CN115791635A - 一种宽温域介电常数的无损光学测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种宽温域介电常数的无损光学测试方法及系统，包括：获取电介质材料在不同光波段和不同温度下的椭偏参数，所述椭偏参数为对电介质材料进行椭偏测试后得到；根据椭偏参数得到介电函数，并根据介电函数提取高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率；根据高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率得到静态介电常数。实现在宽温度领域下无损且准确的测量静态介电常数。

Description

一种宽温域介电常数的无损光学测试方法及系统

技术领域

本发明涉及极性介质材料光学测试技术领域，特别是涉及一种宽温域介电常数的无损光学测试方法及系统。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

介电性能属于材料电气性能的一个重要方面，主要反映材料在电场作用下的极化及去极化情况，体现材料的储电能力。静态(相对)介电常数表示为待测材料为介质与以真空为介质制成的同尺寸电容器电容量之比，是电介质材料拓展实际应用的重要属性。极性介质材料是指内部具有关联分子的永久偶极矩的材料，其内部的极性分子在无电场作用下呈现随机分布，当施加电场时极性分子的偶极矩被重定向而产生极化。极性材料的一个特点是在红外波段存在“Reststrahlen”带，约束在横向光学声子频率(ω_TO)与纵向光学声子频率(ω_TO)之间。极性材料在高功率器件，单极半导体管等领域有着广泛应用，其静态介电常数值的大小决定着功率器件的运行能力，然而高功率常引起材料温升，进一步会改变材料性能，这对其介电常数的测试提出了更高的要求。

此外，器件性能测试伴随多个环节，如光学测试、温度测试、压力测试等，若减少器件在测试中的损耗，将极大的节约成本且使测试结果更具同一性。

在现有技术中，提取材料静态介电常数的最常用的方法是电容电压(C-V)法，主要通过对CV曲线的提取获得。首先进行C-V测量，在电容的两极加载直流偏压的同时利用一个交流信号进行测量；之后对CV曲线进行原始数据的调整，以适应各种频率相关的寄生现象，如串联电阻、泄漏电流等；接着提取CV测量中的电学参数，如待测介质厚度t_x，待测电介质的电容C_x等；最后通过公式

得到，其中，A为电容器面积，ε₀为真空介电常数。

但是该方法存在以下问题：

(1)该方法需要对待测样品进行前期加电极处理以及裁剪取样，这会损伤待测样品，不利于后期回收且很难完成宽温域内的测量。

(2)可测试的样品厚度适用性低，特别是在设计微-纳尺度的样品时，测量的精确度将大幅度降低。

(3)该方法在提取静态介电常数时准确性不足。例如，在前处理CV曲线时需要进行诸多假设，这一定程度上降低了所获取的静态介电常数的准确性；提取电容器中电介质层的参数时可能会受到与测量技术相关的固有误差及其他参数(厚度、面积)相关的误差的影响；过渡层的厚度以及层间电荷效应等也是其影响准确性的关键因素。

现有技术中还有基于谐振法的相对介电常数测试系统及探测单元，将金属层与谐振导带分别贴于待测介质的下表面与上表面，然后将两个探测件的探针与谐振导带接触，同时利用电连接部与测试设备电连接，测试可获参数并借助预设关系而得到相对介电常数。

但是该方法存在以下问题：

(1)该方法需要自行搭建测试系统，增加测试工作量；此外，需要对待测电介质的上下表面做处理以满足测试要求，这会损害电介质表面，特别损害于微纳米尺度下的薄膜。

(2)该方法的相对介电常数结果是建立在多项复杂公式与众多拟合参数值的基础上获得的，这会引成不可估计的误差。

现有技术中还有利用重入式同轴腔测试设备以及校准技术测试光学材料的相对介电常数，先将光学材料制备成直径均匀的圆柱形杆状，后放入设备中进行测试得到初始相对介电常数，最后进行修正得到最终介电常数。

但是该方法涉及将待测的光学材料进行完全破损，这局限于固态块体材料，不适合薄膜，更难保证待测样品的完整性。而且该方法需要后期对测试初始结果进行修正，也存在不可避免的误差。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出了一种宽温域介电常数的无损光学测试方法及系统，实现在宽温度领域下无损且准确的测量静态介电常数。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

