專(zhuān)利名稱(chēng)：一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)元器件，尤其是涉及一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置。
背景技術(shù)：
幾乎所有的薄膜都存在應(yīng)力，光學(xué)薄膜的應(yīng)力研究在薄膜器件的設(shè)計(jì)和使用中占有重要的地位。薄膜應(yīng)力的存在直接影響薄膜器件的成品率，張應(yīng)力過(guò)大會(huì)引起薄膜破裂，而壓應(yīng)力過(guò)大則會(huì)導(dǎo)致薄膜卷曲和剝落。從器件整體上講，殘余應(yīng)力又影響著光學(xué)器件表面面形，在使用中引起入射反射波前畸變，影響器件的光學(xué)性能。對(duì)于蒸發(fā)沉積制備的薄膜，受較低的沉積粒子表面動(dòng)能(< 300meV)和沉積溫度(通常在20°C到300°C之間)的影響，形成的薄膜較疏松，呈多孔柱狀的微結(jié)構(gòu)。薄膜的多孔結(jié)構(gòu)易吸附水蒸氣，對(duì)薄膜最終應(yīng)力的影響很大。離子束輔鍍的薄膜從真空環(huán)境移到大 氣環(huán)境中后，應(yīng)力值發(fā)生較大變化，并且光譜向長(zhǎng)波方向漂移。薄膜的殘余應(yīng)力按照成因一般可分為內(nèi)應(yīng)力、熱應(yīng)力和由水誘發(fā)的應(yīng)力。內(nèi)應(yīng)力是在薄膜的生長(zhǎng)過(guò)程中形成的，受粒子能量、沉積速率、薄膜厚度以及材料的物理或化學(xué)摻雜的影響。熱應(yīng)力是由于薄膜和基底的熱膨脹系數(shù)不匹配引入的。若薄膜與基底的熱膨脹系數(shù)差異較大，基底溫度又有很大的變化，則熱應(yīng)力對(duì)總的殘余應(yīng)力貢獻(xiàn)較大。不同的薄膜-基底組合會(huì)產(chǎn)生不同大小的熱應(yīng)力，選擇合適的基底材料可以降低熱應(yīng)力的影響。由水誘發(fā)的應(yīng)力則是薄膜孔洞吸附了大氣中水汽引起的。由此可見(jiàn)，影響應(yīng)力的因素是復(fù)雜的，應(yīng)力隨著基底材料、沉積工藝、存放環(huán)境和存放時(shí)間等條件的變化而變化。對(duì)于慣性約束核聚變系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，光學(xué)薄膜元件系統(tǒng)地排列于真空環(huán)境中。目前，國(guó)內(nèi)大部分光學(xué)薄膜元件的殘余應(yīng)力大都是在大氣環(huán)境下進(jìn)行研究和分析，在干燥或真空環(huán)境的研究還較少，同時(shí)，分離殘余應(yīng)力以探究影響各分應(yīng)力的因素存在一定的困難。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種實(shí)現(xiàn)非接觸、無(wú)破壞性測(cè)量，操作方便、精度高的薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置。本發(fā)明的目的可以通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)—種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置包括密封箱、干涉儀、反射鏡、加熱板、水平微調(diào)底座及輸氣管，所述的干涉儀、反射鏡、加熱板、水平微調(diào)底座及輸氣管均設(shè)置在密封箱內(nèi)，加熱板上放置待測(cè)樣品，干涉儀發(fā)出光束，經(jīng)反射鏡反射到達(dá)待測(cè)樣品的表面，光束被反射后再次經(jīng)過(guò)反射鏡反射回到干涉儀中，與干涉儀中的標(biāo)準(zhǔn)面的反射光發(fā)生干涉。所述的密封箱由不銹鋼支架和有機(jī)玻璃加工而成。所述的密封箱的側(cè)壁開(kāi)設(shè)有用于放入和取出樣品的門(mén)，門(mén)上開(kāi)兩個(gè)直徑為20cm的孔，橡膠手套從孔中穿過(guò)，橡膠手套經(jīng)法蘭固定在孔內(nèi)，放入樣品后關(guān)閉門(mén)，外界與密封箱內(nèi)部的操作通過(guò)橡膠手套來(lái)進(jìn)行。
