组成分布光谱数据，构建所述膜层物质的层结构和确定各层结构的成分组成，建立所述膜层物质的结构模型；
(4)根据菲涅尔公式，将所述膜层物质的结构模型和椭偏参数进行迭代拟合，得到所述膜层物质以及各层的光学常数和介电常数。
优选地，所述进行深度剖析光谱测试的仪器为辉光放电光谱仪。
优选地，步骤(3)中，所述构建的过程包括：
当所述膜层物质为多层膜且含有具有成分梯度分布的功能层时，建立所述功能层的梯度模型；
当所述膜层物质为多层膜且含有元素扩散形成的膜层界面时，建立所述膜层界面的有效介质模型；
当所述膜层物质中存在不均匀层时，将所述不均匀层划分为物质富集层、物质贫瘠层和表面疏松层，并建立物质富集层模型、物质贫瘠层模型和表面疏松层模型。
优选地，步骤(4)还包括：
将所述椭偏参数、所述光学常数和介电常数，进行迭代拟合、反演计算，得到均方误差：
若所述均方误差小于50，则所述迭代拟合结束，并选择均方误差取最小值时，迭代拟合得到的光学常数和介电常数；
若所述均方误差不小于50，则继续进行所述迭代拟合，直至均方误差小于50时迭代拟合结束。
本发明第二方面提供一种所述的测量方法在光学元器件中的应用。
通过上述技术方案，本发明提供了对未知结构膜层的解构方法，将深度剖析光谱获得的膜层物质的层结构信息作为椭圆偏振光谱的建模依据，能够在几十秒至数分钟内实现结果传递，实现快速有效的获得膜层物质的光学常数和介电常数；尤其对于具有复杂结构的膜层物质，如具有渐变结构、成分扩散、表面/界面缺陷、以及存在缓冲层、过渡层等隐藏结构的识别更为有效。同时该方法也可以延伸至对已知结构膜层的研究。
本发明的其他特征和优点在后续说明书的具体实施方式中予以详细说明。
附图说明
图1是本发明的流程图；
图2是本发明实施例1中膜层物质Ⅰ的深度剖析曲线图；
图3是本发明实施例1中膜层物质Ⅰ的椭偏参数曲线；其中，(a)为椭偏参数Ψ随波长的变化曲线，(b)为椭偏参数Δ随波长的变化曲线；
图4是图2转换后的膜层物质的层结构图；
图5是本发明实施例1中膜层物质Ⅰ的光学常数随波长的变化曲线；其中，(a)为折射率随波长的变化曲线；(b)为消光系数随波长的变化曲线；
图6是本发明实施例1中膜层物质Ⅰ的介电常数随波长的变化曲线；其中，(a)为介电常数实部随电子能量的变化曲线；(b)为介电常数虚部随电子能量的变化曲线。
图7是本发明实施例2中膜层物质Ⅱ的深度剖析曲线图；图7中，箭头标示出In、Ga元素存在梯度变化，竖线标示出膜层物质的层结构。
图8是图7转换后的结构模型图。
图9是本发明实施例3中膜层物质Ⅲ的深度剖析曲线。
图10是图9转换后的结构模型图。
图11是本发明实施例3中膜层物质Ⅲ的扫描电镜截面形貌图。
图12是本发明实施例4中膜层物质Ⅳ的深度剖析曲线。
图13是本发明实施例5中膜层物质Ⅴ的深度剖析曲线。
图14是图12转换后的结构模型图。
图15是图13转换后的结构模型图。
具体实施方式
在本文中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本文中具体公开。
传统的多膜层物质的光学常数/介电常数的测试方法为单层膜逐一测试拟合或建模试错法。然而，单层膜逐一测试拟合的方法中，容易忽略多层膜时膜层间存在扩散等情况，从而导致测试值与真实值偏差太大；建模试错法中，错误的模型选择将导致忽略掉一些光学常数的细微变化，建立的物理模型由于缺少真实的材料信息而导致拟合失败。
