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光学薄膜应力研究
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薄膜应力的产生机理与控制技术研究
薄膜应力是薄膜生产、制备中的一种普遍现象,几乎所有的薄膜都处于一定的应力状态.薄膜应力是影响光学元器件甚至整个光学系统性能及可靠性的重要因素,过大的张应力或压应力都会引起薄膜表面破损,使生产成本不断提高,极大地限制了光学薄膜的使用性能.同时应用于各种光学系统中的薄膜元件的基底必须保持绝对平整,这一点对于基底面形变化会导致反射入射波前发生畸变的光学仪器来说更是非常关键的.而实际上,光学薄膜中的残余应力常常是引起其基底面形发生弯曲导致其光学性能下降的主要原因.通过对薄膜应力的研究,可以了解薄膜的破坏机理,进而达到改善薄膜抗损伤性能的目的.本文采用宏观应力测量与微观结构检测相结合的方法对ZrO、SiO单层膜及ZrO/SiO组合多层膜中的应力进行了实验研究,对应力随沉积条件的变化规律进行了深入研究,从微观结构的角度对应力的产生机理进行了分析,并在实验基础上建立起了多层膜应力的发展模型.研究了ZrO单层膜应力随沉积温度、沉积速率的发展规律.SiO单层膜应力实验结果表明,SiO薄膜中残余应力的性质和大小可以通过改变沉积时的氧分压及沉积温度来进行调整,这对于要求基底最小变形的多层膜光学元件来说是非常有意义的;电子束蒸发SiO薄膜的内应力与其堆积密度之间有非常密切的关系,当薄膜的堆积密度增大时,薄膜中的压应力随之增大;用蒸发方法沉积薄膜的多孔结构会导致其在环境变化时的力学性能不稳定性;当SiO薄膜被储存在干净的室温环境中时,其中的残余应力随着存放时间的延长发生了从压应力到张应力的转变,这主要是由于吸附的水分子与SiO薄膜发生了复杂的反应引起的.在单层膜应力实验基础上,对不同膜厚组合周期数的ZrO/SiO多层膜中的应力进行了研究.在对单层膜及多层膜应力的形成机理及发展规律有了深入了解之后,根据平面应力的作用原理提出了一种多层膜中应力的计算模型,通过该模型可以对由不同材料组成的多层膜中的应力进行计算.对模型的实验验证表明,该模型的理论计算结果与实验结果相吻合.
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