[發明專利]一種光學薄膜應力光學系數的測量方法

有效

• 申請號: 201410720577.X
• 申請日: 2014-12-02
• 公開（公告）號: CN104359600A
• 公開（公告）日: 2015-02-18
• 發明（設計）人: 劉華松;姜玉剛;劉丹丹;季一勤;姜承慧;王利栓;楊霄
• 申請（專利權）人: 中國航天科工集團第三研究院第八三五八研究所
• 主分類號: G01L1/24
• 分類號: G01L1/24
• 代理公司: 中國兵器工業集團公司專利中心 11011
• 代理人: 劉東升

技術領域

本發明屬于薄膜應力光學系數測量技術領域，具體涉及一種光學薄膜應力光學系數的測量方法。

背景技術

隨著應用光學、信息光學、光通信、光學成像與光學探測技術的不斷擴展，以及計算機技術、真空技術、光電子技術的飛速發展，薄膜光學元件和薄膜電子器件得到了日益廣泛的應用。由于光學薄膜的制備是在強烈的非平衡物理化學過程中完成，因此薄膜的應力直接影響到薄膜光學元件和薄膜電子器件的穩定性和成品率。當薄膜應力較大時，出現薄膜的卷曲、褶皺等薄膜脫落現象；當薄膜應力較小時，出現薄膜應力雙折射現象，尤其是在低損耗光學薄膜領域內應用，微弱的應力雙折射效應，會出現應力誘導的光學損耗現象。因此，薄膜應力問題變得愈來愈突出和重要。

應力與雙折射的關系在光學領域內有成熟的理論，人們通過應力-光學定律建立了應力與光學特性之間的關聯性，應力與雙折射之間關系的常數比例即為應力光學系數。因此，通過光學材料的應力狀態可以定性判斷材料的雙折射特性。研究人員基于應力-光學定律，先后研究發展了基于光彈效應的三維光彈性、散光光彈性、雙折射貼片法、全息干涉法等，這些基于光彈效應的應力測試方法具有準確、全場、直觀和非接觸等特點，能夠直接觀察到中應力分布的全貌，并且能夠特別有效測量復雜幾何形狀的結構件應力分布。薄膜一般是厚度介于數個單原子層至數微米之間的固體薄層，薄膜材料與基底之間構成相互聯系和相互作用的統一體，基于應力-光彈效應的傳統測量技術已經不能單獨評價薄膜的應力光學特性。因此如何評價薄膜的弱應力雙折射成為光學薄膜技術領域內的難題之一，薄膜材料的應力光學系數測量也成為技術難點之一。

二氧化硅薄膜是一種重要納米薄膜材料，具有寬透明區(0.15μm～8μm)、低折射率、硬度高、熱膨脹系數低、電絕緣性、耐摩擦、耐酸堿、抗腐蝕等優點，被廣泛應用于光學薄膜元件、半導體集成電路、電子器件、傳感器、激光器件、化學催化、生物醫學、表面改性和醫藥包裝等領域內。根據不同的應用領域，SiO₂薄膜的制備方法主要采用熱蒸發、電子束蒸發、離子輔助、離子束濺射、磁控濺射、原子層沉積、溶膠-凝膠、熱氧化等方法，因此二氧化硅薄膜的應力光學常數也各不相同。

發明內容

(一)要解決的技術問題

本發明要解決的技術問題是：如何提供一種光學薄膜應力光學系數的測量方法。

(二)技術方案

為解決上述技術問題，本發明提供一種光學薄膜應力光學系數的測量方法，其包括如下步驟：

步驟S1：獲得應力光學系數B的計算公式；

光學薄膜沉積后的高應力狀態與薄膜沉積過程、基底狀態相關，薄膜制備后的殘余應力不可避免存在，因此各向同性的薄膜材料在殘余應力作用下產生誘導雙折射現象，這就意味著各向同性的薄膜材料在光學上就變成了各向異性；由于薄膜應力為平面雙軸應力，因此應力誘導薄膜材料出現類雙軸晶體結構折射率橢球，該類雙軸晶體結構折射率橢球為x-y-z三軸模型結構；σ_x和σ_y為x和y兩個方向的主軸應力，σ_z為z方向的主軸應力，應力光學系數定義為B，應力誘導的折射率橢球三個方向折射率與應力的關系通過應力光學系數聯系如下：

n_x-n_y＝B(σ_x-σ_y)??(1)

n_x-n_z＝Bσ_x??(2)

n_y-n_z＝Bσ_y??(3)

對于薄膜應力的實際情況，σ_x＝σ_y＝σ，σ_z＝0，在x-y平面誘導的折射率為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)，即可通過測量薄膜的應力和雙折射Δn即可得到應力光學系數B；