本发明的发明人发现，将深度剖析光谱仪的输出数据转换后的物理结构模型作为椭圆偏振光谱仪的测试输入，能够快速有效的将传递函数信息作为建模依据，那么建模时将建立符合真实情况的模型，从而获得各种多层膜结构的光学常数/介电常数，为光学组件/器件的光谱设计、最佳光学输出提供快速可靠的解决办法。
本发明第一方面提供一种膜层物质的光学常数和介电常数的测量方法，如图1所示，包括：
(1)对膜层物质进行深度剖析光谱测试，得到膜层物质沿厚度方向上的元素组成分布光谱数据；
(2)对膜层物质进行椭圆偏振测试，得到膜层物质的椭偏参数；
(3)根据所述元素组成分布光谱数据，构建所述膜层物质的层结构和确定各层结构的成分组成，建立所述膜层物质的结构模型；
(4)根据菲涅尔公式，将所述膜层物质的结构模型和椭偏参数进行迭代拟合，得到所述膜层物质以及各层的光学常数(包括折射率n与消光系数k)和介电常数(包括介电常数实部ε1与虚部ε2)。
本发明中，所述椭偏参数是指反射光s分量和p分量的振幅比Ψ和相位差Δ。
本发明中，所述步骤(3)具体为：根据所述元素组成分布光谱数据曲线，识别出膜层物质的由上至下的层结构和各层的成分组成；针对各层的成分组成，相应选择与该组成物质相对应的物理模型，再根据层结构将各层对应的物理模型自上至下进行重新建模，从而得到所述膜层物质的结构模型。其中，与组成物质相对应的物理模型为现有技术；例如，针对本发明，对于透明或弱吸收材料采用Cauchy模型，对于金属采用Drude模型，对于半导体材料采用Gaussian或Lorentz模型。当在膜层内存在某一种或几种元素的梯度变化时，则将其梯度变化处修正为梯度变化层，梯度变化层对应的模型为将原有的均匀模型两膜层元素进行线性或非线性梯度转换。
本发明是将深度剖析光谱的测试数据提取并转换，通过数据处理器将转换后的数据形式作为椭圆偏振光谱的建模输入，实现自动的模型函数传递。所述数据处理器为现有技术，用于将深度剖析光谱的测试数据转换为物理结构，然后将各物理结构对应的物理结构模型作为椭圆偏振光谱的建模输入。椭圆偏振光谱再根据物理结构模型按照菲涅尔公式与椭偏参数进行建模迭代拟合。
本发明的主要发明点在于：将深度剖析光谱仪的输出数据转换后的物理结构模型作为椭圆偏振光谱仪的测试输入。深度剖析光谱仪和椭圆偏振光谱仪的测试过程，以及后续椭圆偏振光谱仪进行的建模迭代拟合均为本领域的现有技术。
本发明中，深度剖析光谱的仪器目的在于快速深度剖析，但是受到元素的检测限限制，无法识别痕量元素，因此含量较少的元素无法探测出。本发明采用深度剖析光谱仪的主要作用在于识别膜层物质的层结构，进而转换为椭偏建模结构，不要求对含量的测定。
本发明的测量方法，适用于任何在平面基材上的单层膜或多层膜，其膜层可以有成分梯度变化或组织结构变化，膜层可以是透明膜也可以是半透明膜或吸收型膜，膜层物质可以是电介质、半导体或金属等任何物质，基体材料可以是玻璃、石英、塑料、金属等，基体及膜层的要求为平面物质，无曲率。本发明是一种普适方法，可广泛应用于各种光学元器件的设计中。
优选地，所述元素组成分布光谱数据中所涉及的元素包含所述膜层物质中原子百分含量≥0.1％的元素。即，本发明要求光谱测试能够检测出所述膜层物质中超微含量的元素，以避免由于超微含量元素检测不出来而导致椭圆偏振测试中的建模错误或建模偏离实际膜层物质的层结构。
优选地，所述光谱测试测得的所述膜层物质中各层结构的厚度≥1nm。即，本发明能够检测出膜层物质中超薄厚度的膜层，使得椭圆偏振测试中的建模更符合实际膜层物质的层结构，建模更准确。