所述的干涉儀設(shè)在反射鏡的一側(cè)，所述的加熱板及水平微調(diào)底座設(shè)在反射鏡的下方，所述的輸氣管緊貼密封箱的側(cè)壁設(shè)置，輸氣管的側(cè)壁有均勻分布的氣孔，干燥的氮?dú)馔ㄟ^(guò)氣孔能均勻地緩慢流入，分布在密封箱中。所述的干涉儀為菲索型干涉儀，可以通過(guò)被測(cè)樣品與干涉儀中的標(biāo)準(zhǔn)鏡之間的干涉圖樣得到被測(cè)樣品的表面形貌。
所述的反射鏡與水平面呈45°傾斜放置，中心波長(zhǎng)為632. 8nm，面形為1/10 λ。所述的加熱板調(diào)整密封箱內(nèi)的溫度，加熱板與控制其工作的溫度控制儀與熱電偶連接。所述的水平微調(diào)底座調(diào)節(jié)被測(cè)樣品在水平方向的起伏。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以實(shí)現(xiàn)非接觸、無(wú)破壞性測(cè)量，操作方便、精度高，通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算得到薄膜的殘余應(yīng)力，分離薄膜各成分應(yīng)力，同時(shí)推出薄膜的多個(gè)力學(xué)和熱學(xué)參數(shù)，有助于科研工作人員改進(jìn)薄膜制備工藝，控制薄膜應(yīng)力。


圖I為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖；圖2為利用該裝置所測(cè)量的薄膜應(yīng)力-溫度變化值及擬合直線。圖中，I為密封箱、2為干涉儀、3為反射鏡、4為待測(cè)樣品、5為加熱板、6為水平微調(diào)底座、7為輸氣管。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說(shuō)明。實(shí)施例一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置，其結(jié)構(gòu)如圖I所示，該裝置包括密封箱I、干涉儀2、反射鏡3、加熱板5、水平微調(diào)底座6及輸氣管7，干涉儀2、反射鏡3、加熱板5、水平微調(diào)底座6及輸氣管7均設(shè)置在密封箱I內(nèi)，密封箱I由不銹鋼支架和有機(jī)玻璃加工而成，側(cè)壁開(kāi)設(shè)有用于放入和取出樣品的門(mén)，門(mén)上開(kāi)兩個(gè)直徑為20cm的孔，橡膠手套從孔中穿過(guò)，橡膠手套經(jīng)法蘭固定在孔內(nèi)，干涉儀2為菲索型干涉儀，可以通過(guò)被測(cè)樣品4與干涉儀2中的標(biāo)準(zhǔn)鏡之間的干涉圖樣得到被測(cè)樣品4的表面形貌，干涉儀2設(shè)在反射鏡3的一側(cè)，加熱板5及水平微調(diào)底座6設(shè)在反射鏡3的下方，反射鏡3與水平面呈45°傾斜放置，中心波長(zhǎng)為632. 8nm,面形為1/10 λ，加熱板5用于調(diào)整密封箱I內(nèi)的溫度，加熱板5與控制其工作的溫度控制儀與熱電偶連接，水平微調(diào)底座6調(diào)節(jié)被測(cè)樣品4在水平方向的起伏，輸氣管7緊貼密封箱I的側(cè)壁設(shè)置，在輸氣管7的側(cè)壁有均勻分布的氣孔，干燥的氮?dú)馔ㄟ^(guò)氣孔能均勻地緩慢流入，分布在密封箱I中。加熱板5上放置待測(cè)樣品4，干涉儀2發(fā)出光束，經(jīng)反射鏡3反射到達(dá)待測(cè)樣品4的表面，光束被反射后再次經(jīng)過(guò)反射鏡3反射回到干涉儀2中，與干涉儀2中的標(biāo)準(zhǔn)面的反射光發(fā)生干涉。利用該裝置所測(cè)量的薄膜應(yīng)力-溫度變化值及擬合直線如圖2所示。薄膜的殘余應(yīng)力可以通過(guò)測(cè)量基底鍍膜前后的面形，計(jì)算鍍膜前后的曲率半徑
a2Rk ——(I)
Sh
式中a為測(cè)量范圍，h為鍍膜前后樣品表面的PV值。計(jì)算結(jié)果代入Stoney公式，即可求得應(yīng)力值

權(quán)利要求
