多层薄膜界面应力与残留应力的量测方法及装置

多层薄膜界面应力与残留应力的量测方法及装置
1.技术领域：本发明是涉及薄膜应用领域有关技术领域，尤指一种多层薄膜界面应力与残留应力的量测方法及装置。


背景技术：

2.已知，光学薄膜为形成于一光学元件或一基板之上的介质膜层，用于产生特定的光学效应以改变光波的传递特性，包括光透射、光反射、光吸收、光散射、光偏振、与改变光相位。随着光电科技的高度发展与光学元件及光电产品的普及化，光学薄膜的研发与应用也愈趋重要。值得注意的是，将光学薄膜形成于基板的过程中，残余应力的产生会造成光学薄膜具有缺陷或变形弯曲，导致光学薄膜的制造良率与可靠性的下降。
3.长期涉及薄膜应力量测的工程师必然知道，单层薄膜的残留应力可以由镀膜前后基板的曲率变化来计算。由于薄膜的厚度通常远小于基板的厚度，因此可利用stoney数学运算式计算出薄膜残留应力的数值。然而，光学元件并非全是单层镀膜的产品，例如，中国专利号cn105116481b揭示一种具多层薄膜结构的陷波滤光片，且中国台湾专利号i710458揭示一种具多层薄膜结构的反射片。
4.因此，为了计算多层薄膜的残留应力，ennos数学运算式于是被提出，如下式(a)所示：
[0005][0006]
于上式(a)之中，σ
avg
指的是多层薄膜的平均残留应力，σ
fn
为第n层薄膜的残留应力，且t
fn
为第n层薄膜的厚度。换句话说，ennos数学运算式为一个不考虑薄膜界面应力的理想运算式。
[0007]
值得说明的是，文献一的研究结果指出，ag/ni多层薄膜的残留应力不等于个别膜层的应力总和，故可推论任二个上下堆叠的薄膜之间是存在界面应力。于此，文献一指的是ruud et.al,“bulk and interface stresses in ag/ni multilayered thin films”,journal of applied physics,vol.74,2517,1993。
[0008]
在参考中国专利号cn105116481和中国台湾专利号i710458的揭示内容之后，可以清楚得知多层薄膜结构通常是通过堆叠多种不同薄膜材料的方式而制成。必须知道的是，这些薄膜材料本身都具备不同的特性，如果薄膜物理特性不匹配，那么在多层薄膜结构的制作过程中就可能因为某层薄膜材料的应力过大而出现损坏情形。因此，如何准确地量测多层薄膜的界面应力和残留应力于是成为一项相当重要的课题。
[0009]
由上述说明可知，公知的用于计算多层薄膜的残留应力的ennos数学运算式并无考虑薄膜界面应力，故而此数学运算式显然无法准确地量测多层薄膜的界面应力和残留应力。有鉴于此，本案的发明人是极力加以研究发明，而终于研发完成一种多层薄膜界面应力与残留应力的量测方法及装置。


技术实现要素：

[0010]
本发明的主要目的在于提供一种多层薄膜界面应力与残留应力的量测方法。特别地，本发明是先量测多层薄膜结构的各层薄膜的残留应力，接着计算出二种界面应力(f
hl
,f
lh
)。接着，依据二种界面应力设计出调整参数的数学计算式，而后将所述调整参数加入公知的ennos数学运算式从而获得修正版ennos数学运算式。最终，利用修正版ennos数学运算式即可计算出一多层薄膜的残留应力。
[0011]
为达成上述目的，本发明提出所述多层薄膜界面应力与残留应力的量测方法的一实施例，其中，包括以下步骤：
[0012]
(1)使用一薄膜残留应力检测系统量测包含一基板以及形成在所述基板之上的一多层薄膜结构的一光电元件的各层薄膜的残留应力；
[0013]
(2)依据上述步骤(1)所测得的各层薄膜的残留应力计算出二种界面应力，其中任二层薄膜之间是存在着前述的任一种界面应力；
[0014]
(3)在使用ennos数学运算式的情况下，依据各层薄膜的膜厚及残留应力计算出一第一数值；
[0015]
