一种薄膜内应力检测方法

1.本发明涉及内应力检测技术领域，尤其涉及一种薄膜内应力检测方法。


背景技术：

2.近年来，薄膜制备技术广泛应用于生物医学、光学器件、微电子器件、各种传感器等领域。然而，在薄膜的制备过程中总是会形成内应力，从而影响应用过程中的可靠性。镀层的压应力会使镀层产生气泡，过大的压应力会导致薄膜和基材的变形，拉应力会使镀层生成裂纹，过大的拉应力会造成薄膜损坏。因此，实时监测镀膜内应力对应用具有重要价值。目前常用的内应力检测方法包括基板曲率法、压痕法、盲孔法和x 射线衍射方法，基板曲率法对镀层厚度要求严格，无法在线检测，压痕法和盲孔法都需要施加外力，容易对试样造成不可恢复的损坏；拉曼光谱方法复杂且成本昂贵。因此，提出一种结构简单、体积小巧、能够在线检测生长薄膜内应力的方法具有重要意义。


技术实现要素：

3.(一)要解决的技术问题
4.基于上述问题，本发明提供一种薄膜内应力的检测方法，能够便捷、实时在线检测薄膜生长过程的内应力。
5.(二)技术方案
6.基于上述的技术问题，本发明提供一种薄膜内应力检测方法，其原理应力作用在光纤布拉格光栅上时，会导致布拉格光栅的栅距改变，从而改变光纤布拉格光栅的反射谱中心波长，通过观测光栅中心波长的漂移可以得到光栅布拉格光纤受到的应变，以此计算出薄膜的内应力。其装置主要包括光纤布拉格光栅、光纤光栅解调系统和光纤夹具。所述光纤解调系统包括光纤光栅解调仪及信号光源。
7.进一步的，所述光纤布拉格光栅应去除表面涂覆层，并进行相应的表面处理。
8.进一步的，固定光纤，并将光纤布拉格光栅放置在镀膜装置内。
9.优选地，光纤材料可以是石英、塑料等材料。
10.优选地，镀膜装置可以是化学镀、电镀和气相沉积等。
11.本发明公开了一种薄膜内应力检测方法，所述测量方法包括以下步骤：
12.s1、将所述光纤布拉格光栅尾纤一侧端头通过3db耦合器分别与信号光源和光纤光栅解调仪连接。
13.s2、通过光纤夹持工具固定光纤并将光纤布拉格光栅放置在镀膜装置内，并尽可能保证其与待镀件等效制膜位置。
14.s3、当温度达到设定工作温度后，记录光纤布拉格光栅在工作温度下的反射谱。
15.s4、开始镀膜，记录光纤布拉格光栅的反射谱的中心波长变化。
16.s5、随着薄膜生长的进行，逐渐沉积出镀层，光纤布拉格光栅会受到生长出的薄膜导致的内应力，使得光纤布拉格光栅的反射谱会发生漂移，由于布拉格光栅在低应变下具
有相对稳定的应变灵敏度，根据反射谱的漂移量和应变灵敏度，可以分析应变值，再根据ε＝σ/e，计算出应力值，实现对薄膜的内应力检测。
17.(三)有益效果
18.本发明的上述技术方案具有如下优点：
19.(1)本发明通过光纤布拉格光栅的反射光谱随应力的变化发生改变，实现对薄膜内应力的检测，不需要进行破坏性或损伤性测试。
20.(2)本发明装置简单、分辨率高、适用于动态监测等特点。
附图说明
21.通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：
22.图1为本发明实施例中一种薄膜内应力测量装置的示意图；
23.图2、图3为本发明实施例中一种薄膜内应力测量装置使用示意图；
24.图4为本发明系统示意图
25.图1中：1：信号光源；2：光纤光栅解调仪；3：电源；4：阳极棒； 5夹持工具；6：恒温水浴锅；7：电解池；8：光纤布拉格光栅；9：3db 耦合器；10：镀液；11：待测样；12：导线夹；13：光纤；14：导线。
26.图4中：1：信号光纤；2：光纤光栅解调仪；3：镀膜装置；4：待测样；5：光纤布拉格光栅；6：支架；7：耦合器；8：导线。
具体实施方式
27.下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
28.本发明实施例一种薄膜内应力检测装置包括光学器件、光纤耦合器、光纤光栅解调系统和镀膜装置。如图1所示，所述光纤解调系统包括光纤光栅解调仪2、信号光源1和单模石英光纤11；所述镀膜装置包括：电源3、电解池7、阳极棒4、恒温水浴锅6、夹持工具5和导线夹12；所述光学器件为光纤布拉格光栅8；所述光纤耦合器为3db 耦合器9。
29.上述薄膜内应力测量方法为：
30.实例为检测在电镀镍过程中薄膜内应力生长过程，对光纤布拉格光栅进行表面预处理，在表面涂覆上一层薄金属导电膜，以上述表面处理过的光纤布拉格光栅和待测样为阴极，直径为1.5mm的镍棒作为阳极。
31.s1，将所述光纤布拉格光栅8一侧端头通过3db耦合器9分别与信号光源1和光纤光栅解调仪2连接，将所述光纤布拉格光栅8和待测样11作为电镀和的阴极，与阳极棒4平行置于镀液10内，将光纤布拉格光栅8和待测样11置于等效位置，将阳极棒4和连接有光纤布拉格光栅8和待测样11的导线夹12分别连接电源正负极。
32.s2，将电解池7置于控温水浴锅6内，设定镀液10的工作温度。
33.s3,当电镀液10温度达到设定工作温度后，记录光纤布拉格光栅8 在工作温度和未电镀时的反射谱的中心波长。
34.s4,开启电源3，设定电流为3.125ma，开始电镀,记录光纤布拉格光栅8的反射谱中
心波长变化。
35.s5，随着薄膜生长的进行，逐渐沉积出镀层，光纤布拉格光栅会受到生长出的薄膜导致的内应力，使得光纤布拉格光栅的反射谱会发生漂移，由于布拉格光栅在低应变下具有相对稳定的应变灵敏度，本实例所用的布拉格光栅应变灵敏度为12pm/με，根据反射谱的漂移量和应变灵敏度，可以分析应变值，再根据计算出应力值，实现对薄膜的内应力检测。由于所用光纤光栅解调仪的分辨率为0.02nm，对应的应力分辨率为0.117mpa.当电镀时间为30min时，光纤布拉格光栅蓝移0.14nm，对应的内应力为0.819mpa,时间为60min时，光纤布拉格光栅蓝移0.28nm,对应的内应力为1.638mpa,当时间为90min时，光纤布拉格光栅蓝移0.4nm，对应的内应力为2.34mpa,当时间为120min时，光纤布拉格光栅蓝移0.44nm，对应的内应力为2.574mpa.通过光纤布拉格光栅反射谱的变化，可以分析得出镀层的内应力。
36.综上可知，通过上述的一种电镀内应力检测装置及其测量方法，具有以下优点：
37.(1)本发明通过光纤布拉格光栅的反射光谱随应变的变化发生改变，实现对薄膜内应力的检测，不需要对进行破坏性或损伤性测试。
38.(2)本发明所述测量装置具有结构简单本、分辨率高、适用于动态监测的特点。
39.最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下做出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。