CN104634760A - 一种光学薄膜应力的测试装置及测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种光学薄膜应力的测试装置及测试方法，通过表面声波发生器在所制备的长条样品的正面和背面的特定位置产生频率相同的表面声波，表面声波对入射光而言相当于一个衍射光栅，当没有镀膜时，基底正背面表面声波波长相等形成对称的衍射光栅，衍射零级或±1级光强分布均匀，当镀膜后，应力使基底弯曲，由于两面声波速率变化导致正背面声波波长不同，衍射光栅不再对称，导致零级或±1级衍射光强分布不再均匀，产生光强周期性分布，根据周期的大小换算成基底的弯曲曲率，再根据Stoney公式计算出薄膜的应力。本发明结构简单、制作简便、灵敏度高，消除了传统基底弯曲法的系统误差，可应用于透明基底上制备的所有薄膜应力的检测。

Description

一种光学薄膜应力的测试装置及测试方法

技术领域

本发明属于光学薄膜测试领域，具体为一种结构简单、灵敏度高的光学薄膜应力测试装置及测试方法。

背景技术

现有的薄膜应力测试技术主要有悬臂法、衍射法等。而悬臂法和光干涉法要求基底一端固定、一端自由悬空，然后在基片下面淀积薄膜，基片因膜内应力作用弯曲，使自由端产生一个位移量，由于基底在自身的重力下产生一定的变形，会对位移量产生一定的影响，在薄膜制备前后两次测量时的支撑条件不可能完全一样，这样重力对位移的贡献不一样，导致不能完全消除，影响了测试精度。衍射法只能用在晶体和多晶薄膜，对于微晶和非晶结构不能测试，而绝大多数光学薄膜属于微晶和非晶结构，这样衍射法将不能使用。

超声波法测量材料应力的方法要追溯到20世纪40年代。根据声弹性原理，当材料中有应力存在时，超声波的传播速度与应力的大小相关，通过测量超声波在材料中的传播速度来间接测量应力值。传统的超声波法要测量声速，由于应力改变的声速量非常小，加之目前技术限制，测量的声速精度不高，导致超声波法在光学薄膜应力测试应用困难。

发明内容

为解决现有技术存在的问题，本发明提出了一种光学薄膜应力的测试方法，利用表面声波在基底正背面形成的衍射光栅来检测光学薄膜的应力，当没有镀膜时，基底正背面表面声波波长相等形成对称的衍射光栅，零级或±1级衍射光强分布均匀，当镀膜后，应力使基底弯曲，由于两面声波速率变化导致正背面声波波长不同，衍射光栅不再对称，导致零级或±1级衍射光强分布不再均匀，产生光强周期性分布，且随着应力增大零级或±1级衍射光强度分布周期减小，根据周期的大小换算成基底的弯曲曲率，在根据Stoney公式计算出薄膜的应力。

本发明的技术方案为：

所述一种光学薄膜应力的测试装置，其特征在于：由基底、表面声波发生器、激光器、光束准直及扩束装置、聚焦透镜、探测器、计算机、吸声器组成；所述基底为长条基底，在基底两端分别安装表面声波发生器和吸声器，当表面声波发生器在基底正背面产生表面声波，并用激光器以及光束准直及扩束装置产生单色平面波垂直照射基底时，要求透过基底产生的零级或±1级衍射光分布均匀；透过基底产生的衍射光通过聚焦透镜由探测器接收，并输入计算机。

所述一种光学薄膜应力的测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在长条基底上镀膜，并在长条基底中间形成一条未镀膜区域；

步骤2：通过表面声波发生器在基底正背面产生表面声波；

步骤3：用激光器以及光束准直及扩束装置产生单色平面波垂直照射基底表面声波区域形成的光栅；透过基底产生的衍射光通过聚焦透镜由探测器接收，并输入计算机；

步骤4：通过接收的衍射光信号，得到零级或±1级衍射光强度分布周期长度，并由零级或±1级衍射光强度分布周期长度计算出基底曲率半径，然后由以下公式得到薄膜应力

${\mathrm{\σ}}_f=\left(\frac{E_S}{1-v_S}\right)\frac{t_s^2}{{6t}_f}(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2})$

