薄膜应力测试仪及其测试方法技术

本发明专利技术适用于薄膜应力测试技术领域，公开了一种薄膜应力测试仪及其测试方法，所述测试仪包括台架、设置在台架上的激光器、可内置薄膜样品的真空腔室、用于控制真空腔室进行X轴和Y轴运动的XY轴运动平台、安装在真空腔室的底板上且用于实现样品快速升降温功能的快速升降温装置、设置在真空腔室上方的反射镜和半透镜，以及设置在台架远离所述反射镜和半透镜的一端的位敏探测器，所述激光器发出的激光经反射镜和半透镜进入真空腔室并照射所述薄膜样品，所述薄膜样品反射的激光经半透镜反射至所述位敏探测器。本发明专利技术通过快速升降温装置测量薄膜在高温下和交变热载荷作用下的应力，并根据薄膜在不同温度下的热应力数值计算薄膜的热膨胀系数。

【技术实现步骤摘要】
薄膜应力测试仪及其测试方法
本专利技术属于薄膜应力测试
，尤其涉及一种薄膜应力测试仪及其测试方法。
技术介绍
薄膜应力是影响薄膜力学性能的重要因素之一，例如，对于硬质薄膜而言，由于制备工艺的特殊性，薄膜中往往存在高达MPa-GPa量级的残余应力，过高的残余应力会导致涂层产生裂纹、鼓泡、甚至剥落，严重影响薄膜的使用寿命。更为重要的是，薄膜在使用过程中并非处于室温条件，而且通常会受到交变热载荷的作用，例如对于非连续加工的涂层刀具而言，接触区温度高达800-1000℃，而且周期性的切入、切出会使刀具涂层受到交变的升温和降温的热载荷作用，在交变的热载荷作用下，涂层应力也会发生周期性变化，最终使涂层发生热疲劳失效。因此，研究涂层在交变热载荷作用下的应力变化对于评估涂层的使用寿命以及进一步优化涂层成分、结构及制备工艺具有重要的指导作用。此外，由于薄膜与基底热膨胀系数不匹配造成的热应力是薄膜残余应力的重要组成部分，而研究热应力必须已知薄膜的热膨胀系数，由于薄膜的成分和结构往往不同于其体材料，简单套用相应体材料的热膨胀系数进行热应力计算会产生较大误差，而且对于新型的纳米多层以及多元纳米复合薄膜本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种薄膜应力测试仪，其特征在于，包括台架、设置在所述台架上的激光器、可内置薄膜样品的真空腔室、用于控制真空腔室进行X轴和Y轴运动的XY轴运动平台、安装在所述真空腔室的底板上且用于实现样品快速升降温功能的快速升降温装置、设置在所述真空腔室上方的反射镜和半透镜，以及设置在所述台架远离所述反射镜和半透镜的一端的位敏探测器，所述激光器发出的激光经所述反射镜和半透镜进入所述真空腔室并照射所述薄膜样品，所述薄膜样品反射的激光经所述半透镜反射至所述位敏探测器。

【技术特征摘要】
1.一种薄膜应力测试仪，其特征在于，包括台架、设置在所述台架上的激光器、可内置薄膜样品的真空腔室、用于控制真空腔室进行X轴和Y轴运动的XY轴运动平台、安装在所述真空腔室的底板上且用于实现样品快速升降温功能的快速升降温装置、设置在所述真空腔室上方的反射镜和半透镜，以及设置在所述台架远离所述反射镜和半透镜的一端的位敏探测器，所述激光器发出的激光经所述反射镜和半透镜进入所述真空腔室并照射所述薄膜样品，所述薄膜样品反射的激光经所述半透镜反射至所述位敏探测器。2.如权利要求1所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述快速升降温装置包括设置在所述真空腔室的底板上且用于为所述薄膜样品进行快速降温的冷却板、设置在所述冷却板上且用于为所述薄膜样品进行快速升温的样品加热台，以及设置在所述样品加热台表面且位于所述薄膜样品下方的温度探测器。3.如权利要求1所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述反射镜与所述半透镜平行放置且均与所述台架表面呈45°夹角，所述反射镜设置在所述半透镜的上方。4.如权利要求1所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述真空腔室的顶部设有透明窗口，所述透明窗口由钢化玻璃或石英或蓝宝石制成。5.如权利要求1所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述激光器水平放置，且所述反射镜的中心位于所述激光器的轴线上。6.如权利要求1所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述XY轴运动平台由上下两个导轨十字交叉组合而成，且分别由独立的电机进行控制。7.如权利要求1所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述真空腔室通过外部的真空获得系统进行抽真空。8.如权利要求7所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述真空获得系统包括分子泵、机械泵、用于连接所述分子泵与所述真空腔室的真空法兰，以及用于连接所述分子泵与所述机械泵的波纹管。9.如权利要求2所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述样品加热台由氮化铝陶瓷或高温合金材料制成。10.如权利要求1-9任一项所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述测试仪的温度测试范围为0℃-800℃。11.一种测试薄膜在高温下的应力的方法，其特征在于，采用如权利要求1-10任一项所述的薄膜应力测试仪，具体包括以下步骤：(1)将用于薄膜样品沉积的基片放在样品加热台上，测量基片的初始曲率半径R0；(2)在基片上沉积薄膜，制备出薄膜样品；(3)将制备出的薄膜样品放置于样品加热台上，对真空腔室进行抽真空；(4)通过样品加热台将薄膜样品加热到设定温度T；(5)测量样品在T温度下的曲率半径R；(6)通过Stoney公式计算薄膜样品在温度T时的薄膜应力值，Stoney公式如下：σ＝[Es/(1-νs)]ts2/6tf(1/Ri-1/R0)式中，E、ν、t分别为杨氏模量、泊松比和厚度，其中下标s和f分别表示基片和薄膜，R0为镀膜前基片的初始曲率半径，T＝T1,T2,T3,…,Ti,…Tn，n为正...

【专利技术属性】
技术研发人员：唐永炳，蒋春磊，焦国华，鲁远甫，
申请(专利权)人：中国科学院深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44