[发明专利]一种光学薄膜应力光学系数的测量方法

说明书

技术领域

本发明属于薄膜应力光学系数测量技术领域，具体涉及一种光学薄膜应力光学系数的测量方法。

背景技术

随着应用光学、信息光学、光通信、光学成像与光学探测技术的不断扩展，以及计算机技术、真空技术、光电子技术的飞速发展，薄膜光学元件和薄膜电子器件得到了日益广泛的应用。由于光学薄膜的制备是在强烈的非平衡物理化学过程中完成，因此薄膜的应力直接影响到薄膜光学元件和薄膜电子器件的稳定性和成品率。当薄膜应力较大时，出现薄膜的卷曲、褶皱等薄膜脱落现象；当薄膜应力较小时，出现薄膜应力双折射现象，尤其是在低损耗光学薄膜领域内应用，微弱的应力双折射效应，会出现应力诱导的光学损耗现象。因此，薄膜应力问题变得愈来愈突出和重要。

应力与双折射的关系在光学领域内有成熟的理论，人们通过应力-光学定律建立了应力与光学特性之间的关联性，应力与双折射之间关系的常数比例即为应力光学系数。因此，通过光学材料的应力状态可以定性判断材料的双折射特性。研究人员基于应力-光学定律，先后研究发展了基于光弹效应的三维光弹性、散光光弹性、双折射贴片法、全息干涉法等，这些基于光弹效应的应力测试方法具有准确、全场、直观和非接触等特点，能够直接观察到中应力分布的全貌，并且能够特别有效测量复杂几何形状的结构件应力分布。薄膜一般是厚度介于数个单原子层至数微米之间的固体薄层，薄膜材料与基底之间构成相互联系和相互作用的统一体，基于应力-光弹效应的传统测量技术已经不能单独评价薄膜的应力光学特性。因此如何评价薄膜的弱应力双折射成为光学薄膜技术领域内的难题之一，薄膜材料的应力光学系数测量也成为技术难点之一。

二氧化硅薄膜是一种重要纳米薄膜材料，具有宽透明区(0.15μm～8μm)、低折射率、硬度高、热膨胀系数低、电绝缘性、耐摩擦、耐酸碱、抗腐蚀等优点，被广泛应用于光学薄膜元件、半导体集成电路、电子器件、传感器、激光器件、化学催化、生物医学、表面改性和医药包装等领域内。根据不同的应用领域，SiO₂薄膜的制备方法主要采用热蒸发、电子束蒸发、离子辅助、离子束溅射、磁控溅射、原子层沉积、溶胶-凝胶、热氧化等方法，因此二氧化硅薄膜的应力光学常数也各不相同。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是：如何提供一种光学薄膜应力光学系数的测量方法。

(二)技术方案

为解决上述技术问题，本发明提供一种光学薄膜应力光学系数的测量方法，其包括如下步骤：

步骤S1：获得应力光学系数B的计算公式；

光学薄膜沉积后的高应力状态与薄膜沉积过程、基底状态相关，薄膜制备后的残余应力不可避免存在，因此各向同性的薄膜材料在残余应力作用下产生诱导双折射现象，这就意味着各向同性的薄膜材料在光学上就变成了各向异性；由于薄膜应力为平面双轴应力，因此应力诱导薄膜材料出现类双轴晶体结构折射率椭球，该类双轴晶体结构折射率椭球为x-y-z三轴模型结构；σ_x和σ_y为x和y两个方向的主轴应力，σ_z为z方向的主轴应力，应力光学系数定义为B，应力诱导的折射率椭球三个方向折射率与应力的关系通过应力光学系数联系如下：

n_x-n_y＝B(σ_x-σ_y)  (1)

n_x-n_z＝Bσ_x  (2)

n_y-n_z＝Bσ_y  (3)

对于薄膜应力的实际情况，σ_x＝σ_y＝σ，σ_z＝0，在x-y平面诱导的折射率为n_x＝n_y＝n，z方向的折射率为n_z；因此，由上述公式(1)-公式(3)，得到如下的公式(4)，即可通过测量薄膜的应力和双折射Δn即可得到应力光学系数B；