优选地，所述进行深度剖析光谱测试的仪器为辉光放电光谱仪(GDOES)。这不仅因为GDOES具有极其快速的测试分析效率，测试结果曲线不仅反映成分含量随深度的变化信息，更能反映溅射速率随深度的变化。还因为：本发明的发明人发现，对于某些多层膜结构，虽然某一膜层的物质成分均匀，但由于结晶状态不同或结构致密性不同会导致光学常数不同；如果仅从成分的均一性建立均匀膜层物理模型则容易导致拟合失败，而依据溅射速率变化体现的结晶状态不同或结构致密性不同建立非均匀物理模型则实现非常好的拟合效果。因此，本发明优选采用辉光放电光谱仪的输出数据，其能够对椭偏的建模迭代拟合提供更为有效的依据。
本发明中，所述深度剖析的仪器不限于辉光放电光谱仪，还可以为X射线光电子能谱仪(XPS)、二次离子质谱仪(SIMS)、辉光放电质谱仪(GDMS)、X射线能谱仪(EDS)、波谱仪(WPS)和电子探针(EPMA)中的一种。
当所述深度剖析光谱测试使用的仪器为辉光放电光谱仪时，本发明的测量方法具体如下：
1)将膜层物质吸附于辉光放电光谱仪的阳极接口处，抽真空；
接着，通入工艺气体(指作为电离的起辉放电气体)，包括氩气、氧气、氮气、氖气及其混合气体，设置起辉条件(包括功率、气压、脉冲频率、停延时间、溅射时间)，辉光放电光谱仪测试开始，得到膜层物质沿厚度方向上的元素组成分布光谱数据；
测试过程中，膜层物质上产生有溅射侵蚀坑；
2)将步骤1)中测试后的样品解除真空，挪至椭圆偏振光谱仪的样品台，且使样品上的侵蚀坑与椭圆偏振光谱仪的待测区域相邻但不重叠，以避免测试区域距离较远而由于样品不均匀对结果产生影响；
接着抽真空，设置偏振及检偏条件(包括入射角、波长范围、波长间隔)，椭偏测试开始，测试结束后解除真空，得到椭偏参数；
3)将步骤1)得到的元素组成分布光谱数据，通过椭圆偏振光谱仪自动建模或手动建模按膜层物质的层结构来进行模型转换，构建所述膜层物质的层结构和确定各层结构的成分组成，建立所述膜层物质的结构模型，传输给椭圆偏振光谱仪；
4)根据菲涅尔公式，椭圆偏振光谱仪的软件将所述膜层物质的结构模型和椭偏参数进行迭代拟合，从而得到所述膜层物质以及各层的光学常数和介电常数。椭圆偏振光谱仪及其软件例如可以采用，美国J.A.Woollam公司生产的V-VASE自动可变入射角光谱型椭偏仪，其软件名称为WVASE32。
优选地，所述辉光放电光谱仪的深度分辨率≤1nm。本发明对光谱测试仪的深度分辨率进行限定，以实现对膜层物质中超薄厚度的膜层的检测。
优选地，所述辉光放电光谱仪的原子百分含量分辨率≤0.1％。本发明对光谱测试仪的原子百分含量分辨率进行限定，以实现对膜层物质中超微含量元素的检测。
优选地，所述辉光放电光谱仪的阳极直径为2-10mm。本发明对阳极直径进行特殊限定，这是由于阳极直径越大，产生信号越强，但作为区域分析的面积越大，不能作为局域分析；而直径太小，信噪比低，对于含量少的元素检测不利。
更优选地，所述辉光放电光谱仪的阳极直径为4mm。
本发明的发明人发现，已有的专利技术均依据人为认知建立单层膜叠加的等效界面多层膜获取光学分布，或通过引入非均匀折射率的Schroeder模型来进行简单修正，但真实的膜层系统要更加复杂。不知晓膜层物质的层结构的真实情况往往导致拟合失败，无法获得多层膜系统的正确光学常数。
因此，本发明针对膜层物质的层结构的复杂情况进行针对性建模，优选地，步骤(3)中，所述构建的过程包括：
当所述膜层物质为多层膜且含有具有成分梯度分布的功能层时，建立所述功能层的梯度模型；
当所述膜层物质为多层膜且含有元素扩散形成的膜层界面时，建立所述膜层界面的有效介质模型；
当所述膜层物质中存在不均匀层时，将所述不均匀层划分为物质富集层、物质贫瘠层和表面疏松层，并建立物质富集层模型、物质贫瘠层模型和表面疏松层模型。