(4)依据所述多层薄膜结构的薄膜层数、各层薄膜的膜厚、以及上述步骤(2)所计算获得的二种界面应力计算出一第二数值；以及
[0016]
(5)对所述第一数值和所述第二数值执行一加法运算以获得一多层薄膜的残留应力。
[0017]
同时，本发明亦提出一种多层薄膜界面应力与残留应力的量测装置，其中，所述多层薄膜界面应力与残留应力的量测装置为一雷射干涉仪，且操作所述雷射干涉仪完成上述的步骤(1)至步骤(5)即可自一具多层薄膜结构的光电元件量测出一多层薄膜的残留应力。
[0018]
在一实施例中，其中，所述薄膜残留应力检测系统是在完成所述基板以及各层薄膜的等倾干涉图、表面轮廓图、x轴向拟合曲线、以及y轴向拟合曲线之后，接着利用stoney数学运算式计算出各层薄膜的残留应力。
[0019]
在一实施例中，所述薄膜残留应力检测系统是利用以下数学运算式(i)和(ii)计算出所述二种界面应力：
[0020]flh
＝δ(f/w)
hlh
－δ(f/w)
hl
－δ(f/w)h f
hs
……
(i)；
[0021]fhl
＝δ(f/w)
lhl
－δ(f/w)
lh
－δ(f/w)
l
f
ls
……
(ii)；
[0022]
其中，fhl为双层膜结构中存在于堆叠在下的一个高折射率薄膜和堆叠在上的一个低折射率薄膜之间的界面应力，f
lh
为双层膜结构中存在于堆叠在下的一个低折射率薄膜和堆叠在上的一个高折射率薄膜之间的界面应力；
[0023]
其中，δ(f/w)
hlh
为三层膜结构中堆叠在下的一个第一高折射率薄膜、堆叠在中间的一个低折射率薄膜和堆叠在上的一个第二高折射率薄膜之间的一总作用力，且δ(f/w)
lhl
为三层膜结构中堆叠在下的一个第一低折射率薄膜、堆叠在中间的一个高折射率薄膜和堆叠在上的一个第二低折射率薄膜之间的一总作用力；
[0024]
其中，δ(f/w)
hl
为双层膜结构中堆叠在下的一个高折射率薄膜和堆叠在上的一个低折射率薄膜之间的一总作用力，且δ(f/w)
lh
为双层膜结构中堆叠在下的一个低折射率薄膜和堆叠在上的一个高折射率薄膜之间的一总作用力；
[0025]
其中，f
hs
为一个高折射率薄膜和所述基板之间的作用力，且f
ls
为一个低折射率薄
膜和所述基板之间的作用力；
[0026]
其中，δ(f/w)h＝－fh f
hs
，且δ(f/w)
l
＝－f
l
f
ls
；
[0027]
其中，fh所述高折射率薄膜的残留应力，且f
l
所述低折射率薄膜的残留应力。
[0028]
在一实施例中，其中，所述ennos数学运算式如下式(iii)所示：
[0029][0030]
其中，σ
v1
为前述的第一数值，σ
fn
为第n层薄膜的残留应力，且t
fn
为第n层薄膜的厚度。
[0031]
在一实施例中，其中，在所述多层薄膜结构的薄膜层数为奇数的情况下，所述第二数值是利用如下数学运算式(iv)计算获得：
[0032]
其中，σ
v2
为前述的第二数值。
[0033]
在一实施例中，其中，在所述多层薄膜结构的薄膜层数为偶数的情况下，所述第二数值是利用如下数学运算式(v)计算获得：其中，σ
v2
为前述的第二数值。
附图说明：
[0034]
图1为一种薄膜残留应力检测系统的架构图；
[0035]
图2为本发明的一种多层薄膜界面应力与残留应力的量测方法的流程图；
[0036]
图3为具多层薄膜结构的光电元件的第一立体图；以及
[0037]
图4为显示具多层薄膜结构的光电元件的第二立体图。
[0038]
附图标记：
[0039]
1:薄膜残留应力检测系统
[0040]
11:雷射光源
[0041]
12:显微镜物镜
[0042]
13:针孔单元
[0043]
14:凸透镜
[0044]
15:分光器
[0045]
16:参考平面镜
[0046]
17:屏幕
[0047]
18:载台
[0048]
19:电脑
[0049]
