脆性材料亚表面损伤层微裂纹全息反演检测方法技术

本发明专利技术公开了一种脆性材料亚表面损伤层微裂纹全息反演检测方法，其特征在于，对脆性材料腐蚀后表面采用分形插值方法进行重构，应用了分形插值理论的自相似性原理，充分刻画出腐蚀后表面的复杂微观形貌，在应用分形插值法重构腐蚀后材料表面基础上，采用有限差分法对亚表面损伤层微裂纹的形成与生长过程进行反演模拟，不仅可以得到亚表面损伤层微裂纹的深度，还可以得到微裂纹的大小、方向等全部信息。在获得亚表面损伤层微裂纹全息分布特征的基础上，提出全面完备的亚表面损伤层微裂纹全息分布特征的综合表征体系。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及材料表面质量检测领域，特别涉及一种脆性材料亚表面损伤层微裂纹检测方法。
技术介绍
高精度(纳米级)元件在技术方面涉及到超精密加工、精密检测技术、光学和半导体领域，在应用方面涉及到能源、空间、国防装备、集成电路与MEMS等高端领域。随着光学、 微电子学、MEMS及其相关技术的发展，对元件所涉及的脆性材料表面质量的要求越来越高， 无论是高端光学元件，还是超大规模集成电路基体材料，均对表面完整性提出了很高要求， 这就需要在加工过程中最大限度地保证高精度元件的加工质量。文献“单晶硅片超精密加工表面/亚表面损伤检测技术”(张银霞，集成电路与元器件，2004，(No. 7) :72-75)和文献“陶瓷磨削机理及其对表面/亚表面损伤的影响”(朱洪涛，林滨，吴辉，于思远，王志峰，精密制造与自动化，2004，(No. 2) :15-18.)提出亚表面损伤有破坏性和非破坏性两类检测方法，所研究对象主要为高精度(纳米级)光学元件和半导体基体。破坏性检测技术精度高，能够直观显示亚表面损伤的深度、微裂纹分布等信息，但是操作繁杂、检测周期长；非破坏性检测手段不损害光学器件表面，但是对检测硬件要求非常高，而且投资大、测量精度低。针对高精元件亚表面损伤层微裂纹三维分布的研究，文献"The effect of HF/NH4F etching on the morphology of surface fractures on fused silica，，(L. Wong, T. Suratwala, M. D. Feit, P. E. Miller, R. Steele, Journal of Non-Crystalline Solids, 2009, Vol. 355 (No. 13) :797-810)涉及美国劳伦斯利物摩尔国家实验室的P. E. Miller等人建立正向腐蚀过程亚表面损伤层微裂纹演化模型，展示了随腐蚀时间变化微裂纹不断被暴露并放大的过程。但由于缺乏腐蚀后表面形貌量化表征方法， 只能用于估算出亚表面损伤层深度信息和观测微裂纹腐蚀后的三维形貌特征，还无法反映出亚表面损伤层腐蚀前微裂纹真实的分布特征。到目前为止，作为高精度元件表面质量的重要指标，亚表面损伤层微裂纹的相关检测和表征方法停留在厚度的测量和某个切面微裂纹信息的表征，还没有方法得到亚表面损伤层微裂纹的三维全息分布特征。由此可见，检测和表征亚表面损伤层微裂纹的三维全息分布特征对于获得完整的工艺参数、提高材料表面光学性能、元件使用性能有着重要的指导意义。
技术实现思路
针对上述
技术介绍
所存在的缺陷，本专利技术的目的是提供一种脆性材料亚表面损伤层微裂纹三维全息反演检测方法，构建出一套适用于脆性材料亚表面损伤层微裂纹三维全息分布特征的表征体系；用于摸索各种材料在不同工艺参数条件下与亚表面损伤层微裂纹全息表征数据之间的规律。