具体地，所述构建的过程中，以元素的光谱强度曲线的平稳段为该元素的基线，以在光谱强度曲线上根据现有方法划分的界面(例如附图2中的竖线)为膜层界面，在下述情况下时分别建立相应模型：
当一个膜层内，远离膜层界面位置的元素含量与该膜层内该元素基线处的含量之差(该差指绝对值)占该元素基线处含量的百分比≥30％时，则该膜层具有成分梯度分布，那么该膜层对应的物理模型建立为梯度模型(也称线性或非线性梯度模型)；
如果某一种或几种元素的成分分布曲线跨过膜层界面位置，与相邻膜层内元素出现混合，则所述膜层物质含有元素扩散形成的膜层界面，那么将该膜层界面建立为有效介质模型(即将该膜层界面两侧的两个物理模型进行混合而得到一个新的有效介质模型)；
本发明中，以靠近膜层物质上的测试起始位置(即测试深度为0处)为上层，反之为下层。如果同一元素位于膜层界面两侧的两个基线处的含量之差(该差为绝对值)占该膜层界面左侧(即上层膜)的该元素基线处的含量的百分比满足≥20％，则认为在基线处该元素含量较高的一侧为物质富集层，在基线处该元素含量较低的一侧为物质贫瘠层，如富氧层与贫氧层，同时在物质富集层的临近上层建立表面疏松层。
本发明的发明人发现，采用上述针对性建模，能够弥补现有技术中因膜层成分分布变化或界面/表面状态变化导致的建模拟合失败情况，能快速有效地解决多层膜光学建模过程，获得正确可靠的多层膜系统光学常数或介电常数。具体地，例如：
A、对于铜铟镓硒(CIGS)太阳能电池多层膜中的CIGS层，因使用三步法使得Ga元素在CIGS层中存在先降低后升高的梯度分布。其中，三步法工艺是目前制备高效率CIGS太阳电池最有效的工艺，通过先蒸发沉积无铜预制层，再升高衬底温度沉积Cu、Se，最后保持衬底温度沉积In、Ga、Se来实现，为现有技术。
如果采用常规方法建立单一CIGS模型，则无法拟合成功。
当采用本发明的方法，依据辉光放电光谱反映的Ga梯度信息建立相应的多分布梯度模型——复杂梯度模型，能有效解决模型拟合问题，获得多层膜系统的光学常数。
B、对于不锈钢基体上沉积Mo背电极层，在一定工艺条件下，不锈钢基体中的Cr会扩散至Mo背电极层中，影响背电极的电阻率。
如果采用常规方法建立不锈钢基体上的Mo模型，则无法拟合成功。
当采用本发明的方法，依据辉光放电光谱反映的Cr扩散信息，在界面处建立有效介质模型——EMA模型，将有效解决模型拟合问题，获得多层膜系统的光学常数。
C、对于玻璃基体上沉积的透明导电膜(TCO)，因工艺过程中系统自由能最低的驱动下，导致表面的氧浓度高于内部，且表面存在一定的孔隙率。
如果采用常规方法建立玻璃基体上TCO的物理模型，则无法拟合成功，尤其对于TCO膜厚较大的情况。
当采用本发明的方法，依据辉光放电光谱反映的表面氧浓度变化，建立相应的富氧介质层、贫氧介质层与表面疏松层，则能够有效解决模型拟合问题，获得多层膜系统的光学常数。
优选地，步骤(4)还包括：
将所述椭偏参数、所述光学常数和介电常数，进行迭代拟合、反演计算，得到均方误差：
若所述均方误差小于50，则所述迭代拟合结束，并选择均方误差取最小值时，迭代拟合得到的光学常数和介电常数；
若所述均方误差不小于50，则继续进行所述迭代拟合，直至均方误差小于50时迭代拟合结束。
本发明对迭代拟合结束时的判断标准不作特殊限定，判断标准不仅可以是均方误差小于50，还可以根据需要进行数值的调整，也可以采用现有的其他判断标准。