1c:摄像机
[0050]
2:光电元件
[0051]
2s:基板
[0052]
2l:低折射率薄膜
[0053]
2h:高折射率薄膜
[0054]
s1-s5:步骤
具体实施方式：
[0055]
为了能够更清楚地描述本发明所提出的一种多层薄膜界面应力与残留应力的量测方法及装置，以下将配合附图，详尽说明本发明的较佳实施例。
[0056]
熟悉薄膜残留应力量测的工程师必然知道，雷射干涉法(laser interferometric method)为公知的一种薄膜残留应力的测量方法。因此，属于雷射干涉仪的太曼格林干涉仪(twyman green interferometer)于是被广泛地应用为一种薄膜残留应力检测系统。请参阅图1，其显示一种薄膜残留应力检测系统的架构图。如图1所示，所述薄膜残留应力检测系统1包括：一雷射光源11、显微镜物镜12、一针孔单元(pin hole unit)13、一凸透镜14、一分光器(beam splitter)15、一参考平面镜16、一屏幕17、供设置一光电元件2的一载台18、一摄像机1c、以及一电脑19。
[0057]
长期涉及薄膜应力量测的工程师必然知道，操作如图1所示的薄膜残留应力检测系统1对形成在基板上的一光学薄膜进行残留应力时，是操作所述薄膜残留应力检测系统1依序取得等倾干涉图、表面轮廓图、x轴向拟合曲线、以及y轴向拟合曲线之后，接着利用stoney数学运算式计算出所述光学薄膜的残留应力。然而，光学元件并非全是单层镀膜的产品，因此，对于具多层薄膜结构的光学元件而言，stoney数学运算式显然不适合用于所述多层薄膜结构的残留应力的计算。因此，为了计算多层薄膜的残留应力，ennos数学运算式于是被提出。然而，ennos数学运算式为一个不考虑薄膜界面应力的理想运算式，故而此数学运算式显然无法准确地量测多层薄膜的界面应力和残留应力。
[0058]
故此，于本发明中，是先量测多层薄膜结构的各层薄膜的残留应力，接着计算出二种界面应力(f
hl
,f
lh
)。接着，依据二种界面应力设计出调整参数的数学计算式，而后将所述调整参数加入公知的ennos数学运算式从而获得修正版ennos数学运算式。最终，利用修正版ennos数学运算式即可计算出一多层薄膜的残留应力。
[0059]
请参阅图2，其显示本发明的一种多层薄膜界面应力与残留应力的量测方法的流程图。应可理解，本发明的多层薄膜界面应力与残留应力的量测方法是应用在如图1所示的薄膜残留应力检测系统1之中，从而操作所述薄膜残留应力检测系统1完成一量测程序，进以能够自一具多层薄膜结构的光电元件量测出一多层薄膜的残留应力。
[0060]
如图2所示，方法流程首先执行步骤s1：使用一薄膜残留应力检测系统量测包含一基板以及形成在所述基板之上的一多层薄膜结构的一光电元件的各层薄膜的残留应力。重复说明的是，所述薄膜残留应力检测系统1是在完成所述光电元件的基板与各层薄膜的等倾干涉图、表面轮廓图、x轴向拟合曲线、以及y轴向拟合曲线之后，接着利用stoney数学运算式计算出各层薄膜的残留应力。
[0061]
图3显示具多层薄膜结构的光电元件的第一立体图，且图4显示具多层薄膜结构的光电元件的第二立体图。如图3所示，在一实施例中，所述光电元件2包括：一基板2s、形成在所述基板2s之上的一高折射率薄膜2h、形成在所述高折射率薄膜2h之上的一低折射率薄膜2l、以及形成在所述低折射率薄膜2l之上的又一高折射率薄膜2h。进一步地，如图4所示，在另一实施例中，所述光电元件2也可以包括：一基板2s、形成在所述基板2s之上的一低折射
率薄膜2l、形成在所述低折射率薄膜2l之上的一高折射率薄膜2h、以及形成在所述高折射率薄膜2h之上的又一低折射率薄膜2l。
[0062]
