一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的測(cè)量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于非晶態(tài)光學(xué)薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的 測(cè)量方法，尤其設(shè)及非晶態(tài)二氧化娃薄膜應(yīng)力的測(cè)量。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)元件表面薄膜的制備一般是在強(qiáng)烈的非平衡物理和化學(xué)過(guò)程中完成，諸如熱 蒸發(fā)、離子束瓣射、磁控瓣射、化學(xué)氣相沉積等技術(shù)，薄膜的殘余應(yīng)力是必然存在。薄膜的殘 余應(yīng)力對(duì)薄膜的影響主要有兩個(gè)方面；首先，當(dāng)薄膜應(yīng)力較大時(shí)，薄膜會(huì)從基板上起皺和脫 落；其次，在高應(yīng)力狀態(tài)下，基板彎曲和薄膜的雙折射率效應(yīng)影響到薄膜性能指標(biāo)的提高。 多年來(lái)，薄膜應(yīng)力的調(diào)控一直都是光學(xué)薄膜領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的重要技術(shù)方向。
[0003] 薄膜應(yīng)力調(diào)控的前提必須是實(shí)現(xiàn)薄膜應(yīng)力大小的測(cè)試。目前，薄膜宏觀應(yīng)力的測(cè) 量方法很多，均是基于無(wú)損傷的光學(xué)測(cè)量，從薄膜應(yīng)力測(cè)量的基本原理來(lái)看，分為兩大類： 一類是基于測(cè)量基板的曲率半徑在薄膜沉積前后的變化推演出薄膜應(yīng)力，如懸臂梁法、牛 頓環(huán)法、光柵反射法、激光干設(shè)法、激光光杠桿法；另一類則是利用X射線衍射技術(shù)和Raman 光譜技術(shù)測(cè)量薄膜的彈性應(yīng)變，通過(guò)彈性應(yīng)變推算出薄膜的應(yīng)力；該兩大類的方法基本的 思路都是通過(guò)測(cè)量彈性應(yīng)變的光效應(yīng)，反向推算出薄膜的應(yīng)力，能夠表征出薄膜的宏觀應(yīng) 力水平，但對(duì)于微區(qū)域的應(yīng)力評(píng)價(jià)仍是技術(shù)難題之一。隨著現(xiàn)代薄膜沉積技術(shù)的發(fā)展，薄膜 微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出越來(lái)越多的非晶態(tài)的無(wú)定形態(tài)結(jié)構(gòu)，如何快速、簡(jiǎn)便地評(píng)價(jià)非晶態(tài)薄膜的微 區(qū)應(yīng)力，用于指導(dǎo)非晶態(tài)薄膜的應(yīng)力調(diào)控，對(duì)于現(xiàn)代薄膜沉積技術(shù)下應(yīng)力調(diào)控技術(shù)具有重 要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一）要解決的技術(shù)問(wèn)題
[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問(wèn)題是；如何提供一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的測(cè)量方 法。
[0006] (二）技術(shù)方案
[0007] 為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的測(cè)量方法，其 包括如下步驟：
[000引步驟S1 ;建立薄膜材料應(yīng)力雙折射x-y-z坐標(biāo)系物理模型，其中，x-y平面為薄膜 表面，Z軸垂直于薄膜表面，沿X軸的n,、沿y軸的rv沿Z軸的n,分別表示；個(gè)方向的折射 率，沿X軸的Oy、沿y軸的Oy、沿Z軸的0,分別表示S個(gè)方向的主軸應(yīng)力；
[0009] 步驟S2 ;首先利用楠圓偏振儀測(cè)量薄膜的反射楠圓偏振參數(shù)W(A)和A a),設(shè) 定測(cè)量波長(zhǎng)范圍為^min-Amax，測(cè)量步長(zhǎng)為A A，Amin和Amax的取值在薄膜材料的透 明區(qū)域內(nèi)，入射角度為0 ;
[0010] 步驟S3 ;對(duì)薄膜材料建立單軸折射率方程，建立光在平面單軸晶體內(nèi)部傳輸?shù)奈?理模型和數(shù)學(xué)計(jì)算模型，令n,= ny = n ;
[0011] 步驟S4 ;薄膜-基底的反射楠圓偏振參數(shù)由薄膜和基底的折射率、薄膜的厚度df、 入射角度0共同確定，使用非線性優(yōu)化算法，對(duì)測(cè)量的反射楠偏參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，當(dāng)測(cè) 量數(shù)據(jù)與理論計(jì)算的數(shù)據(jù)基本一致時(shí)，可認(rèn)為反演計(jì)算成功；因此提前設(shè)定薄膜反演計(jì)算 的評(píng)價(jià)函數(shù)如下：
