一种光学薄膜应力光学系数的测量方法
【专利摘要】本发明属于薄膜应力光学系数测量【技术领域】，具体涉及一种光学薄膜应力光学系数的测量方法。本发明提出一种薄膜应力光学系数的测量方法，尤其是针对二氧化硅薄膜材料的应力光学常数测试，此方法简单方便，避免研制复杂的光学测试系统，可以实现二氧化硅薄膜材料的应力光学系数测量。具体而言，本发明通过测量出薄膜的应力与双折射特性，通过使用应力光学定律计算得到薄膜的应力光学系数，此方法快捷方便，避免使用复杂的应力光学系数测量系统，为薄膜材料的应力光学系数测量提供了新的方法和手段。
【专利说明】-种光学薄膜应力光学系数的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于薄膜应力光学系数测量【技术领域】，具体涉及一种光学薄膜应力光学系 数的测量方法。
【背景技术】
[0002] 随着应用光学、信息光学、光通信、光学成像与光学探测技术的不断扩展，W及计 算机技术、真空技术、光电子技术的飞速发展，薄膜光学元件和薄膜电子器件得到了日益广 泛的应用。由于光学薄膜的制备是在强烈的非平衡物理化学过程中完成，因此薄膜的应力 直接影响到薄膜光学元件和薄膜电子器件的稳定性和成品率。当薄膜应力较大时，出现薄 膜的卷曲、權皱等薄膜脱落现象；当薄膜应力较小时，出现薄膜应力双折射现象，尤其是在 低损耗光学薄膜领域内应用，微弱的应力双折射效应，会出现应力诱导的光学损耗现象。因 此，薄膜应力问题变得愈来愈突出和重要。
[0003] 应力与双折射的关系在光学领域内有成熟的理论，人们通过应力-光学定律建立 了应力与光学特性之间的关联性，应力与双折射之间关系的常数比例即为应力光学系数。 因此，通过光学材料的应力状态可W定性判断材料的双折射特性。研究人员基于应力-光 学定律，先后研究发展了基于光弹效应的H维光弹性、散光光弹性、双折射贴片法、全息干 涉法等，该些基于光弹效应的应力测试方法具有准确、全场、直观和非接触等特点，能够直 接观察到中应力分布的全貌，并且能够特别有效测量复杂几何形状的结构件应力分布。薄 膜一般是厚度介于数个单原子层至数微米之间的固体薄层，薄膜材料与基底之间构成相互 联系和相互作用的统一体，基于应力-光弹效应的传统测量技术已经不能单独评价薄膜的 应力光学特性。因此如何评价薄膜的弱应力双折射成为光学薄膜【技术领域】内的难题之一， 薄膜材料的应力光学系数测量也成为技术难点之一。
[0004] 二氧化娃薄膜是一种重要纳米薄膜材料，具有宽透明区化15um?8um)、低折 射率、硬度高、热膨胀系数低、电绝缘性、耐摩擦、耐酸碱、抗腐蚀等优点，被广泛应用于光学 薄膜元件、半导体集成电路、电子器件、传感器、激光器件、化学催化、生物医学、表面改性和 医药包装等领域内。根据不同的应用领域，Si〇2薄膜的制备方法主要采用热蒸发、电子束蒸 发、离子辅助、离子束姗射、磁控姗射、原子层沉积、溶胶-凝胶、热氧化等方法，因此二氧化 娃薄膜的应力光学常数也各不相同。
【发明内容】
[0005] (一）要解决的技术问题
[0006] 本发明要解决的技术问题是：如何提供一种光学薄膜应力光学系数的测量方法。
[0007](二）技术方案
[0008]为解决上述技术问题，本发明提供一种光学薄膜应力光学系数的测量方法，其包 括如下步骤：
[0009] 步骤Sl;获得应力光学系数B的计算公式；
[0010] 光学薄膜沉积后的高应力状态与薄膜沉积过程、基底状态相关，薄膜制备后的残 余应力不可避免存在，因此各向同性的薄膜材料在残余应力作用下产生诱导双折射现象， 该就意味着各向同性的薄膜材料在光学上就变成了各向异性；由于薄膜应力为平面双轴应 力，因此应力诱导薄膜材料出现类双轴晶体结构折射率楠球，该类双轴晶体结构折射率楠 球为x-y-zH轴模型结构；Oy和Oy为X和y两个方向的主轴应力，O,为Z方向的主轴应 力，应力光学系数定义为B，应力诱导的折射率楠球H个方向折射率与应力的关系通过应力 光学系数联系如下：