因此，在基板2s上制作所述具多层薄膜结构(即，2h 2l 2h或2l 2h 2l)时，可以在每一次的薄膜镀覆完成之后，立即量测所述薄膜的薄膜应力。如图3与图4所示，所述光电元件2的各层薄膜的残留应力分别记为fh、f
l
和f
l
，或分别记为f
l
、fh和fh。应可理解，fh指的是高折射率薄膜2h的残留应力，而，f
l
则是低折射率薄膜2h的残留应力。值得注意的是，图3与图4之中还标示有f
hs
、f
hl
、f
lh
、和f
ls
。其中，f
hs
为高折射率薄膜2h和基板2s之间的作用力(即，界面应力)，f
hl
为高折射率薄膜2h和低折射率薄膜2l之间的作用力，f
lh
为低折射率薄膜2l和高折射率薄膜2h之间的作用力，且f
ls
为低折射率薄膜2l和基板2s之间的作用力。
[0063]
因此，在完成步骤s1之后，方法流程是接着执行步骤s2：依据上述步骤s1所测得的各层薄膜的残留应力计算出二种界面应力(f
hl
、f
lh
)。由图3与图4可知，任二层薄膜之间是存在着前述的任一种界面应力。
[0064]
更详细地说明，依图3可以计算三层薄膜的作用力可表示如下：
[0065]
δ(f/w)h＝－fh f
hs
…………………………………
(1)
[0066]
δ(f/w)
hl
＝－fh－f
l
f
hl
f
hs
……………………
(2)
[0067]
δ(f/w)
hlh
＝－2fh－f
l
f
hl
f
lh
f
hs
…………
(3)
[0068]
并且，依图4可以计算三层薄膜的作用力可表示如下：
[0069]
δ(f/w)
l
＝－f
l
f
ls
…………………………………
(4)
[0070]
δ(f/w)
lh
＝－fh－f
l
f
lh
f
ls
……………………
(5)
[0071]
δ(f/w)
lhl
＝－fh－2f
l
f
hl
f
lh
f
ls
…………
(6)
[0072]
应可理解，δ(f/w)h指的是在基板2s上镀覆一层高折射率薄膜2h之后的作用力，δ(f/w)
hl
指的是接着所述高折射率薄膜2h镀覆一层低折射率薄膜2l之后的作用力，δ(f/w)
hlh
指的是接着所述低折射率薄膜2l再镀覆又一层高折射率薄膜2h之后的作用力。同样地，可以理解的是，δ(f/w)
l
指的是在基板2s上镀覆一层低折射率薄膜2l之后的作用力，δ(f/w)
lh
指的是接着所述低折射率薄膜2l镀覆一层高折射率薄膜2h之后的作用力，δ(f/w)
lhl
指的是接着所述高折射率薄膜2h再镀覆又一层低折射率薄膜2l之后的作用力。
[0073]
故而，将上述式(3)依序地减去式(2)和式(1)之后可得下式(7)，且将上述式(6)依序地减去式(5)和式(4)之后可得下式(8)。
[0074]flh
＝δ(f/w)
hlh
－δ(f/w)
hl
－δ(f/w)h f
hs
………
(7)(i)
[0075]fhl
＝δ(f/w)
lhl
－δ(f/w)
lh
－δ(f/w)
l
f
ls
………
(8)(ii)
[0076]
简单地说，利用上式(7)和式(8)便可计算出二种界面应力(f
hl
、f
lh
)。因此，在本发明中，上式(7)和式(8)被特别地另外设为(i)和式(ii)。补充说明的是，依据图3，δ(f/w)
hlh
也可以视为堆叠在下的第一个高折射率薄膜2h、堆叠在中间的一个低折射率薄膜2l和堆叠在上的第二个高折射率薄膜2h之间的一总作用力，而δ(f/w)
lhl
则可以视为堆叠在下的第一个低折射率薄膜2l、堆叠在中间的一个高折射率薄膜2h和堆叠在上的第二个低折射率薄膜2l之间的一总作用力。另一方面，δ(f/w)
hl
也可以视为堆叠在下的一个高折射率薄膜2h和堆叠在上的一个低折射率薄膜2l之间的一总作用力，而δ(f/w)
lh
则可以视为堆叠在下的一个低折射率薄膜2l和堆叠在上的一个高折射率薄膜2h之间的一总作用力。
[0077]
完成步骤s2之后，方法流程接着执行步骤s3：在使用ennos数学运算式的情况下，