第一方面，本发明提供一种宽温域介电常数的无损光学测试方法，包括：

获取电介质材料在不同光波段和不同温度下的椭偏参数，所述椭偏参数为对电介质材料进行椭偏测试后得到；

根据椭偏参数得到介电函数，并根据介电函数提取高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率；

根据高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率得到静态介电常数。

作为可选择的实施方式，所述不同光波段包括紫外-可见光波段和红外波段。

作为可选择的实施方式，在所述紫外-可见光波段下，采用色散模型拟合椭偏参数，得到紫外-可见光波段介电函数；对紫外-可见光波段介电函数进行插值处理，提取频率为零时的介电函数实部值为高频介电常数。

作为可选择的实施方式，在所述红外波段下，采用色散模型拟合椭偏参数，得到红外波段介电函数；对红外波段介电函数，提取介电函数实部中Reststrahlen带的带边缘值，得到横向光学声子频率与纵向光学声子频率。

作为可选择的实施方式，所述静态介电常数为：

其中，ε₀为静态介电常数，ε_∞为高频介电常数，ω_TO为横向光学声子频率，ω_LO为纵向光学声子频率，T为温度。

作为可选择的实施方式，所述温度的范围为220K-873K的温度范围。

第二方面，本发明提供一种宽温域介电常数的无损光学测试系统，包括：

数据获取模块，被配置为获取电介质材料在不同光波段和不同温度下的椭偏参数，所述椭偏参数为对电介质材料进行椭偏测试后得到；

参数提取模块，被配置为根据椭偏参数得到介电函数，并根据介电函数提取高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率；

介电常数测试模块，被配置为根据高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率得到静态介电常数。

第三方面，本发明提供一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成第一方面所述的方法。

第四方面，本发明提供一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成第一方面所述的方法。

第五方面，本发明提供一种宽温域介电常数的无损光学测试系统，包括：椭偏测试仪和处理模块；

所述椭偏测试仪用于对电介质材料在不同光波段和不同温度下进行椭偏测试，并将测试后得到的椭偏参数发送至处理模块；

所述处理模块接收椭偏参数，被配置为根据椭偏参数得到介电函数，根据介电函数提取高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率，根据高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率得到静态介电常数。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明提供一种基于椭偏测试与Lyddane-Sachs-Teller(LST)关系获得极性材料静态介电常数的方法，在不破坏被测件的前提下，操作流程简便且又保证结果精确，克服现有技术变温测试不成熟、精度低、测试繁琐、损伤元件等技术问题，可无损且准确的测试固态乃至液态极性材料的静态介电常数。

本发明提供一种宽温域测试极性电介质材料静态介电常数的方法，该方法可适应许多特殊行业对固态极性电介质的具体形态提出更高的要求，例如颗粒、粉末态或极薄(nm级别)膜态，并保证准确得到其静态介电常数。

本发明提出一种宽温域介电常数的无损光学测试方法及系统，可拓展于测试极性材料在掺杂、高温等不同条件下的值，测试范围广泛而不增加额外工作量。

本发明提出一种宽温域介电常数的无损光学测试方法及系统，其无损测量特性有助于被测样片回收做其它测试，降低材料的测试成本且对环境友好，还可为航空航天，微电子器件等实际应用领域提供基础支持。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为本发明实施例1提供的宽温域介电常数的无损光学测试方法流程图；

图2(a)为本发明实施例1提供的4H-SiC红外波段介电函数实部温度依赖性示意图；

图2(b)为本发明实施例1提供的4H-SiC红外波段介电函数虚部温度依赖性示意图；

图3(a)为本发明实施例1提供的变温下横向光学声子频率ω_TO和纵向光学声子频率ω_LO参数值示意图；

图3(b)为本发明实施例1提供的不同温度下静态介电常数示意图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明做进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例1