[0012]
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的測(cè)量方法，其特征在于，其包括如下步驟： 步驟S1 :建立薄膜材料應(yīng)力雙折射x-y-z坐標(biāo)系物理模型，其中，X-y平面為薄膜表面，z軸垂直于薄膜表面，沿x軸的nx、沿y軸的ny、沿z軸的nz分別表示三個(gè)方向的折射率，沿 x軸的〇x、沿y軸的〇y、沿z軸的〇z分別表示三個(gè)方向的主軸應(yīng)力； 步驟S2 :首先利用橢圓偏振儀測(cè)量薄膜的反射橢圓偏振參數(shù)W(X)和△ (X)，設(shè)定測(cè) 量波長(zhǎng)范圍為Xmin-Amax，測(cè)量步長(zhǎng)為AA，Amin和Amax的取值在薄膜材料的透明區(qū) 域內(nèi)，入射角度為Q; 步驟S3 :對(duì)薄膜材料建立單軸折射率方程，建立光在平面單軸晶體內(nèi)部傳輸?shù)奈锢砟?型和數(shù)學(xué)計(jì)算模型，令nx=ny =n; 步驟S4 :薄膜-基底的反射橢圓偏振參數(shù)由薄膜和基底的折射率、薄膜的厚度df、入射 角度0共同確定，使用非線性優(yōu)化算法，對(duì)測(cè)量的反射橢偏參數(shù)進(jìn)行反演計(jì)算，當(dāng)測(cè)量數(shù) 據(jù)與理論計(jì)算的數(shù)據(jù)基本一致時(shí)，可認(rèn)為反演計(jì)算成功；因此提前設(shè)定薄膜反演計(jì)算的評(píng) 價(jià)函數(shù)如下：
其中，MSE是測(cè)量值與理論模型計(jì)算值的均方差，N為測(cè)量波長(zhǎng)的數(shù)目，M為變量個(gè)數(shù)， 步廣和A廣分別為i個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量值，！D，和A，分別為i個(gè)波長(zhǎng)的計(jì)算值，S^廣 和SAim°d分別為i個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量誤差；從公式（1)中可以看出，MSE被測(cè)量誤差加權(quán)，所以 噪音大的數(shù)據(jù)被忽略掉，MSE越小表示擬合得越好； 通過(guò)上述反演計(jì)算可以得到薄膜材料的x-y方向折射率n與z方向折射率nz的折射 率差A(yù)n，同時(shí)得到薄膜的物理厚度df; 步驟S5 :得到薄膜z方向與x-y平面的率差A(yù)n后，利用公式（2)就可以得到薄膜材 料的微區(qū)應(yīng)力〇 ;
其中，〇為薄膜材料微區(qū)應(yīng)力，B為薄膜的應(yīng)力光學(xué)系數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于非晶態(tài)光學(xué)薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的測(cè)量方法，尤其涉及非晶態(tài)二氧化硅薄膜應(yīng)力的測(cè)量。該方法基于各向同性材料的光彈效應(yīng)，通過(guò)建立薄膜材料應(yīng)力雙折射橢球模型，通過(guò)測(cè)量薄膜的雙折射效應(yīng)，并通過(guò)橢偏光譜分析計(jì)算得到薄膜面內(nèi)折射率和垂直于表面方向折射率的差值，進(jìn)而可以計(jì)算得到薄膜材料的微區(qū)應(yīng)力。此方法簡(jiǎn)單方便，避免研制復(fù)雜的應(yīng)力測(cè)試系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)二氧化硅薄膜材料的應(yīng)力與光學(xué)性能的快速評(píng)價(jià)和測(cè)量。經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)證明，該方法可以有效地獲得薄膜的微區(qū)應(yīng)力大小，同時(shí)還可獲得薄膜的光學(xué)特性，對(duì)于快速高效評(píng)價(jià)非晶態(tài)光學(xué)薄膜的應(yīng)力具有重要的應(yīng)用價(jià)值。
【IPC分類】G01L1-24
【公開(kāi)號(hào)】CN104568248
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201410717404
【發(fā)明人】季一勤, 劉華松, 劉丹丹, 姜承慧, 王利栓, 楊霄, 孫鵬, 冷健
【申請(qǐng)人】中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院第八三五八研究所
【公開(kāi)日】2015年4月29日
【申請(qǐng)日】2014年12月2日