一種光學薄膜應力光學系數(shù)的測量方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于薄膜應力光學系數(shù)測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光學薄膜應力光學系數(shù)的測量方法。本發(fā)明提出一種薄膜應力光學系數(shù)的測量方法，尤其是針對二氧化硅薄膜材料的應力光學常數(shù)測試，此方法簡單方便，避免研制復雜的光學測試系統(tǒng)，可以實現(xiàn)二氧化硅薄膜材料的應力光學系數(shù)測量。具體而言，本發(fā)明通過測量出薄膜的應力與雙折射特性，通過使用應力光學定律計算得到薄膜的應力光學系數(shù)，此方法快捷方便，避免使用復雜的應力光學系數(shù)測量系統(tǒng)，為薄膜材料的應力光學系數(shù)測量提供了新的方法和手段。
【專利說明】-種光學薄膜應力光學系數(shù)的測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于薄膜應力光學系數(shù)測量【技術(shù)領(lǐng)域】，具體涉及一種光學薄膜應力光學系 數(shù)的測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 隨著應用光學、信息光學、光通信、光學成像與光學探測技術(shù)的不斷擴展，W及計 算機技術(shù)、真空技術(shù)、光電子技術(shù)的飛速發(fā)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(wěn)定性和成品率。當薄膜應力較大時，出現(xiàn)薄 膜的卷曲、權(quán)皺等薄膜脫落現(xiàn)象；當薄膜應力較小時，出現(xiàn)薄膜應力雙折射現(xiàn)象，尤其是在 低損耗光學薄膜領(lǐng)域內(nèi)應用，微弱的應力雙折射效應，會出現(xiàn)應力誘導的光學損耗現(xiàn)象。因 此，薄膜應力問題變得愈來愈突出和重要。
[0003] 應力與雙折射的關(guān)系在光學領(lǐng)域內(nèi)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(guān)聯(lián)性，應力與雙折射之間關(guān)系的常數(shù)比例即為應力光學系數(shù)。 因此，通過光學材料的應力狀態(tài)可W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(fā)展了基于光彈效應的H維光彈性、散光光彈性、雙折射貼片法、全息干 涉法等，該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(jié)構(gòu)件應力分布。薄 膜一般是厚度介于數(shù)個單原子層至數(shù)微米之間的固體薄層，薄膜材料與基底之間構(gòu)成相互 聯(lián)系和相互作用的統(tǒng)一體，基于應力-光彈效應的傳統(tǒng)測量技術(shù)已經(jīng)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(shù)領(lǐng)域】內(nèi)的難題之一， 薄膜材料的應力光學系數(shù)測量也成為技術(shù)難點之一。
[0004] 二氧化娃薄膜是一種重要納米薄膜材料，具有寬透明區(qū)化15um?8um)、低折 射率、硬度高、熱膨脹系數(shù)低、電絕緣性、耐摩擦、耐酸堿、抗腐蝕等優(yōu)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(yī)學、表面改性和 醫(yī)藥包裝等領(lǐng)域內(nèi)。根據(jù)不同的應用領(lǐng)域，Si〇2薄膜的制備方法主要采用熱蒸發(fā)、電子束蒸 發(fā)、離子輔助、離子束姍射、磁控姍射、原子層沉積、溶膠-凝膠、熱氧化等方法，因此二氧化 娃薄膜的應力光學常數(shù)也各不相同。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] (一）要解決的技術(shù)問題
[0006] 本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是：如何提供一種光學薄膜應力光學系數(shù)的測量方法。
[0007](二）技術(shù)方案
[0008]為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供一種光學薄膜應力光學系數(shù)的測量方法，其包 括如下步驟：
[0009] 步驟Sl;獲得應力光學系數(shù)B的計算公式；