优选地，所述步骤(2)中，所述椭圆偏振测试时的入射角为50°-70°。由于本发明可适用于各种材质的衬底，不同材质需要设定的椭圆偏振测试的入射角不同，因此本发明对椭圆偏振测试时的入射角不作特殊限定，还可以根据需要采用其他入射角。
优选地，所述步骤(2)中，所述椭圆偏振测试时的波长范围为300-2500nm。同样地，本发明可适用于各种材质的膜层材料，不同材质的膜层材料所关注的波长范围不同，因此本发明对椭圆偏振测试时的波长不作特殊限定，还可以根据需要采用其他波长。
本发明第二方面提供一种所述的测量方法在光学元器件中的应用。如光学成像作用的基本组成单元、在光学系统中起特殊作用的零件，以及光伏材料、光电材料、光热材料等。
以下将通过实施例对本发明进行详细描述，其中，下述实例中辉光放电光谱仪的深度分辨率均为1nm，原子百分含量分辨率均为0.1％。
实施例1
本实施例用于说明未知膜层物质具有富集层、贫瘠层的情况，椭偏建模时依据于此将建立同一物质的多层膜模型。
膜层物质Ⅰ的光学常数和介电常数的测量：
(1)将镀膜的平面样品(即膜层物质Ⅰ)吸附于辉光放电光谱仪的6mm阳极接口处，抽真空；
通入工艺气体氩气，设置起辉条件，即，射频功率25W，气压400Pa，脉冲频率3000Hz，停延时间比例0.375，溅射时间200秒，测试开始，从而得到膜层物质Ⅰ沿厚度方向上的元素组成分布光谱数据。
测试光谱曲线如图2所示，图2中采用竖线划分出镀膜的分层信息，可知膜层物质Ⅰ的各层元素组成。
从图2可以看出，膜层物质Ⅰ是由Zn与O元素所组成的，即为ZnO膜层，基体为玻璃；且通过图2的曲线变化可知，由表面至内部分别为氧元素的富集层、贫瘠层，直至玻璃基体，具体地，氧元素的富集层与贫瘠层之间有明显的拐点，氧元素强度(即含量)由表面较高至内部逐渐降低，在富集层中下降斜率大于贫瘠层，至玻璃基体时，由于玻璃中含有大量的氧，因此氧强度再次上升；
(2)将步骤(1)测试后的样品解除真空，挪至椭圆偏振光谱仪的样品台，使样品上的侵蚀坑与用于椭圆偏振光谱仪的待测区域相邻但不重叠，抽真空；
设置偏振及检偏条件，入射角为55°与65°，波长范围为300-2500nm，波长间隔为5nm，执行测试，测试结束后解除真空；得到椭偏参数Ψ与Δ的变化曲线如图3(a)、(b)所示；
(3)根据步骤(1)得到的如图2所示的元素组成分布光谱数据，转换为如图4所示的膜层物质的层结构，由上至下分别为富集层、贫瘠层；
(4)将此膜层物质的层结构转换设置为对应的结构模型，得到ZnO/玻璃基体(即膜层物质Ⅰ)所对应的物理结构模型为：Srough表面疏松层+Gaussian振子+Cauchy模型，其中将Gaussian振子拆分为两层，分别对应于富集层与贫瘠层，即Gaussian振子中拟合参数的初始值不同；
将转换后的结构模型传输至椭圆偏振光谱仪自带的建模软件；
(5)然后，椭圆偏振光谱仪自带的建模软件根据菲涅尔公式，将所述膜层物质Ⅰ的结构模型和椭偏参数进行迭代拟合计算，当均方误差小于50，则所述迭代拟合结束。
拟合结果如图3(a)、(b)所示。从图3可以看出，椭偏参数Ψ与Δ的拟合值与测量值完全吻合，说明拟合结果正确。
因此，得到膜层物质Ⅰ的光学常数如图5所示，图5(a)与(b)分别为折射率与消光系数随波长的变化曲线。
由此得到的介电常数如图6所示，图6(a)与(b)分别为介电常数的实部与虚部随电子能量的变化曲线。
从图5和图6中可以看出，折射率与介电常数的实部在富集层与贫瘠层的值不同，贫瘠层高于富集层。
实施例2
本实施例用于说明未知膜层物质具有成分梯度的情况，椭偏建模时依据于此将建立非线性复杂梯度模型。
膜层物质Ⅱ的光学常数和介电常数的测量：