依据各层薄膜的膜厚及残留应力计算出一第一数值。应可理解，ennos数学运算式是目前习用于计算多层薄膜的残留应力，其是如下式(iii)所示：
[0078][0079]
于上式(iii)之中，σ
v1
为步骤s3之中前述的第一数值，σ
fn
为第n层薄膜的残留应力，且t
fn
为第n层薄膜的厚度。继续地，方法流程接着执行步骤s4：依所述多层薄膜结构的薄膜层数、各层薄膜的膜厚、以及上述步骤s2所计算获得之二种界面应力(f
hl
、f
lh
)计算出一第二数值(σ
v2
)。最终，于步骤s5之中，是对所述第一数值(σ
v1
)和所述第二数值(σ
v2
)执行一加法运算以获得一多层薄膜的残留应力。
[0080]
值得说明的是，在所述多层薄膜结构的薄膜层数为奇数的情况下，所述第二数值(σ
v2
)是利用如下数学运算式(iv)计算获得。另一方面，在所述多层薄膜结构的薄膜层数偶数的情况下，所述第二数值(σ
v2
)是利用如下数学运算式(v)计算获得。
[0081][0082][0083]
本发明与公知技术的比较：
[0084]
在此重复说明的是，公知技术利用ennos数学运算式来计算多层薄膜的残留应力。不同地，本发明是先量测多层薄膜结构的各层薄膜的残留应力，接着计算出二种界面应力(f
hl
,f
lh
)。接着，依据二种界面应力设计出调整参数的数学计算式(即，上式(iv)、(v))，而后将所述调整参数(即，σ
v2
)加入公知的ennos数学运算式从而获得修正版ennos数学运算式。最终，利用修正版ennos数学运算式即可计算出一多层薄膜的残留应力。
[0085]
利用如图1所示薄膜残留应力检测系统1可对如图3或图4所绘示的具3层薄膜结构的光电元件2进行各个镀膜阶段的残留应力量测。残留应力的量测数据整理于下表(1)之中。
[0086]
表(1)
[0087][0088]
于上表(1)之中，二氧化硅(sio2)为低折射率材料，氧化钽(ta2o4)为高折射率材
料，且b270为玻璃基材。因此，依据上表(1)的量测数据，可以使用上式(i)计算出sio2和ta2o5间的界面力f
lh
为17.076nt/m，且可以使用上式(ii)计算出ta2o5和sio2间的界面力f
hl
为83.690nt/m。进一步地，可以使用原ennos数学运算式以及本发明所提出的修正版ennos数学运算式来计算多层薄膜的残留应力。相关计算数据整理于下表(2)之中。
[0089]
表(2)
[0090][0091][0092]
如此，由表(2)的实验数据可知，sio2/ta2o5/sio2b270和ta2o5/sio2/ta2o5/b270的残留应力的量测值分别为-0.249和-0.179。并且，由表(3)的数据可知，利用ennos数学运算式和修正版ennos数学运算式所计算出sio2/ta2o5/sio2b270的残留应力的计算数值分别为-0.409和-0.310。另一方面，由表(3)的数据可知，利用ennos数学运算式和修正版ennos数学运算式所计算出ta2o5/sio2/ta2o5/b270的残留应力的计算数值分别为-0.381和-0.271。换句话说，在修正后ennos公式的计算结果中，三层膜sio2/ta2o5/sio2/b270与ta2o5/sio2/ta2o5/b270预估值和实测值的差距分别是0.027gpa和0.092gpa。亦即，在考虑膜层间的界面力与薄膜-基板界面力后所预估的应力可以更接近实测结果，也显示修正后ennos公式的计算结果的准确度更为提高。
[0093]
如此，上述已完整且清楚地说明本发明的一种多层薄膜界面应力与残留应力的量测方法及装置。然而，必须加以强调的是，前述本案所揭示者乃为较佳实施例，举凡局部的变更或修饰而源于本案的技术思想而为熟习所述技艺的人所易于推知者，俱不脱本案的专利权范畴。