[0010] 光學薄膜沉積后的高應力狀態(tài)與薄膜沉積過程、基底狀態(tài)相關(guān)，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(chǎn)生誘導雙折射現(xiàn)象， 該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(xiàn)類雙軸晶體結(jié)構(gòu)折射率楠球，該類雙軸晶體結(jié)構(gòu)折射率楠 球為x-y-zH軸模型結(jié)構(gòu)；Oy和Oy為X和y兩個方向的主軸應力，O,為Z方向的主軸應 力，應力光學系數(shù)定義為B，應力誘導的折射率楠球H個方向折射率與應力的關(guān)系通過應力 光學系數(shù)聯(lián)系如下：
[0011] Dx-Dy = B(Ox-Oy) (1)
[0012] 11,-? =BOX(2)
[0013] ny-nz=B〇y做
[0014] 對于薄膜應力的實際情況，OX=Oy=O，OZ= 0,在x-y平面誘導的折射率為 n, =ny=n，Z方向的折射率為n,;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An即可得到應力光學系數(shù)B;

【權(quán)利要求】
1. 一種光學薄膜應力光學系數(shù)的測量方法，其特征在于，其包括如下步驟： 步驟Sl :獲得應力光學系數(shù)B的計算公式； 光學薄膜沉積后的高應力狀態(tài)與薄膜沉積過程、基底狀態(tài)相關(guān)，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(chǎn)生誘導雙折射現(xiàn)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(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)折射率橢球為 x-y-z三軸模型結(jié)構(gòu)；〇x和〇y為X和y兩個方向的主軸應力，OzSz方向的主軸應力， 應力光學系數(shù)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(guān)系通過應力光 學系數(shù)聯(lián)系如下： nx-ny = B ( 〇 x- 〇 y) (I) nx-nz = Box (2) ny-nz = Boy (3) 對于薄膜應力的實際情況，〇 x = 〇 y = 〇，〇 z = 〇,在x-y平面誘導的折射率為nx = ny = n，z方向的折射率為nz;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An即可得到應力光學系數(shù)B ;
其中薄膜應力單位為Pa,薄膜的應力光學系數(shù)單位為1/Pa ; 步驟S2 :利用橢圓偏振儀測量薄膜的反射橢圓偏振參數(shù)W U )和A U )，設定測量波 長范圍為Amin-Amax，測量步長為A X，入_和Xmax的取值在薄膜材料的透明區(qū)域內(nèi)，入射 角度為9 ; 步驟S2 :對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?理模型和數(shù)學計算模型； 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df、入射 角度e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)進行反演計算，當測量數(shù) 據(jù)與理論計算的數(shù)據(jù)基本一致時，則認為反演計算成功；因此提前設定薄膜反演計算的評 價函數(shù)如下：
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)，V廣p、 和分別為i個波長的測量值，Vim°d和A，分別為i個波長的計算值，S v,廣和 S A/°d分別為i個波長的測量誤差；從公式（5)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； 步驟S4 :通過上述反演計算得到薄膜材料的x-y方向折射率n與z方向折射率nz的折 射率差An，同時得到薄膜的物理厚度df ; 步驟S5 :薄膜應力通過測量薄膜-基底系統(tǒng)鍍膜前后的表面面形變化，利用Stoney薄 膜應力計算公式計算出薄膜的應力C，計算公式如下：
式中，Es和vs分別為基底的彈性模量和泊松比；ds和df分別表示基板和薄膜的物理厚 度，ds通過千分尺測量得到，df由上述步驟S4反演計算得到?jīng)r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量獲得； 步驟S6:得到薄膜的折射率差An和薄膜應力〇后，利用公式（4)就可以得到薄膜材 料的應力光學系數(shù)。
【文檔編號】G01L1/24GK104359600SQ201410720577
【公開日】2015年2月18日 申請日期:2014年12月2日 優(yōu)先權(quán)日:2014年12月2日
【發(fā)明者】劉華松, 姜玉剛, 劉丹丹, 季一勤, 姜承慧, 王利栓, 楊霄 申請人:中國航天科工集團第三研究院第八三五八研究所