本实施例提供一种宽温域介电常数的无损光学测试方法，如图1所示，包括：

获取电介质材料在不同光波段和不同温度下的椭偏参数，所述椭偏参数为对电介质材料进行椭偏测试后得到；

根据椭偏参数得到介电函数，并根据介电函数提取高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率；

根据高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率得到静态介电常数。

在本实施例中，采用椭偏测试可以无损获得在宽温域范围内电介质材料的介电函数；其中，所述不同光波段包括紫外-可见光波段和红外波段。

在本实施例中，针对紫外-可见光波段：

对电介质材料进行椭偏测试，得到电介质材料在紫外-可见光波段的频率所依赖的不同温度下的椭偏参数ψ和Δ；

采用色散模型拟合椭偏参数，反演得到频率依赖的紫外-可见光波段的介电函数；

对该介电函数，通过插值函数延伸介电函数实部ε₁(ω)曲线直至频率为零，此时提取高频介电常数ε_∞；也就是，频率为零时的介电函数实部值为高频介电常数ε_∞。

在本实施例中，针对红外波段：

对电介质材料进行椭偏测试，得到电介质材料在近红外-中红外波段的频率所依赖的不同温度下的椭偏参数ψ和Δ；

采用色散模型拟合椭偏参数，反演得到频率依赖的红外波段的介电函数；

对该介电函数，根据极性电介质材料的特点，通过提取介电函数实部中“Reststrahlen”带的带边缘(ε₁(ω)＝0)值，可准确得到横向光学声子频率ω_TO与纵向光学声子频率ω_LO。

作为可选择的一种实施方式，所述温度的范围为220K-873K的宽温度范围，可通过外部热控设备实现。

在本实施例中，根据高频介电常数ε_∞、横向光学声子频率ω_TO和纵向光学声子频率ω_LO采用LST关系式，得到静态介电常数ε₀：

为验证本实施例技术方案的有效性和可行性，本实施例采用4H-SiC极性材料，求解其静态介电函数。

首先对紫外-可见光波段介电函数的获取；

使用双面抛光的(002)4H-SiC样片，因样片的双抛特性，导致介电函数在低频范围内具有较高背反射现象，故较难获得目标所需的介电常数ε_∞，因此使用认可度较高的前人工作者经实验测得的值ε_∞＝6.52代替，并假设温度无关性。

为保证实验的完整性，给出椭偏测试仪高温测试样片时的详细步骤如下：

首先对样品进行表面抛光处理，使表面粗糙度小于

以便良好的反射偏振光；采用超声机清洗样片以去除样片表面杂质；采用加热系统对样片进行加热，且为防止样品氧化，加热期间不断通入惰性气体氮气确保加热系统内部处于无氧状态；借助液氮控制温度的升降；光源入射角固定在70°；选用色散模型对获得的椭偏参数ψ和Δ做后处理拟合，得到0.73-5.92eV频率范围内的介电函数；对该范围介电函数做插值处理，得到频率为零时的介电常数实部值，即高频介电常数(ε₁(ω＝0)＝ε_∝)。

然后对近红外-可见光波段介电函数的获取；

由于椭偏测量具有无损特性，故经上述椭偏测试仪测完的样品可重复使用。样片的高温测试步骤与上述过程一致，考虑到4H-SiC介电吸收峰展宽较低，测试选用高分辨率1cm^-1。使用色散模型对获得的椭偏参数ψ和Δ做后处理拟合，获得了2.5-19.6μm(510cm^-1-4000cm^-1)波段300K-800K温度范围内的寻常介电函数(入射光垂直于光轴)，此处只考虑各向同性。

由于主要关注“Reststrahlen”带附近的波段，故截取11.7-13.5μm数据如图2(a)-图2(b)所示；其中，图2(a)为4H-SiC红外波段介电函数实部温度依赖性，图2(b)为4H-SiC红外波段介电函数虚部温度依赖性。

最后是静态介电函数的获取；

从图2(a)-图2(b)中可获取不同温度下的ω_TO、ω_LO参数，经LST公式得到各温度下的静态介电常数，参数值与温度的依赖关系如图3(a)-图3(b)所示，具体数值如表1所示；可以看出，随着温度升高，LO频率增加，而TO模频率变化较小且在800K时发生激增，经计算发现静态介电常数随温度升高而增加，本实施例获得的300K下静态介电常数为ε₀＝9.97，与文献值9.66的偏差为3.21％，说明结果的一致性较好，证实了本实施例方法的精确性。

表1LST公式所涉及的实验与计算参数

实施例2

本实施例提供一种宽温域介电常数的无损光学测试系统，包括：

数据获取模块，被配置为获取电介质材料在不同光波段和不同温度下的椭偏参数，所述椭偏参数为对电介质材料进行椭偏测试后得到；

参数提取模块，被配置为根据椭偏参数得到介电函数，并根据介电函数提取高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率；

介电常数测试模块，被配置为根据高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率得到静态介电常数。

此处需要说明的是，上述模块对应于实施例1中所述的步骤，上述模块与对应的步骤所实现的示例和应用场景相同，但不限于上述实施例1所公开的内容。需要说明的是，上述模块作为系统的一部分可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行。

