用于表征具有大的层深度的离子交换波导的棱镜耦合系统和方法技术方案

公开了通过双离子交换(DIOX)用于表征在玻璃基材中形成的具有大的层深度的波导的棱镜耦合系统和方法。一种方法包括在形成了深的区域的第一离子交换工艺之后进行第一测量，然后在形成了浅的区域的第二离子工艺之后进行第二测量。相对于棱镜(40)设置光阻特征(49)以产生模式光谱，在模式光谱中，以损失用于测量浅的区域的特性的分辨率为代价，强耦合的低阶模式的模式线对比度得到了改进。然后使用标准技术确定浅的区域的压缩应力、层深度或抗拉强度。使用近IR波长测量更深的第一离子交换工艺的特性可进行第二测量。还公开了使用形状控制测量离子交换样品的系统和方法。

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于表征具有大的层深度的离子交换波导的棱镜耦合系统和方法相关申请的交叉引用本申请根据35USC§119(e)，要求2014年12月23日提交的序列号为62/095,945的美国临时专利申请的优先权，并且根据35USC§119(e)，要求2015年4月22日提交的序列号为62/151015的美国临时专利申请的优选权，其通过引用纳入本文。
本公开涉及用于表征波导的棱镜耦合系统和方法，尤其涉及用于表征具有大的层深度的离子交换波导的系统和方法。本文中提及的任何公开出版物或专利文件的完整公开内容通过引用纳入本文，包括名称为“Systemsandmethodsformeasuringthestressprofileofion-exchangedglass(用于测量离子交换玻璃的应力分布的系统和方法)”，序列号为13/463,322的美国专利申请；以及在名称为“Systemsandmethodsformeasuringbirefringenceinglassandglass-ceramics(用于在玻璃和玻璃陶瓷中测量双折射的系统和方法)”的第2014/0092377号美国专利申请公布中；名称为“Apparatusandmethodsformeasurementofmodespectraofindexprofilescontainingasteepregion(用于测量包含陡峭区域的折射率分布的模式光谱的设备和方法)”的序列号为61/897,546的美国临时专利申请(在下文中称为’546申请)；和2014年5月21日提交的，名称为“Prism-couplingsystemsandmethodsforcharacterizinglargedepth-of-layerwaveguides(用于表征大的层深度的波导的棱镜耦合系统和方法)”的序列号为62/001,116的美国临时专利申请。
技术介绍
棱镜耦合技术可用于测量平面光波导的导模的光谱，以表征波导特性，例如以测量折射率和应力分布。已经使用这一技术测量用于各种应用(例如用于显示器(如用于智能手机)的保护玻璃)的不同的离子交换(IOX)玻璃的应力和层深度(DOL)。某些类型的IOX玻璃实际为双IOX(DIOX)玻璃，其通过产生了两个片段分布(segmentprofile)的第一次扩散和第二次扩散形成。第一片段与表面相邻并且具有相对较陡的斜率，而第二片段更深地延伸到基材中但是具有相对较浅的斜率。这样的DIOX分布用于某些类型的化学强化玻璃和抗微生物玻璃。这样的两个片段分布导致在具有相对高的有效折射率的低阶模式之间有相对大的间距，并且在具有相对低的有效折射率的高阶模式之间有极小的间距。模式之间的间距是令人感兴趣的，因为在模式光谱(modespectrum)中，各模式通过光检测器(即数字照相机)作为线被检测出。测量的分辨率通过相邻模式之间的光检测器像素的数目定义。因为在较深的片段中行进的高阶模式采样不足，所以在寻求精确测量DIOX分布的较深处片段时，相对于光检测器像素的这种模式分布是有问题的。如果DOL足够大(例如大于70μm或100μm，或者甚至大于140μm或150μm)，其变得不能充分分辨高阶模式的光谱线，结果不能准确测量DIOX分布。另外，对于大的DOL，波导形状开始成为一个问题并且可能不利地影响测量质量。获得所需测量分辨率的一个选择是具有更多像素的更大的光检测器，这在一些情况下还可能需要较大光圈(aperture)的光学系统。然而，这样的光检测器和较大光圈的光学系统使测量系统增加了巨大的成本和复杂性。