[0011] Dx-Dy = B(Ox-Oy) (1)
[0012] 11,-? =BOX(2)
[0013] ny-nz=B〇y做
[0014] 对于薄膜应力的实际情况，OX=Oy=O，OZ= 0,在x-y平面诱导的折射率为 n, =ny=n，Z方向的折射率为n,;因此，由上述公式（1)-公式（3)，得到如下的公式（4)， 即可通过测量薄膜的应力和双折射An即可得到应力光学系数B;
【权利要求】
1. 一种光学薄膜应力光学系数的测量方法，其特征在于，其包括如下步骤： 步骤Sl :获得应力光学系数B的计算公式； 光学薄膜沉积后的高应力状态与薄膜沉积过程、基底状态相关，薄膜制备后的残余应 力不可避免存在，因此各向同性的薄膜材料在残余应力作用下产生诱导双折射现象，这就 意味着各向同性的薄膜材料在光学上就变成了各向异性；由于薄膜应力为平面双轴应力， 因此应力诱导薄膜材料出现类双轴晶体结构折射率椭球,该类双轴晶体结构折射率椭球为 x-y-z三轴模型结构；〇x和〇y为X和y两个方向的主轴应力，OzSz方向的主轴应力， 应力光学系数定义为B，应力诱导的折射率椭球三个方向折射率与应力的关系通过应力光 学系数联系如下： nx-ny = B ( 〇 x- 〇 y) (I) nx-nz = Box (2) ny-nz = Boy (3) 对于薄膜应力的实际情况，〇 x = 〇 y = 〇，〇 z = 〇,在x-y平面诱导的折射率为nx = ny = n，z方向的折射率为nz;因此，由上述公式（1)-公式（3)，得到如下的公式（4)，即可 通过测量薄膜的应力和双折射An即可得到应力光学系数B ;
其中薄膜应力单位为Pa,薄膜的应力光学系数单位为1/Pa ; 步骤S2 :利用椭圆偏振仪测量薄膜的反射椭圆偏振参数W U )和A U )，设定测量波 长范围为Amin-Amax，测量步长为A X，入_和Xmax的取值在薄膜材料的透明区域内，入射 角度为9 ; 步骤S2 :对薄膜材料建立单轴折射率椭球方程，建立光在平面双轴晶体内部传输的物 理模型和数学计算模型； 步骤S3 :薄膜-基底的反射椭圆偏振参数由薄膜和基底的折射率、薄膜的厚度df、入射 角度e共同确定，使用非线性优化算法，对测量的反射椭偏参数进行反演计算，当测量数 据与理论计算的数据基本一致时，则认为反演计算成功；因此提前设定薄膜反演计算的评 价函数如下：
MSE是测量值与理论模型计算值的均方差，N为测量波长的数目，M为变量个数，V广p、 和分别为i个波长的测量值，Vim°d和A，分别为i个波长的计算值，S v,广和 S A/°d分别为i个波长的测量误差；从公式（5)中可以看出，MSE被测量误差加权，所以噪 音大的数据被忽略掉，MSE越小表示拟合得越好； 步骤S4 :通过上述反演计算得到薄膜材料的x-y方向折射率n与z方向折射率nz的折 射率差An，同时得到薄膜的物理厚度df ; 步骤S5 :薄膜应力通过测量薄膜-基底系统镀膜前后的表面面形变化，利用Stoney薄 膜应力计算公式计算出薄膜的应力C，计算公式如下：
式中，Es和vs分别为基底的弹性模量和泊松比；ds和df分别表示基板和薄膜的物理厚 度，ds通过千分尺测量得到，df由上述步骤S4反演计算得到况和R2分别为薄膜镀制前后 基板的曲率，由激光表面干涉仪测量获得； 步骤S6:得到薄膜的折射率差An和薄膜应力〇后，利用公式（4)就可以得到薄膜材 料的应力光学系数。
【文档编号】G01L1/24GK104359600SQ201410720577
【公开日】2015年2月18日 申请日期:2014年12月2日 优先权日:2014年12月2日
【发明者】刘华松, 姜玉刚, 刘丹丹, 季一勤, 姜承慧, 王利栓, 杨霄 申请人:中国航天科工集团第三研究院第八三五八研究所