(1)将镀膜的平面样品(即膜层物质Ⅱ)吸附于辉光放电光谱仪的4mm阳极接口处，抽真空；
通入工艺气体氩气，设置起辉条件，即，射频功率20W，气压450Pa，脉冲频率3000Hz，停延时间比例0.375，溅射时间8min，测试开始，从而得到膜层物质Ⅱ沿厚度方向上的元素组成分布光谱数据。
测试光谱曲线如图7所示，可知膜层物质Ⅱ的各层元素组成，图7中采用虚线划分出镀膜的分层信息，各层元素组成见图7中各层的元素标注；从图7可以看出，膜层物质Ⅱ为薄膜光伏太阳能电池CIGS多层膜。
(2)将步骤(1)测试后的样品解除真空，挪至椭圆偏振光谱仪的样品台，使样品上的侵蚀坑与用于椭圆偏振光谱仪的待测区域相邻但不重叠，抽真空；
设置偏振及检偏条件，入射角为50°与60°，波长范围为300-2500nm，波长间隔为5nm，执行测试，测试结束后解除真空；得到椭偏参数Δ与Ψ。
(3)根据步骤(1)的元素组成分布光谱数据，转换为由上至下分别为ZnO/CdS/CIGS梯度层/Mo/glass基体的膜层物质的层结构，如图8所示；其中，从图7中的虚线方框可以看出CIGS膜层中In和Ga存在成分梯度分布，将CIGS膜层修正为非线性的复杂梯度层(即CIGS梯度层)；
(4)将图8所示的膜层物质的层结构转换为对应的结构模型，将转换后的结构模型传输至椭圆偏振光谱仪自带的建模软件，得到ZnO/CdS/CIGS梯度层/Mo/玻璃基体所对应的物理结构模型为：Srough+Cauchy模型/Gaussian振子/Tauc-Lorentz振子+非线性梯度模型/Drude模型/Cauchy模型；
然后，椭圆偏振光谱仪自带的建模软件根据菲涅尔公式，将所述膜层物质的结构模型和椭偏参数进行迭代拟合计算，可获得所述膜层物质以及各层的光学常数和介电常数。
实施例3
本实施例用于说明膜层物质成分相同但结构不同的情况，并通过扫描电镜对膜层物质的截面进行扫描拍摄，以对采用本发明方法获得的膜层物质的层结构进行验证。
膜层物质Ⅲ的光学常数和介电常数的测量：
(1)将镀膜的平面样品(即膜层物质Ⅲ)吸附于辉光放电光谱仪的2mm阳极接口处，抽真空；
通入工艺气体氩气，设置起辉条件，即，射频功率15W，气压500Pa，脉冲频率3000Hz，停延时间比例0.375，溅射时间80s，测试开始，从而得到膜层物质Ⅲ沿厚度方向上的元素组成分布光谱数据。
测试光谱曲线如图9所示，可知膜层物质Ⅲ为单质膜Mo，图9中采用虚线划分出镀膜的分层信息。从图9可以看出，图9中的光谱曲线并不平直，而是存在若干个拐点，将膜层分割成显著的三层，从基体至表面分别为Layer 1、Layer 2、Layer 3。其中Layer 1以下的曲线下降部分是与基体之间的过渡，不是单独膜层。
(2)将步骤(1)测试后的样品解除真空，挪至椭圆偏振光谱仪的样品台，使样品上的侵蚀坑与用于椭圆偏振光谱仪的待测区域相邻但不重叠，抽真空；
设置偏振及检偏条件，入射角为50°与60°，波长范围为300-2500nm，波长间隔为5nm，执行测试，测试结束后解除真空；得到椭偏参数Δ与Ψ。
(3)根据步骤(1)的元素组成分布光谱数据，转换为由上至下分别为Mo3/Mo2/Mo1/glass基体的膜层物质的层结构，如图10所示；
(4)将图10所示的膜层物质的层结构转换为对应的结构模型，将转换后的结构模型传输至椭圆偏振光谱仪自带的建模软件，得到Mo3/Mo2/Mo1/glass基体所对应的物理模型：Drude模型3/Drude模型2/Drude模型1/Cauchy模型；
然后，椭圆偏振光谱仪自带的建模软件根据菲涅尔公式，将所述膜层物质的结构模型和椭偏参数进行迭代拟合计算，可获得所述膜层物质以及各层的光学常数和介电常数。
