面向层状微纳结构的反射差分光学测量方法与仪器研究

发布时间：2020-03-22 08:27

【摘要】：随着二维材料的兴起,层状微纳结构成为当前研究热点之一,其结构特点在于纳米量级的厚度以及微米量级的横向尺寸,具有极高的宽/高比。由于受到衬底/基底的影响,层状微纳结构的形貌测量变得更加困难,特别是其空间二维分布和相对位置的测量。传统测量方法,如光学显微和扫描探针显微方法等以物质属性(材料、高度等)的差异来反衬出层状微纳结构的存在,对其空间二维分布和相对位置的灵敏度较低。然而,物质和结构在测量视场平面内的各向异性分布,为应用具有各向异性高灵敏度的反射差分光学测量方法提供了测量基础。特别是当所有材料都为各向同性时,样品平面内仅轮廓处存在物质属性突变引起的各向异性,因此利用反射差分光学测量方法可实现层状微纳结构空间二维分布和相对位置的高灵敏度测量。本文提出将显微式反射差分光谱术应用于层状微纳结构的测量:提出层状微纳结构的反射差分光谱测量理论;设计并开发基于液晶可变相位延迟器(LCVR)的具有空间二维微米级分辨力的垂直入射式反射差分光谱仪(MRDS)。实验证明该新仪器对层状微纳结构空间二维分布具有微米级横向分辨力,对其轮廓厚度具有纳米级厚度分辨力。主要工作归纳为:1.提出层状微纳结构的反射差分光学测量理论。以电磁理论为基础,应用有效介质近似理论和偏振光学建立了层状微纳结构和反射差分信号的数学模型。研究层状微纳结构和测量光斑的相对尺寸以及物镜数值孔径对测量的影响。2.设计并搭建具有空间二维微米级分辨力的垂直入射式RDS(M-RDS)。应用垂直入射式光路,实现了物镜的灵活集成,获得了微米级光学分辨力。应用LCVR避免了机械转动引入的误差,并应用基于最小二乘法的光强调制与信号解算方法。3.提出基于LCVR的偏振光学测量系统的在线误差修正方法,并应用于MRDS。提出在LCVR相位延迟校正与信号测量时应用相同的元器件本征方位角设置,从而将器件缺陷、装配误差等对测量的影响转移叠加到LCVR的相位延迟中,显著降低了测量误差。同时,这种快速LCVR校正方法有效降低了温度漂移对测量的影响。4.提出基于LCVR的偏振光学测量系统的光谱噪声均一化调制策略,并应用于M-RDS。通过研究测量信号的噪声传递系数,确定了LCVR调制参数——调制范围和初始相位对噪声抑制效果的重要影响作用。通过优选调制参数,使光谱噪声等级均一化的同时,获得显著的噪声抑制效果。5.对三种典型的层状微纳结构应用M-RDS进行实验研究:半导体绝缘层层状微纳结构、金属电极/半导体衬底层状微纳结构、有机半导体超薄膜样品。实验验证了M-RDS对层状微纳结构空间二维分布具有微米级横向分辨力,对其轮廓厚度具有纳米级分辨力。
【图文】：

晶体管结构,显微图,示意图,层状

1 层状微纳结构及其测量方法概述1.1 层状微纳结构概述层状微纳结构（layered micro-nano structure）通常厚度在纳米量级，横通常在 10μm 量级或更小，需借助显微测量方法才能观察。作为层状微纳重要应用领域，以微机电系统（Micro-Electro-MechanicalSystems，MEMS表的微型制造技术近 30 年来经历了飞速的发展，并与生物、材料、化学等多学科交叉融合，在新型清洁能源、新材料、新元器件、新测量方法等得了突破性进展[1,2]。这其中以新型功能性微纳米结构、新材料和生命科学医药领域的研究成果最为突出，如微电子的多层镀膜工艺、太阳能感光板转换复合膜结构、超材料光学晶体、薄膜式光学发射与探测源、量子点、米结构、高通量 DNA 检测和蛋白质机理研究等。

原理图,可调谐,二极管,二维

图 1-2 基于二维纳米材料的门可调谐二极管[9]。(a)、(b)元器件原理图；(c)组装图层状微纳结构具有纳米量级的厚度以及微米级的宽度[10]，具有极高的同时表现出由量子尺寸效应和表面效应引起的众多宏观结构所不具备的。这其中半导体领域所关注的光学和电学特性，特别是样品平面内光学数成为当前研究的热点之一。而随着科技进步和深入研究，层状微纳结更小、更薄的几何尺寸发展的趋势，因此亟需发展新的检测技术方法来增长的科研和生产需求。这不仅有助于科研人员更好的理解和利用层状的特性，更有助于提高工艺水平和生产品质，从而将层状微纳结构的有高效、稳定的发挥出来，提高其在各领域的应用价值。.2 层状微纳结构测量方法在层状微纳结构测量中，，针对不同的测量需求（光学常数、电学常数、形等），常用的测量方法有扫描探针显微法、电子/电学法、光学法等[11]。扫描探针显微法（ScanningProbeMicroscopy，SPM）利用固体探针和样
【学位授予单位】：天津大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2017
【分类号】：TH74

【参考文献】