其中E_S为基底弹性模量，ν_S为基底泊松比，t_S为基底厚度，t_f为薄膜厚度，R₂、R₁为镀膜前、后基底的曲率半径。

进一步的优选方案，所述一种光学薄膜应力的测试方法，其特征在于：未镀膜区域宽度0.1-20mm。

进一步的优选方案，所述一种光学薄膜应力的测试方法，其特征在于：表面声波频率0.01GHz-1000GHz。

进一步的优选方案，所述一种光学薄膜应力的测试方法，其特征在于：单色平面波波长为0.4-20μm。

有益效果

本发明利用基底弯曲导致表面声波速率变化，由此导致的光栅(表面声波形成的光栅)零级或±1级衍射光强分布变化来测试光学薄膜的应力，其结构简单，不仅保留了传统基底弯曲法的优点，而且消除了传统基底弯曲法的系统误差，同时检测精度和灵敏度也得到极大提高。

附图说明

图1是本发明测试装置的结构组成示意图。

图2是镀膜后基底结构示意图。

1.基底、2.表面声波发生器、3.激光器、4.光束准直及扩束装置、5.聚焦透镜、6.探测器、7.计算机、8.吸声器、9.膜层。

具体实施方式

下面结合具体实施例描述本发明：

如图1所示，本实施例中的光学薄膜应力的测试装置由基底1、表面声波发生器2、激光器3、光束准直及扩束装置4、聚焦透镜5、探测器6、计算机7、吸声器8组成。

所述基底为长条基底，在基底两端分别安装表面声波发生器和吸声器，基底上未镀膜时，用表面声波发生器在基底正背面产生表面声波，并用激光器以及光束准直及扩束装置产生单色平面波垂直照射基底，要求透过基底产生的零级或±1级衍射光分布均匀，选择这样的基底能够消除了基底本身弯曲或厚度不均匀造成的误差；透过基底产生的衍射光通过聚焦透镜由探测器接收，并输入计算机。

测试时，包括以下步骤：

步骤1：在长条基底上镀膜，并在长条基底中间形成一条0.1mm-20mm的未镀膜区域；未镀膜区域可在镀膜过程中遮挡或镀膜后刻蚀形成。

步骤2：通过表面声波发生器在基底正背面产生表面声波，表面声波频率0.01GHz-1000GHz。

步骤3：用激光器以及光束准直及扩束装置产生0.4-20μm波长的单色平面波垂直照射基底表面声波区域形成的光栅；透过基底产生的衍射光通过聚焦透镜由探测器接收，并输入计算机。

步骤4：通过接收的衍射光信号，得到零级或±1级衍射光强度分布周期长度，并由零级或±1级衍射光强度分布周期长度计算出基底曲率半径，然后由以下公式得到薄膜应力

${\mathrm{\σ}}_f=\left(\frac{E_S}{1-v_S}\right)\frac{t_s^2}{{6t}_f}(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2})$

其中E_S为基底弹性模量，ν_S为基底泊松比，t_S为基底厚度，t_f为薄膜厚度，R₂、R₁为镀膜前、后基底的曲率半径。

Claims (5)

1.一种光学薄膜应力的测试装置，其特征在于：由基底、表面声波发生器、激光器、光束准直及扩束装置、聚焦透镜、探测器、计算机、吸声器组成；所述基底为长条基底，在基底两端分别安装表面声波发生器和吸声器，当表面声波发生器在基底正背面产生表面声波，并用激光器以及光束准直及扩束装置产生单色平面波垂直照射基底时，要求透过基底产生的零级或±1级衍射光分布均匀；透过基底产生的衍射光通过聚焦透镜由探测器接收，并输入计算机。

2.一种利用权利要求1所述装置测试光学薄膜应力的方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤1：在长条基底上镀膜，并在长条基底中间形成一条未镀膜区域；

步骤2：通过表面声波发生器在基底正背面产生表面声波；

步骤3：用激光器以及光束准直及扩束装置产生单色平面波垂直照射基底表面声波区域形成的光栅；透过基底产生的衍射光通过聚焦透镜由探测器接收，并输入计算机；

步骤4：通过接收的衍射光信号，得到零级或±1级衍射光强度分布周期长度，并由零级或±1级衍射光强度分布周期长度计算出基底曲率半径，然后由以下公式得到薄膜应力

${\mathrm{\σ}}_f=\left(\frac{E_S}{1-v_S}\right)\frac{t_s^2}{6t_f}(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_2})$

其中E_S为基底弹性模量，ν_S为基底泊松比，t_S为基底厚度，t_f为薄膜厚度，R₂、R₁为镀膜前、后基底的曲率半径。

3.根据权利要求2所述一种光学薄膜应力的测试方法，其特征在于：未镀膜区域宽度0.1-20mm。

4.根据权利要求2所述一种光学薄膜应力的测试方法，其特征在于：表面声波频率0.01GHz-1000GHz。

5.根据权利要求2所述一种光学薄膜应力的测试方法，其特征在于：单色平面波波长为0.4-20μm。