为了验证该单质膜Mo真实的分层情况，采用扫描电镜观察该样品的截面，如附图11所示。
从图11中可以看出，从上至下能够清晰的看到Mo分层的界面，分别为Layer 3、Layer 2、Layer 1与玻璃基体。其中，从该样品的制备者了解到Mo膜层的制备过程中，由于溅射功率、溅射气压以及通入工艺气体的差别导致Mo膜存在结构与致密性的差别，这是为了组件的功能和界面性能而有目的性的特意为之。
实施例4
本实施例用于说明膜层物质的膜层界面处未存在Cr元素扩散的情况，依据此椭偏建模时可以确定是否存在混合界面层。
膜层物质Ⅳ的光学常数和介电常数的测量：
(1)将镀膜的平面样品(即膜层物质Ⅳ)吸附于辉光放电光谱仪的10mm阳极接口处，抽真空；
通入工艺气体氩气，设置起辉条件，即，射频功率17W，气压550Pa，脉冲频率3000Hz，停延时间比例0.375，溅射时间100s，测试开始，从而得到膜层物质Ⅳ沿厚度方向上的元素组成分布光谱数据。
测试光谱曲线如图12所示，曲线反映未发生界面扩散的情况，可知膜层物质Ⅳ为Mo膜沉积在不锈钢基体上，不锈钢基体主要由FeCr组成。
(2)将步骤(1)测试后的样品解除真空，挪至椭圆偏振光谱仪的样品台，使样品上的侵蚀坑与用于椭圆偏振光谱仪的待测区域相邻但不重叠，抽真空；
设置偏振及检偏条件，入射角为50°与60°，波长范围为300-2500nm，波长间隔为5nm，执行测试，测试结束后解除真空；得到椭偏参数Δ与Ψ。
(3)根据步骤(1)的元素组成分布光谱数据，转换为由上至下分别为Mo/不锈钢基体的膜层物质的层结构，如图14所示；
(4)将图14所示的膜层物质的层结构转换为对应的结构模型，将转换后的结构模型传输至椭圆偏振光谱仪自带的建模软件，得到Mo/不锈钢基体所对应的物理模型：Drude模型/不锈钢模型；
然后，椭圆偏振光谱仪自带的建模软件根据菲涅尔公式，将所述膜层物质的结构模型和椭偏参数进行迭代拟合计算，可获得所述膜层物质以及各层的光学常数和介电常数。
对比例1
本对比例用于与实施例4形成对比，以说明本发明的效果。
将与实施例4相似的膜层物质Ⅴ(即不锈钢基体上沉积了Mo膜层的材料)进行椭偏测试，并建模拟合，采用Drude模型/不锈钢模型，却无法拟合成功，无法获得光学常数/介电常数。这是由于该样品虽然与实施例4的材质相同，但经历了不同的工艺过程，因此建模结构存在差别。
实施例5
本实施例用于说明膜层物质的膜层界面处存在Cr元素扩散的情况，依据此椭偏建模时可以确定是否存在混合界面层。
针对对比例1中的膜层物质Ⅴ，采用本发明的方法进行测量：
(1)将镀膜的平面样品(即膜层物质Ⅴ)吸附于辉光放电光谱仪的10mm阳极接口处，抽真空；
通入工艺气体氩气，设置起辉条件，即，射频功率17W，气压550Pa，脉冲频率3000Hz，停延时间比例0.375，溅射时间100s，测试开始，从而得到膜层物质Ⅳ沿厚度方向上的元素组成分布光谱数据。
测试光谱曲线如图13所示，曲线反映发生界面扩散的情况，可知膜层物质Ⅳ为Mo膜沉积在不锈钢基体上，但与实施例4的区别在于：Mo膜层与不锈钢基体的界面处Cr元素存在扩散。
(2)将步骤(1)测试后的样品解除真空，挪至椭圆偏振光谱仪的样品台，使样品上的侵蚀坑与用于椭圆偏振光谱仪的待测区域相邻但不重叠，抽真空；
设置偏振及检偏条件，入射角为50°与60°，波长范围为300-2500nm，波长间隔为5nm，执行测试，测试结束后解除真空；得到椭偏参数Δ与Ψ。
