一种非晶态光学薄膜微区应力的测量方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于非晶态光学薄膜技术领域，具体设及一种非晶态光学薄膜微区应力的 测量方法，尤其设及非晶态二氧化娃薄膜应力的测量。
【背景技术】
[0002] 光学元件表面薄膜的制备一般是在强烈的非平衡物理和化学过程中完成，诸如热 蒸发、离子束瓣射、磁控瓣射、化学气相沉积等技术，薄膜的残余应力是必然存在。薄膜的残 余应力对薄膜的影响主要有两个方面；首先，当薄膜应力较大时，薄膜会从基板上起皱和脱 落；其次，在高应力状态下，基板弯曲和薄膜的双折射率效应影响到薄膜性能指标的提高。 多年来，薄膜应力的调控一直都是光学薄膜领域内应用的重要技术方向。
[0003] 薄膜应力调控的前提必须是实现薄膜应力大小的测试。目前，薄膜宏观应力的测 量方法很多，均是基于无损伤的光学测量，从薄膜应力测量的基本原理来看，分为两大类： 一类是基于测量基板的曲率半径在薄膜沉积前后的变化推演出薄膜应力，如悬臂梁法、牛 顿环法、光栅反射法、激光干设法、激光光杠杆法；另一类则是利用X射线衍射技术和Raman 光谱技术测量薄膜的弹性应变，通过弹性应变推算出薄膜的应力；该两大类的方法基本的 思路都是通过测量弹性应变的光效应，反向推算出薄膜的应力，能够表征出薄膜的宏观应 力水平，但对于微区域的应力评价仍是技术难题之一。随着现代薄膜沉积技术的发展，薄膜 微结构表现出越来越多的非晶态的无定形态结构，如何快速、简便地评价非晶态薄膜的微 区应力，用于指导非晶态薄膜的应力调控，对于现代薄膜沉积技术下应力调控技术具有重 要意义。
【发明内容】
[0004] (一）要解决的技术问题
[0005] 本发明要解决的技术问题是；如何提供一种非晶态光学薄膜微区应力的测量方 法。
[0006] (二）技术方案
[0007] 为解决上述技术问题，本发明提供一种非晶态光学薄膜微区应力的测量方法，其 包括如下步骤：
[000引步骤S1 ;建立薄膜材料应力双折射x-y-z坐标系物理模型，其中，x-y平面为薄膜 表面，Z轴垂直于薄膜表面，沿X轴的n,、沿y轴的rv沿Z轴的n,分别表示；个方向的折射 率，沿X轴的Oy、沿y轴的Oy、沿Z轴的0,分别表示S个方向的主轴应力；
[0009] 步骤S2 ;首先利用楠圆偏振仪测量薄膜的反射楠圆偏振参数W(A)和A a),设 定测量波长范围为^min-Amax，测量步长为A A，Amin和Amax的取值在薄膜材料的透 明区域内，入射角度为0 ;
[0010] 步骤S3 ;对薄膜材料建立单轴折射率方程，建立光在平面单轴晶体内部传输的物 理模型和数学计算模型，令n,= ny = n ;
[0011] 步骤S4 ;薄膜-基底的反射楠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0共同确定，使用非线性优化算法，对测量的反射楠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，可认为反演计算成功；因此提前设定薄膜反演计算 的评价函数如下：
[0012]
【主权项】
1. 一种非晶态光学薄膜微区应力的测量方法，其特征在于，其包括如下步骤： 步骤S1 :建立薄膜材料应力双折射x-y-z坐标系物理模型，其中，X-y平面为薄膜表面，z轴垂直于薄膜表面，沿x轴的nx、沿y轴的ny、沿z轴的nz分别表示三个方向的折射率，沿 x轴的〇x、沿y轴的〇y、沿z轴的〇z分别表示三个方向的主轴应力； 步骤S2 :首先利用椭圆偏振仪测量薄膜的反射椭圆偏振参数W(X)和△ (X)，设定测 量波长范围为Xmin-Amax，测量步长为AA，Amin和Amax的取值在薄膜材料的透明区 域内，入射角度为Q; 步骤S3 :对薄膜材料建立单轴折射率方程，建立光在平面单轴晶体内部传输的物理模 型和数学计算模型，令nx=ny =n; 步骤S4 :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0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，可认为反演计算成功；因此提前设定薄膜反演计算的评 价函数如下：
其中，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， 步广和A广分别为i个波长的测量值，！D，和A，分别为i个波长的计算值，S^广 和SAim°d分别为i个波长的测量误差；从公式（1)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； 通过上述反演计算可以得到薄膜材料的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 :得到薄膜z方向与x-y平面的率差An后，利用公式（2)就可以得到薄膜材 料的微区应力〇 ;
其中，〇为薄膜材料微区应力，B为薄膜的应力光学系数。
【专利摘要】本发明属于非晶态光学薄膜技术领域，具体涉及一种非晶态光学薄膜微区应力的测量方法，尤其涉及非晶态二氧化硅薄膜应力的测量。该方法基于各向同性材料的光弹效应，通过建立薄膜材料应力双折射椭球模型，通过测量薄膜的双折射效应，并通过椭偏光谱分析计算得到薄膜面内折射率和垂直于表面方向折射率的差值，进而可以计算得到薄膜材料的微区应力。此方法简单方便，避免研制复杂的应力测试系统，可以实现二氧化硅薄膜材料的应力与光学性能的快速评价和测量。经过实验证明，该方法可以有效地获得薄膜的微区应力大小，同时还可获得薄膜的光学特性，对于快速高效评价非晶态光学薄膜的应力具有重要的应用价值。
【IPC分类】G01L1-24
【公开号】CN104568248
【申请号】CN201410717404
【发明人】季一勤, 刘华松, 刘丹丹, 姜承慧, 王利栓, 杨霄, 孙鹏, 冷健
【申请人】中国航天科工集团第三研究院第八三五八研究所
【公开日】2015年4月29日
【申请日】2014年12月2日