一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的測量方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于非晶態(tài)光學(xué)薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體設(shè)及一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的 測量方法，尤其設(shè)及非晶態(tài)二氧化娃薄膜應(yīng)力的測量。
【背景技術(shù)】
[0002] 光學(xué)元件表面薄膜的制備一般是在強(qiáng)烈的非平衡物理和化學(xué)過程中完成，諸如熱 蒸發(fā)、離子束瓣射、磁控瓣射、化學(xué)氣相沉積等技術(shù)，薄膜的殘余應(yīng)力是必然存在。薄膜的殘 余應(yīng)力對薄膜的影響主要有兩個方面；首先，當(dāng)薄膜應(yīng)力較大時，薄膜會從基板上起皺和脫 落；其次，在高應(yīng)力狀態(tài)下，基板彎曲和薄膜的雙折射率效應(yīng)影響到薄膜性能指標(biāo)的提高。 多年來，薄膜應(yīng)力的調(diào)控一直都是光學(xué)薄膜領(lǐng)域內(nèi)應(yīng)用的重要技術(shù)方向。
[0003] 薄膜應(yīng)力調(diào)控的前提必須是實現(xiàn)薄膜應(yīng)力大小的測試。目前，薄膜宏觀應(yīng)力的測 量方法很多，均是基于無損傷的光學(xué)測量，從薄膜應(yīng)力測量的基本原理來看，分為兩大類： 一類是基于測量基板的曲率半徑在薄膜沉積前后的變化推演出薄膜應(yīng)力，如懸臂梁法、牛 頓環(huán)法、光柵反射法、激光干設(shè)法、激光光杠桿法；另一類則是利用X射線衍射技術(shù)和Raman 光譜技術(shù)測量薄膜的彈性應(yīng)變，通過彈性應(yīng)變推算出薄膜的應(yīng)力；該兩大類的方法基本的 思路都是通過測量彈性應(yīng)變的光效應(yīng)，反向推算出薄膜的應(yīng)力，能夠表征出薄膜的宏觀應(yīng) 力水平，但對于微區(qū)域的應(yīng)力評價仍是技術(shù)難題之一。隨著現(xiàn)代薄膜沉積技術(shù)的發(fā)展，薄膜 微結(jié)構(gòu)表現(xiàn)出越來越多的非晶態(tài)的無定形態(tài)結(jié)構(gòu)，如何快速、簡便地評價非晶態(tài)薄膜的微 區(qū)應(yīng)力，用于指導(dǎo)非晶態(tài)薄膜的應(yīng)力調(diào)控，對于現(xiàn)代薄膜沉積技術(shù)下應(yīng)力調(diào)控技術(shù)具有重 要意義。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] (一）要解決的技術(shù)問題
[0005] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是；如何提供一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的測量方 法。
[0006] (二）技術(shù)方案
[0007] 為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的測量方法，其 包括如下步驟：
[000引步驟S1 ;建立薄膜材料應(yīng)力雙折射x-y-z坐標(biāo)系物理模型，其中，x-y平面為薄膜 表面，Z軸垂直于薄膜表面，沿X軸的n,、沿y軸的rv沿Z軸的n,分別表示；個方向的折射 率，沿X軸的Oy、沿y軸的Oy、沿Z軸的0,分別表示S個方向的主軸應(yīng)力；
[0009] 步驟S2 ;首先利用楠圓偏振儀測量薄膜的反射楠圓偏振參數(shù)W(A)和A a),設(shè) 定測量波長范圍為^min-Amax，測量步長為A A，Amin和Amax的取值在薄膜材料的透 明區(qū)域內(nèi)，入射角度為0 ;
[0010] 步驟S3 ;對薄膜材料建立單軸折射率方程，建立光在平面單軸晶體內(nèi)部傳輸?shù)奈?理模型和數(shù)學(xué)計算模型，令n,= ny = n ;