为达到上述目的，本专利技术是采用以下技术方案予以实现的—种，其特征在于，包括下述步骤第一步，用超声波清洗抛光后的被测脆性材料试样并烘干，将被测脆性材料试样放在HF酸腐蚀液中浸泡，记录腐蚀速率，然后去除覆盖在试样亚表面损伤层上的抛光重积层，将亚表面损伤层微裂纹进一步暴露、放大，使试样展现出亚表面损伤层三维复杂微观形貌；第二步，采用非接触式光学测量仪对腐蚀后试样的亚表面损伤层三维复杂微观形貌进行测量即将试样基片放置到载物台上，对其进行聚焦，通过非接触式光学测量仪器探头的移动，获得试样亚表面损伤层的三维图像信息；第三步，采用三角域上分形插值算法重构试样亚表面损伤层三维复杂微观形貌数学模型(1)先将试样亚表层损伤层的三维图像信息选取若干实测数据点，这些数据点描述为(Xi, Ii, Z (Xi, yj))，其中 i = 0，1，…，M;j = 0,1,…，N，即共有(M+l) X (N+1)个实测点，每个实测数据点的高度为ζ (Xi，Yj)；根据这些实测数据，获得试样亚表面损伤层的粗略三维形貌图，每个实测数据对应该三维形貌图的一个节点；(2)通过建立迭代函数系统IFS，采用三角域上分形插值算法，经过若干次迭代后进行试样亚表面损伤层腐蚀后三维复杂微观形貌的重构，得到重构表面；第四步，反演有限差分模型的构建以第三步中获得的试样亚表面损伤层腐蚀后三维复杂微观形貌的重构表面为基础，将第一步中的腐蚀速率设定为步长At，经过k个时间步长后的逆向演化曲面表示为2(^」，、)，其中，1 = 0,1,…，M，j = 0,1,…，N，tk = kAt，腐蚀过程逆向演化有限差分模型用下式表示z(xt ',y/, tk+l) = z(xt \y/,tk+ At) = z(xt ,y},tk) + v-At-nz式中z(Xi，h，tk)是时间步长At之前的表面形貌函数，ν是腐蚀速率，向量疋是节点(Xi，yj，z(X ^yj, tk))的“生长方向”。上述方法中，所述HF酸腐蚀液的体积浓度为10 30%。所述脆性材料包括纳米级表面的光学材料和半导体基体材料。本专利技术的有益效果是(1)对脆性材料腐蚀后表面采用分形插值方法进行重构，应用了分形插值理论的自相似性原理，可充分刻画出腐蚀后表面的复杂微观形貌，提高了表面重构精度。(2)在应用分形插值法重构腐蚀后材料表面的基础上，采用有限差分法对亚表面损伤层微裂纹的形成与生长过程进行反演模拟，可直观展示出每一个微裂纹在加工过程中的演化情况。(3)通过本专利技术提出的反演检测方法，不仅可以得到亚表面损伤层微裂纹的深度， 还可以得到微裂纹的大小、方向等全部信息。在获得亚表面损伤层微裂纹全息分布特征的基础上，提出全面完备的亚表面损伤层微裂纹全息分布特征的综合表征体系。附图说明图1为脆性材料的亚表面损伤层结构示意图。图2为本专利技术方法的流程图。图3是图2中第二个方框的具体流程图。图4是图2中第三个方框(非接触式测量)的流程图。图5是图2中第四个方框(分形插值)的流程图。图6是材料在20%的HF腐蚀后亚表面损伤层微裂纹打开后显微照片。图7是本专利技术的逆向演化有限差分模型计算亚表面损伤层微裂纹全息分布特征流程图。其中，图7St印1是试样亚表面损伤层的粗略三维形貌图；图7St印2是分形插值重构曲面图；图7St印3是第一个时间步长Δ t后逆向有限差分模型；图7St印4是多个时间步长后亚表面损伤逆向演化三维模型。具体实施例方式以下结合附图及具体实施例对本专利技术作进一步的详细说明。参照图1，光学材料的亚表面损伤层2包括亚表面裂纹层4及内应力变形层5，在无损伤基体3之上，被抛光重积层1覆盖。因其在表面以下，不易直接观测。参照图2，本专利技术技术方案的整体流程图包括在基片预处理的基础上，采用腐蚀法将裂纹放大并对其进行非接触式测量得到三维基本数据点，并采用分形插值和有限差分方法对其表面数据进行重构，最后采用亚表面损伤层微裂纹全息反演研究方法，构建出一套适用于脆性材料亚表面损伤层微裂纹全息分布特征的检测与表征体系。参照图3，本专利技术的亚表面损伤层微裂纹腐蚀打开的流程为第一步分别配置体积浓度为10%、20%和30%的HF蚀刻液，取三块被测高精度(纳米级)脆性元件试样(K9光学玻璃基片)，使用超声波清洗被测试样并烘干，将其分别与液面垂直放置，固定浸泡在盛有不同浓度HF酸腐蚀液的烧杯中浸泡本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王海容，关赪，张欢，张碧柯，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：