1.一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置，其特征在于，該裝置包括密封箱(I)、干涉儀(2)、反射鏡(3)、加熱板(5)、水平微調(diào)底座(6)及輸氣管(7)，所述的干涉儀(2)、反射鏡(3)、加熱板(5)、水平微調(diào)底座(6)及輸氣管(7)均設(shè)置在密封箱(I)內(nèi)，加熱板(5)上放置待測(cè)樣品(4)，干涉儀(2)發(fā)出光束，經(jīng)反射鏡(3)反射到達(dá)待測(cè)樣品(4)的表面，光束被反射后再次經(jīng)過(guò)反射鏡(3)反射回到干涉儀(2)中，與干涉儀(2)中的標(biāo)準(zhǔn)面的反射光發(fā)生干涉。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置，其特征在于，所述的密封箱(I)由不銹鋼支架和有機(jī)玻璃加工而成。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置，其特征在于，所述的密封箱(I)的側(cè)壁開(kāi)設(shè)有用于放入和取出樣品的門(mén)，門(mén)上開(kāi)兩個(gè)直徑為20cm的孔，橡膠手套從孔中穿過(guò)，橡膠手套經(jīng)法蘭固定在孔內(nèi)。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置，其特征在于，所述的干涉儀(2)設(shè)在反射鏡(3)的一側(cè)，所述的加熱板(5)及水平微調(diào)底座(6)設(shè)在反射鏡(3)的下方，所述的輸氣管(7)緊貼密封箱(I)的側(cè)壁設(shè)置，輸氣管(7)的側(cè)壁有均勻分布的氣孔，干燥的氮?dú)馔ㄟ^(guò)氣孔能均勻地緩慢流入，分布在密封箱(I)中。
5.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置，其特征在于，所述的干涉儀(2)為菲索型干涉儀，可以通過(guò)被測(cè)樣品(4)與干涉儀(2)中的標(biāo)準(zhǔn)鏡之間的干涉圖樣得到被測(cè)樣品(4)的表面形貌。
6.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置，其特征在于，所述的反射鏡(3)與水平面呈45°傾斜放置，中心波長(zhǎng)為632. 8nm，面形為1/10入。
7.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置，其特征在于，所述的加熱板(5)調(diào)整密封箱(I)內(nèi)的溫度，加熱板(5)與控制其工作的溫度控制儀與熱電偶連接。
8.根據(jù)權(quán)利要求I或4所述的一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置，其特征在于，所述的水平微調(diào)底座(6)調(diào)節(jié)被測(cè)樣品(4)在水平方向的起伏。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種薄膜殘余應(yīng)力分離和測(cè)量裝置，包括密封箱、干涉儀、反射鏡、加熱板、水平微調(diào)底座及輸氣管，干涉儀、反射鏡、加熱板、水平微調(diào)底座及輸氣管均設(shè)置在密封箱內(nèi)，干涉儀發(fā)出光束，經(jīng)反射鏡反射到達(dá)待測(cè)樣品的表面，光束被反射后再次經(jīng)過(guò)反射鏡反射回到干涉儀中，與干涉儀中的標(biāo)準(zhǔn)面的反射光發(fā)生干涉。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明可以測(cè)量計(jì)算薄膜樣品的殘余應(yīng)力；各成分應(yīng)力(由水誘發(fā)應(yīng)力、熱應(yīng)力和內(nèi)應(yīng)力)；薄膜的熱膨脹系數(shù)和彈性模量；模擬薄膜樣品在真空中應(yīng)力的演化情況，是一種非接觸、無(wú)破壞性的檢測(cè)方法，測(cè)量精度高，操作方便。
文檔編號(hào)G01L1/24GK102798491SQ20111013452
公開(kāi)日2012年11月28日 申請(qǐng)日期2011年5月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年5月23日
發(fā)明者葉曉雯, 丁濤, 程鑫彬, 馬彬, 何文彥, 韓金, 張艷云, 王占山 申請(qǐng)人:同濟(jì)大學(xué)