[0011] 步驟S4 ;薄膜-基底的反射楠圓偏振參數(shù)由薄膜和基底的折射率、薄膜的厚度df、 入射角度0共同確定，使用非線性優(yōu)化算法，對測量的反射楠偏參數(shù)進(jìn)行反演計算，當(dāng)測 量數(shù)據(jù)與理論計算的數(shù)據(jù)基本一致時，可認(rèn)為反演計算成功；因此提前設(shè)定薄膜反演計算 的評價函數(shù)如下：
[0012]
【主權(quán)項】
1. 一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的測量方法，其特征在于，其包括如下步驟： 步驟S1 :建立薄膜材料應(yīng)力雙折射x-y-z坐標(biāo)系物理模型，其中，X-y平面為薄膜表面，z軸垂直于薄膜表面，沿x軸的nx、沿y軸的ny、沿z軸的nz分別表示三個方向的折射率，沿 x軸的〇x、沿y軸的〇y、沿z軸的〇z分別表示三個方向的主軸應(yīng)力； 步驟S2 :首先利用橢圓偏振儀測量薄膜的反射橢圓偏振參數(shù)W(X)和△ (X)，設(shè)定測 量波長范圍為Xmin-Amax，測量步長為AA，Amin和Amax的取值在薄膜材料的透明區(qū) 域內(nèi)，入射角度為Q; 步驟S3 :對薄膜材料建立單軸折射率方程，建立光在平面單軸晶體內(nèi)部傳輸?shù)奈锢砟?型和數(shù)學(xué)計算模型，令nx=ny =n; 步驟S4 :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df、入射 角度0共同確定，使用非線性優(yōu)化算法，對測量的反射橢偏參數(shù)進(jìn)行反演計算，當(dāng)測量數(shù) 據(jù)與理論計算的數(shù)據(jù)基本一致時，可認(rèn)為反演計算成功；因此提前設(shè)定薄膜反演計算的評 價函數(shù)如下：
其中，MSE是測量值與理論模型計算值的均方差，N為測量波長的數(shù)目，M為變量個數(shù)， 步廣和A廣分別為i個波長的測量值，！D，和A，分別為i個波長的計算值，S^廣 和SAim°d分別為i個波長的測量誤差；從公式（1)中可以看出，MSE被測量誤差加權(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； 通過上述反演計算可以得到薄膜材料的x-y方向折射率n與z方向折射率nz的折射 率差A(yù)n，同時得到薄膜的物理厚度df; 步驟S5 :得到薄膜z方向與x-y平面的率差A(yù)n后，利用公式（2)就可以得到薄膜材 料的微區(qū)應(yīng)力〇 ;
其中，〇為薄膜材料微區(qū)應(yīng)力，B為薄膜的應(yīng)力光學(xué)系數(shù)。
【專利摘要】本發(fā)明屬于非晶態(tài)光學(xué)薄膜技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種非晶態(tài)光學(xué)薄膜微區(qū)應(yīng)力的測量方法，尤其涉及非晶態(tài)二氧化硅薄膜應(yīng)力的測量。該方法基于各向同性材料的光彈效應(yīng)，通過建立薄膜材料應(yīng)力雙折射橢球模型，通過測量薄膜的雙折射效應(yīng)，并通過橢偏光譜分析計算得到薄膜面內(nèi)折射率和垂直于表面方向折射率的差值，進(jìn)而可以計算得到薄膜材料的微區(qū)應(yīng)力。此方法簡單方便，避免研制復(fù)雜的應(yīng)力測試系統(tǒng)，可以實現(xiàn)二氧化硅薄膜材料的應(yīng)力與光學(xué)性能的快速評價和測量。經(jīng)過實驗證明，該方法可以有效地獲得薄膜的微區(qū)應(yīng)力大小，同時還可獲得薄膜的光學(xué)特性，對于快速高效評價非晶態(tài)光學(xué)薄膜的應(yīng)力具有重要的應(yīng)用價值。
【IPC分類】G01L1-24
【公開號】CN104568248
【申請?zhí)枴緾N201410717404
【發(fā)明人】季一勤, 劉華松, 劉丹丹, 姜承慧, 王利栓, 楊霄, 孫鵬, 冷健
【申請人】中國航天科工集團(tuán)第三研究院第八三五八研究所
【公開日】2015年4月29日
【申請日】2014年12月2日