[發明專利]基于量子衍生遺傳算法的光學薄膜結構分析方法

在審

• 申請號: 201710581438.7
• 申請日: 2017-07-17
• 公開（公告）號: CN107391834A
• 公開（公告）日: 2017-11-24
• 發明（設計）人: 匡尚奇;周祥燕
• 申請（專利權）人: 長春理工大學
• 主分類號: G06F17/50
• 分類號: G06F17/50;G06N3/12
• 代理公司: 蘇州謹和知識產權代理事務所(特殊普通合伙)32295
• 代理人: 仲崇明

技術領域

本發明涉及一種基于量子衍生遺傳算法(QIGA)的光學薄膜結構分析方法，特別是一種基于量子衍生遺傳算法的掠入射X射線反射譜(grazing incidence x-ray reflectivity，GIXR)的擬合求解薄膜微觀結構的方法，其適用于單層光學薄膜和多層光學薄膜的表征，屬于光學薄膜表征領域。

背景技術

光學薄膜是由分層介質構成，通過界面傳播光束的一類光學介質材料。自20世紀30年代擴散泵應用于光學系統開始，光學薄膜作為光學介質應用于光學系統中。除了其最基本的反射、減反射和光譜調控等功能，光學薄膜還在光學系統中承擔偏振調控、相位調控以及光電、光熱和光聲等調控功能。如今，光學薄膜已廣泛地應用于激光技術、光電子技術、光通信技術、光顯示技術和光儲存技術等現代光學技術中。尤其新興的納米薄膜具有獨特的光學、電學、磁學、力學與氣敏特性，這使得它作為功能材料和結構材料也都具有良好的發展前景。

光學薄膜的迅猛發展得益于薄膜技術的發展。薄膜技術主要包括：制備、控制、測試技術。其中光學薄膜的測試的意義在于，通過測試，建立起薄膜宏觀和微觀的聯系，進而通過分析得到元件的微觀參數和元件的性能指標。因而，光學薄膜性能的優良與否往往與其微觀參數，如幾何厚度、密度、粗糙度等有著直接關系。如何精確表征薄膜的結構參數，從而為設計和鍍制出高質量的光學薄膜建立前提和基礎也因此有了十分重要的意義。目前，應用于材料和表面測量的儀器和方法包括：掠入射X射線反射譜(GIXR)、透射電子顯微鏡(TEM)、盧瑟福后向散射譜、俄歇電子能譜、橢偏儀等等。其中對納米級膜厚的薄膜或周期厚度為納米級的多層膜的檢測常采用的方法為TEM和GIXR。前者是一種可直接對薄膜的微觀進行表征的方法，但是由于觀測的同時會對薄膜造成破壞，加上檢測精度不高，所以常用作多層膜表征的參考；后者作為測試光學常數的常用方法之一，優點在于不會對光學薄膜造成破壞，可以在膜層信息較少的情況下得到高精度結果，而難點在于需要建立相應的理論模型，并對用來表征薄膜結構參數的求解算法有較高要求。因此，選擇較優的擬合薄膜結構參數的求解算法對于納米級膜厚的薄膜或納米級周期厚度的多層膜的精確表征具有重要意義。

對于工作在紫外—極紫外波段的光學薄膜來說，所需的光學膜厚均在納米量級。例如，深紫外波段所需的光學薄膜的單層膜厚僅為20～30nm，而極紫外光刻所需的多層膜周期厚度僅為納米量級。實現上述光學薄膜的參數擬合不僅在理論模型的建立上有較高難度，對于求解算法的選取也有一定的考驗，尤其是在極紫外多層膜的擬合中需要考慮到膜層間的擴散層，導致了多層膜參數的增多，搜索空間劇增。

薄膜擬合表征常采用的算法有Levenberg-Marquart算法、爬山法、遺傳算法等等。Levenberg-Marquart算法收斂速度快，但是求得全局極值的概率小；爬山法隨機性強，難以將之前進行的迭代過程有效利用；遺傳算法(GA)采用二進制編碼，具有全局搜索能力強，是光學薄膜擬合表征常用的算法，但是收斂速度慢，易早熟，難以較高精度搜索到全局最優解。

發明內容

本發明的主要目的在于提出一種基于量子衍生遺傳算法(QIGA)的光學薄膜結構分析方法，以克服現有技術中的不足。

為實現前述發明目的，本發明采用的技術方案包括：

本發明實施例提供了一種基于量子衍生遺傳算法的光學薄膜結構分析方法，其包括以下步驟：步驟一：輸入適用于薄膜掠入射X射線反射譜擬合、基于量子衍生遺傳算法的薄膜微觀結構分析方法的初始參數值，所述的初始參數包括：量子種群規模N、染色體數M、每個染色體的基因位數λ、進化代數最大值T_max、量子變異基因位數s、量子全交叉概率P_c和每個染色體的取值范圍；

步驟二：對光學薄膜的微觀結構參數進行量子編碼，生成表征光學薄膜結構的量子種群

Q＝[q₁,q₂,…,q_i,…q_N-1,q_N]，

其中任意量子個體q_i的量子編碼為

步驟三：對表征光學薄膜結構的初始量子種群Q₀進行測量和解碼，得到確定解P₀；

步驟四：達到種群進化代數最大值T_max，若滿足，則終止程序，若不滿足，則繼續進行；