[發(fā)明專利]一種光學(xué)薄膜應(yīng)力光學(xué)系數(shù)的測(cè)量方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201410720577.X
• 申請(qǐng)日: 2014-12-02
• 公開（公告）號(hào): CN104359600A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 劉華松;姜玉剛;劉丹丹;季一勤;姜承慧;王利栓;楊霄
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 中國(guó)航天科工集團(tuán)第三研究院第八三五八研究所
• 主分類號(hào): G01L1/24
• 分類號(hào): G01L1/24
• 代理公司: 中國(guó)兵器工業(yè)集團(tuán)公司專利中心 11011
• 代理人: 劉東升

1.一種光學(xué)薄膜應(yīng)力光學(xué)系數(shù)的測(cè)量方法，其特征在于，其包括如下步驟：

步驟S1：獲得應(yīng)力光學(xué)系數(shù)B的計(jì)算公式；

光學(xué)薄膜沉積后的高應(yīng)力狀態(tài)與薄膜沉積過(guò)程、基底狀態(tài)相關(guān)，薄膜制備后的殘余應(yīng)力不可避免存在，因此各向同性的薄膜材料在殘余應(yīng)力作用下產(chǎn)生誘導(dǎo)雙折射現(xiàn)象，這就意味著各向同性的薄膜材料在光學(xué)上就變成了各向異性；由于薄膜應(yīng)力為平面雙軸應(yīng)力，因此應(yīng)力誘導(dǎo)薄膜材料出現(xiàn)類雙軸晶體結(jié)構(gòu)折射率橢球，該類雙軸晶體結(jié)構(gòu)折射率橢球?yàn)閤-y-z三軸模型結(jié)構(gòu)；σ_x和σ_y為x和y兩個(gè)方向的主軸應(yīng)力，σ_z為z方向的主軸應(yīng)力，應(yīng)力光學(xué)系數(shù)定義為B，應(yīng)力誘導(dǎo)的折射率橢球三個(gè)方向折射率與應(yīng)力的關(guān)系通過(guò)應(yīng)力光學(xué)系數(shù)聯(lián)系如下：

n_x-n_y＝B(σ_x-σ_y)???(1)

n_x-n_z＝Bσ_x???(2)

n_y-n_z＝Bσ_y???(3)

對(duì)于薄膜應(yīng)力的實(shí)際情況，σ_x＝σ_y＝σ，σ_z＝0，在x-y平面誘導(dǎo)的折射率為n_x＝n_y＝n，z方向的折射率為n_z；因此，由上述公式(1)-公式(3)，得到如下的公式(4)，即可通過(guò)測(cè)量薄膜的應(yīng)力和雙折射Δn即可得到應(yīng)力光學(xué)系數(shù)B；

B=σΔn=σn-nz---(4)]]>

其中薄膜應(yīng)力單位為Pa，薄膜的應(yīng)力光學(xué)系數(shù)單位為1/Pa；

步驟S2：利用橢圓偏振儀測(cè)量薄膜的反射橢圓偏振參數(shù)Ψ(λ)和Δ(λ)，設(shè)定測(cè)量波長(zhǎng)范圍為λ_min-λ_max，測(cè)量步長(zhǎng)為Δλ，λ_min和λ_max的取值在薄膜材料的透明區(qū)域內(nèi)，入射角度為θ；

步驟S2：對(duì)薄膜材料建立單軸折射率橢球方程，建立光在平面雙軸晶體內(nèi)部傳輸?shù)奈锢砟Ｐ秃蛿?shù)學(xué)計(jì)算模型；

步驟S3：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d_f、入射角度θ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)，則認(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：

MSE={12N-MΣi=1N[(ψimod-ψiexpδΨ,iexp)2+(Δimod-ΔiexpδΔ,iexp)2]}12---(5)]]>

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)，ψ_i^exp、和Δ_i^exp分別為i個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量值，ψ_i^mod和Δ_i^mod分別為i個(gè)波長(zhǎng)的計(jì)算值，δ_ψ,i^exp和δ_Δ,i^mod分別為i個(gè)波長(zhǎng)的測(cè)量誤差；從公式(5)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；

步驟S4：通過(guò)上述反演計(jì)算得到薄膜材料的x-y方向折射率n與z方向折射率n_z的折射率差Δn，同時(shí)得到薄膜的物理厚度d_f；

步驟S5：薄膜應(yīng)力通過(guò)測(cè)量薄膜-基底系統(tǒng)鍍膜前后的表面面形變化，利用Stoney薄膜應(yīng)力計(jì)算公式計(jì)算出薄膜的應(yīng)力σ，計(jì)算公式如下：

σ=16Es(1-vs)ds2df(1R2-1R1)---(6)]]>

式中，E_s和v_s分別為基底的彈性模量和泊松比；d_s和d_f分別表示基板和薄膜的物理厚度，d_s通過(guò)千分尺測(cè)量得到，d_f由上述步驟S4反演計(jì)算得到；R₁和R₂分別為薄膜鍍制前后基板的曲率，由激光表面干涉儀測(cè)量獲得；

步驟S6：得到薄膜的折射率差Δn和薄膜應(yīng)力σ后，利用公式(4)就可以得到薄膜材料的應(yīng)力光學(xué)系數(shù)。