在更多实施例中，还提供：

一种宽温域介电常数的无损光学测试系统，包括：椭偏测试仪和处理模块；

所述椭偏测试仪用于对电介质材料在不同光波段和不同温度下进行椭偏测试，并将测试后得到的椭偏参数发送至处理模块；

所述处理模块接收椭偏参数，被配置为根据椭偏参数得到介电函数，根据介电函数提取高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率，根据高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率得到静态介电常数。

一种电子设备，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成实施例1中所述的方法。为了简洁，在此不再赘述。

应理解，本实施例中，处理器可以是中央处理单元CPU，处理器还可以是其他通用处理器、数字信号处理器DSP、专用集成电路ASIC，现成可编程门阵列FPGA或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

存储器可以包括只读存储器和随机存取存储器，并向处理器提供指令和数据、存储器的一部分还可以包括非易失性随机存储器。例如，存储器还可以存储设备类型的信息。

一种计算机可读存储介质，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成实施例1中所述的方法。

实施例1中的方法可以直接体现为硬件处理器执行完成，或者用处理器中的硬件及软件模块组合执行完成。软件模块可以位于随机存储器、闪存、只读存储器、可编程只读存储器或者电可擦写可编程存储器、寄存器等本领域成熟的存储介质中。该存储介质位于存储器，处理器读取存储器中的信息，结合其硬件完成上述方法的步骤。为避免重复，这里不再详细描述。

本领域普通技术人员可以意识到，结合本实施例描述的各示例的单元即算法步骤，能够以电子硬件或者计算机软件和电子硬件的结合来实现。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本申请的范围。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种宽温域介电常数的无损光学测试方法，其特征在于，包括：

获取电介质材料在不同光波段和不同温度下的椭偏参数，所述椭偏参数为对电介质材料进行椭偏测试后得到；

根据椭偏参数得到介电函数，并根据介电函数提取高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率；

根据高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率得到静态介电常数。

2.如权利要求1所述的一种宽温域介电常数的无损光学测试方法，其特征在于，所述不同光波段包括紫外-可见光波段和红外波段。

3.如权利要求2所述的一种宽温域介电常数的无损光学测试方法，其特征在于，在所述紫外-可见光波段下，采用色散模型拟合椭偏参数，得到紫外-可见光波段介电函数；对紫外-可见光波段介电函数进行插值处理，提取频率为零时的介电函数实部值为高频介电常数。

4.如权利要求2所述的一种宽温域介电常数的无损光学测试方法，其特征在于，在所述红外波段下，采用色散模型拟合椭偏参数，得到红外波段介电函数；对红外波段介电函数，提取介电函数实部中Reststrahlen带的带边缘值，得到横向光学声子频率与纵向光学声子频率。

5.如权利要求1所述的一种宽温域介电常数的无损光学测试方法，其特征在于，所述静态介电常数为：

其中，ε₀为静态介电常数，ε_∞为高频介电常数，ω_TO为横向光学声子频率，ω_LO为纵向光学声子频率，T为温度。

6.如权利要求1所述的一种宽温域介电常数的无损光学测试方法，其特征在于，所述温度的范围为220K-873K的温度范围。

7.一种宽温域介电常数的无损光学测试系统，其特征在于，包括：

数据获取模块，被配置为获取电介质材料在不同光波段和不同温度下的椭偏参数，所述椭偏参数为对电介质材料进行椭偏测试后得到；

参数提取模块，被配置为根据椭偏参数得到介电函数，并根据介电函数提取高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率；

介电常数测试模块，被配置为根据高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率得到静态介电常数。

8.一种电子设备，其特征在于，包括存储器和处理器以及存储在存储器上并在处理器上运行的计算机指令，所述计算机指令被处理器运行时，完成权利要求1-6任一项所述的方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，用于存储计算机指令，所述计算机指令被处理器执行时，完成权利要求1-6任一项所述的方法。

10.一种宽温域介电常数的无损光学测试系统，其特征在于，包括：椭偏测试仪和处理模块；

所述椭偏测试仪用于对电介质材料在不同光波段和不同温度下进行椭偏测试，并将测试后得到的椭偏参数发送至处理模块；

所述处理模块接收椭偏参数，被配置为根据椭偏参数得到介电函数，根据介电函数提取高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率，根据高频介电常数、横向光学声子频率和纵向光学声子频率得到静态介电常数。

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