(3)根据步骤(1)的元素组成分布光谱数据，转换为由上至下分别为Mo/混合界面层/不锈钢基体的膜层物质的层结构，如图15所示；
(4)将图15所示的膜层物质的层结构转换为对应的结构模型，将转换后的结构模型传输至椭圆偏振光谱仪自带的建模软件，得到Mo/不锈钢基体所对应的物理模型：Drude模型/有效介质模型/不锈钢模型；
然后，椭圆偏振光谱仪自带的建模软件根据菲涅尔公式，将所述膜层物质的结构模型和椭偏参数进行迭代拟合计算，可获得所述膜层物质以及各层的光学常数和介电常数。
以上详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于此。在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，包括各个技术特征以任何其它的合适方式进行组合，这些简单变型和组合同样应当视为本发明所公开的内容，均属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种膜层物质的光学常数和介电常数的测量方法，其特征在于，包括：
(1)对膜层物质进行深度剖析光谱测试，得到膜层物质沿厚度方向上的元素组成分布光谱数据；
(2)对膜层物质进行椭圆偏振测试，得到膜层物质的椭偏参数；
(3)根据所述元素组成分布光谱数据，构建所述膜层物质的层结构和确定各层结构的成分组成，建立所述膜层物质的结构模型；
(4)根据菲涅尔公式，将所述膜层物质的结构模型和椭偏参数进行迭代拟合，得到所述膜层物质以及各层的光学常数和介电常数。
2.根据权利要求1所述的测量方法，其中，所述元素组成分布光谱数据中所涉及的元素包含所述膜层物质中原子百分含量≥0.1wt％的元素；
优选地，所述膜层物质中各层结构的厚度≥1nm。
3.根据权利要求1或2所述的测量方法，其中，所述深度剖析光谱测试使用的仪器为辉光放电光谱仪。
4.根据权利要求3所述的测量方法，其中，所述辉光放电光谱仪的深度分辨率≤1nm；
优选地，所述辉光放电光谱仪的原子百分含量分辨率≤0.1％。
5.根据权利要求3或4所述的测量方法，其中，所述辉光放电光谱仪的阳极直径为2-10mm；
优选地，所述辉光放电光谱仪的阳极直径为4mm。
6.根据权利要求1-5中任意一项所述的测量方法，其中，步骤(2)中，所述椭圆偏振测试的入射角为50°-70°。
7.根据权利要求1-6中任意一项所述的测量方法，其中，步骤(2)中，所述椭圆偏振测试的波长范围为300-2500nm。
8.根据权利要求1-7中任意一项所述的测量方法，其中，步骤(3)中，所述构建的过程包括：
当所述膜层物质为多层膜且含有具有成分梯度分布的功能层时，建立所述功能层的梯度模型；
当所述膜层物质为多层膜且含有元素扩散形成的膜层界面时，建立所述膜层界面的有效介质模型；
当所述膜层物质中存在不均匀层时，将所述不均匀层划分为物质富集层、物质贫瘠层和表面疏松层，并建立物质富集层、物质贫瘠层和表面疏松层模型。
9.根据权利要求1-8中任意一项所述的测量方法，其中，步骤(4)还包括：
将所述椭偏参数、所述光学常数和介电常数，进行迭代拟合、反演计算，得到均方误差：
若所述均方误差小于50，则所述迭代拟合结束，并选择均方误差取最小值时，迭代拟合得到的光学常数和介电常数；
若所述均方误差不小于50，则继续进行所述迭代拟合，直至均方误差小于50时迭代拟合结束。
10.一种权利要求1-9中任意一项所述的测量方法在光学元器件中的应用。
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