技术实现思路
本公开的各方面涉及用于测量波导的特性的系统和方法，以控制化学强化玻璃的制造工艺和产品质量，所述波导通过IOX工艺(包括DIOX工艺)在玻璃基材中形成。通过IOX工艺形成的折射率分布(相当于应力分布)可具有一个深的区域R2，其DOL深度大于100μm；以及具有一个浅的区域R1，其折射率作为深度的函数的斜率相对较高。目前，使用常规棱镜耦合系统进行化学强化玻璃的高通量测量以用于制造控制和质量控制，这些常规棱镜耦合系统具有高精度和高速度，但是DOL测量受到限制，尤其是DOL超过100μm时受到限制。常规棱镜耦合测量系统还假设线性折射率分布，这对许多具有大DOL的由IOX形成的分布(包括由DIOX形成的分布)来说是一个粗劣的近似。本文公开的系统和方法通过使用优化的棱镜耦合系统，有效地控制了DIOX波导的生产、产品质量和易碎性，所述优化的棱镜耦合系统分别为了毗邻表面的浅且陡的区域和在该浅且陡的区域下方的深且平缓DOL的区域而优化。在一个实施方式中，为了高分辨率优化了棱镜耦合系统，并且在第一IOX制造步骤后用于测量压缩应力(CS)和DOL，该第一IOX制造步骤产生了极深的压缩区域R2，其DOL在约70μm以上或更大，优选100μm或更大。这些测量值被表示成CS1和DOL1，并且对它们进行验证以符合制造工艺的要求。还验证了抗拉强度(CT)以符合CT要求，该CT要求与制造步骤1所允许的CT预算(CTbudget)相一致。第二IOX制造步骤(“步骤2”)产生了陡峭的近表面的区域R1，其深度通常近似于10-15微米，并且具有高的CS，通常>500MPa，最经常地>700MPa。在本公开的第二个方面中，棱镜耦合系统被配置为包括光阻特征，设置该光阻特征以产生模式光谱，在模式光谱中，以损失更高阶模式的分辨率为代价，强耦合的低阶模式的模式线对比度得到了改进。所收集的光学信号由照明区产生，该照明区的长度优选为约8mm或更小。在一个优选的实施方式中，使用光阻特征将该系统配置为具有降低的分辨率，从而使得在深的区域中传播的(较高阶)模式的密集的光谱不被分辨，而限定在浅且陡的区域R2中的稀疏的(较低阶)模式分辨良好。然后，用于CS、DOL和CT的标准测量可用于测量浅区域的CS和DOL，以及有效CT，所述有效CT要求符合在制造步骤2中形成的浅区域R1的预算CT。由于对制造步骤1和2的IOX工艺进行了分别的测量控制，从表面延伸出来的折射率分布的R1和R2区域(在测量时)被很好地近似为简单的线性截断折射率分布。这允许使用常规计算正确地确定分布的每个区域R1和R2所需的CS和DOL，以及分布的每个区域的预算CT，从而使得完全控制分布符合制造要求，以及符合易碎性。在一个实例中，通过具有相对大的棱镜(优选长度大于15mm，作为一个优良的实例，25mm长)，并结合光学器件和光检测器(例如照相机传感器)将棱镜耦合系统配置成允许进行超高分辨率测量，该棱镜耦合系统允许分辨被10-4或更小的折射率单位(refractiveindexunits,RIU)分离的模式线，理想地，分辨被小至5x10-5RIU分离的模式线。使用底角为60°和折射率为约1.72的棱镜，并且折射率为约1.49，这样的光学器件和光检测器的组合可以包括焦距f＝200mm且像差相对较低的透镜，同时光检测器为照相机传感器的形式，其像素小于约5μm，优选具有大于800列的这样的像素，在该像素上捕获每个TE和TM模式光谱。本文公开的系统和方法具有许多优点。一个优点为独立优化了深区域和浅区域的测量，当高CS的近表面的浅区域为分布所要求本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种表征在基材中形成的双离子交换(DIOX)波导的方法，所述方法包括：在玻璃基材中进行第一离子交换以形成波导，所述波导具有深的离子交换区域，所述深的离子交换区域具有第一分布和层深度(DOL)；捕获波导的第一模式光谱并且从所述第一模式光谱中确定DOL；在玻璃基材中进行第二离子交换以改变所述第一分布并且限定具有陡峭分布的浅的离子交换区域；通过部分阻断与所述深的离子交换区域相关的一部分模式光谱捕获波导的第二模式光谱，以改进与所述浅的离子交换区域相关的一部分模式光谱的对比度；以及从对比度改进了的第二模式光谱中为所述浅的离子交换区域确定波导的压缩应力、抗拉强度和表面应力中的至少一个。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2014.12.23 US 62/095,945;2015.04.22 US 62/151,0151.一种表征在基材中形成的双离子交换(DIOX)波导的方法，所述方法包括：在玻璃基材中进行第一离子交换以形成波导，所述波导具有深的离子交换区域，所述深的离子交换区域具有第一分布和层深度(DOL)；捕获波导的第一模式光谱并且从所述第一模式光谱中确定DOL；在玻璃基材中进行第二离子交换以改变所述第一分布并且限定具有陡峭分布的浅的离子交换区域；通过部分阻断与所述深的离子交换区域相关的一部分模式光谱捕获波导的第二模式光谱，以改进与所述浅的离子交换区域相关的一部分模式光谱的对比度；以及从对比度改进了的第二模式光谱中为所述浅的离子交换区域确定波导的压缩应力、抗拉强度和表面应力中的至少一个。2.根据权利要求1所述的方法，其中，捕获第一模式光谱包括用近IR光进行棱镜耦合测量，并且其中，捕获第二模式光谱包括用可见光进行棱镜耦合测量。3.根据权利要求1所述的方法，其中，使用棱镜耦合系统捕获第一和第二模式光谱，并且其中，部分阻断一部分模式光谱包括操作性地设置至少一个与棱镜耦合系统的耦合棱镜相邻的光阻特征。4.根据权利要求1所述的方法，其包括当捕获第一模式光谱和第二模式光谱时，将基材操作性地支撑在卡盘组件上以限定基材的形状。5.一种表征在基材中形成的双离子交换(DIOX)波导的方法，所述方法包括：在玻璃基材中进行第一离子交换以限定深的离子交换区域，所述深的离子交换区域具有浅的分布并且层深度(DOL)大于100μm；用在IR波长下操作的棱镜耦合系统捕获波导的第一模式光谱并且从所述第一模式光谱中确定DOL；在玻璃基材中进行第二离子交换以限定具有陡峭的分布的浅的离子交换区域；通过部分阻断与所述深的离子交换区域相关的一部分模式光谱，捕获波导的第二模式光谱，以改进与所述浅的离子交换区域相关的一部分模式光谱的对比度，同时降低与所述深的离子交换区域相关的一部分模式光谱的对比度；以及从对比度改进了的第二模式光谱的低阶模式部分中为所述浅的离子交换区域确定波导的压缩应力、抗拉强度和表面应力中的至少一个。6.根据权利要求5所述的方法，其包括使用可见光捕获第二模式光谱。7.根据权利要求6所述的方法，其中，所述棱镜耦合系统包括棱镜，并且其中，不相对耦合棱镜移动玻璃基材而捕获第一和第二模式光谱。8.根据权利要求5所述的方法，其中，棱镜耦合系统包括具有输入侧和输出侧的棱镜，并且其中，部分阻断一部分模式光谱通过相对于棱镜的输入侧和输出侧中的至少一侧设置至少一个光阻特征进行。9.根据权利要求5所述的方法，其中，所述IR波长标称为850nm。10.一种用于测量双离子交换(DIOX)波导的至少一个特性的测量系统，所述双离子交换波导形成于基材中以包括深区域和浅区域，其中，所述波导包括限定了模式光谱的较低阶模式和较高阶模式，所述系统包括：耦合棱镜，其具有输入表面、输出表面和耦合表面，并且其中，所述耦合表面在基材上表面处与波导接合，从而限定了基材-棱镜界面；发射光的光源系统，所述光通过棱镜的输入表面照射基材-棱镜界面，从而形...

【专利技术属性】
技术研发人员：R·V·鲁斯夫，V·M·施奈德，E·E·杨，
申请(专利权)人：康宁股份有限公司，
类型：发明
国别省市：美国,US