CN100494929C - 薄膜应力测量装置及其测量方法 - Google Patents

Abstract

一种薄膜应力测量装置及其测量方法，该装置包括激光器、供待测基片设置的精密电动导轨及其控制器、光电位敏探测器、A/D数据采集卡和计算机，所述的激光器、精密电动导轨、光电位敏探测器和A/D数据采集卡安装在一平台上，所述的激光器发出的光束照射到待测基片表面，在待测基片的反射光束方向是光电位敏探测器，该光电位敏探测器的输出端经所述的A/D数据采集卡与所述的计算机的输入端相连。本发明具有结构简单、精确度高、非接触测量、操作简便、价格低廉等特点。

Description

薄膜应力测量装置及其测量方法

技术领域

本发明与薄膜相关，是一种简便快捷的高精度的薄膜应力测量装置及其测量方法。

技术背景

薄膜应力是薄膜的一个重要力学参数，几乎所有薄膜都处在某种应力状态之中，如果压应力过大会使薄膜起皱，张应力过大会使薄膜开裂，应力的存在对各种微电子电路、薄膜电子元器件、薄膜光学元器件及薄膜磁介质的成品率、稳定性、可靠性以及使用寿命等都有极其不利的影响。在强激光系统中，应力引起的基底变形不仅引起光学性能和机械性能的改变，更重要的是薄膜在激光辐照下，由于预应力的存在，加速了薄膜的热力耦合作用，使其成为薄膜破坏的敏感因素。迄今为止由于对薄膜应力的了解还不够深入，所以用一种有效的薄膜应力测量装置来研究薄膜应力就极其重要。目前测量薄膜应力的方法主要用干涉仪和台阶仪测量，但这些仪器结构复杂，价格比较昂贵，且台阶仪是接触式测量，对于镀有较软薄膜的基片有不利的影响。

发明内容

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供一种薄膜应力测量装置及其测量方法，该装置应具有结构简单、测量精度高、操作简便、非接触式测量、价格低廉等特点。

本发明的技术解决方案如下：

一种薄膜应力测量装置，该装置包括激光器、供待测基片设置的精密电动导轨及其控制器、光电位敏探测器、A/D数据采集卡和计算机，所述的激光器、精密电动导轨、光电位敏探测器和A/D数据采集卡安装在一平台上，所述的激光器发出的光束照射到待测基片表面，在待测基片的反射光束方向是光电位敏探测器，该光电位敏探测器的输出端经所述的A/D数据采集卡与所述的计算机的输入端相连。

所述的激光器为He—Ne激光器。

所述的A/D数据采集卡至少具有双通道，一个用于光强信号通道，另一个用于位置信号通道。

所述的计算机具有数据采集和处理程序。

所述的平台为充气防震光学平台。

利用薄膜应力测量装置进行薄膜应力测量的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将未镀膜的基片放在精密电动导轨上，然后在计算机的控制程序界面上设定基片移动的位移X和反射光光程L；

②根据控制程序界面(简称界面)上显示的位置信号值调整光电位敏探测器的位置，使初始位置信号为零，调整好后暂时停止采集信息；

③利用控制器控制精密电动导轨移动，使基片产生位移X，开始采集数据，得光强信号ΣI₀和位置信号ΔI₀，计算出偏转位移D₀和镀膜前基片的曲率半径R₀：偏转位移D₀＝αΔI₀/ΣI₀，镀膜前基片的曲率半径R₀为：

$R_0=\frac{2\mathrm{XL}}{D_0};$

然后停止采集数据；

④基片镀过膜后，将镀膜基片放在精密电动导轨上，在计算机的控制程序界面上设定镀膜基片移动的位移X和反射光光程L；

⑤重复步骤②的操作后，利用控制器控制精密电动导轨移动，使镀膜基片产生位移X，然后开始采集数据，获得光强信号ΣI和位置信号ΔI，偏转位移D＝αΔI/ΣI，镀膜后基片的曲率半径 $R=\frac{2\mathrm{XL}}{D};$

⑥薄膜应力计算，在薄膜应力计算程序界面上根据待测基片的弹性模量E_s、泊松比γ_s、基片厚度t_s、薄膜厚度t_f、镀膜前R₀及镀膜后R等参数利用下列公式计算薄膜应力值：

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s{t_s}^2}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)t_f}(\frac{1}{R}-\frac{1}{R_0})$

完成薄膜应力测量。

本发明的优点：

1.本发明采用几何法测量基片曲率半径，从而计算出薄膜应力值，光路结构简单，易于搭建。

2.本发明采用光电位敏探测器接收光斑位移，精度高，采集到的信号易处理。

3.本发明数据采集卡用单一USB接口和计算机连接，可以即插即用，十分方便，不用专门配备计算机。

4.本发明的控制程序采用Windows2000系统下的Visual Basic6.0语言编写，界面友好，方便对程序功能的进一步扩展。

5.本发明除了可以用来测量薄膜应力外，还可以用来测量基片的面型。

6.本发明可以很方便的通过改变电动导轨的移动距离进行多次测量求平均值，减小测量误差。在防震光学平台上还可以很方便地加装反射光束的反射镜，延长基片上的反射点到光电位敏探测器的距离L，从而增加灵敏度。

附图说明

图1是本发明高精度薄膜应力测量装置整体构造示意图

图2是本发明高精度薄膜应力测量装置光路原理图

图3是本发明高精度薄膜应力测量装置的基片曲率半径采集控制程序主界面

图4是薄膜应力计算程序界面

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。

先请参阅图1，由图可见，本发明薄膜应力测量装置，该装置包括激光器1、供待测基片2设置的精密电动导轨6及其控制器7、光电位敏探测器3、A/D数据采集卡4和计算机5，所述的激光器1、精密电动导轨6、光电位敏探测器3和A/D数据采集卡4安装在一平台8上，所述的激光器1发出的光束照射到待测基片2表面，在待测基片2的反射光束方向是光电位敏探测器3，该光电位敏探测器3的输出端经所述的A/D数据采集卡4与所述的计算机5的输入端相连。

在实施例中，所述的激光器1为He—Ne激光器。所述的A/D数据采集卡4具有双通道，一个用于光强信号通道，另一个用于位置信号通道。所述的计算机5具有数据采集和处理程序。

所述的平台8为充气防震光学平台。

本发明的工作原理如下：

激光器1发出的光束成一定角度射到放在精密电动导轨6上的待测基片2的表面，当通过控制器7操作精密电动导轨6移动时，光束射到待测基片2上的位置发生改变，由于基片2的弯曲，反射光发生相应偏转，光电位敏探测器3可以精确探测出光斑的位移，其位移信息可以通过A/D数据采集卡4转换成数字信号传递给计算机5。计算机5对数据进行处理，根据光斑位移、基片移动位移和基片曲率半径之间的几何关系就可精确得出基片曲率半径值。在测量了基片镀膜前后的曲率半径后，可以利用Stoney公式计算出薄膜的应力值。

图2是本发明薄膜应力测量装置光路原理图，如图所示，当放在精密电动导轨6上的待测基片2移动一段距离X后，入射光束射在基片上的位置由A点移动到B点，反射光束在反射光程为L处移动了位移D，由于变形量较小，弧长AB可以看作等于基片2移动距离X，则有如下关系式：

$\mathrm{\α}=\frac{X}{R}---\left(1\right)$

$2\mathrm{\α}=\frac{D}{L}---\left(2\right)$

所以有

$R=\frac{2\mathrm{XL}}{D}---\left(3\right)$

只要知道了偏转位移D就可以计算出基片曲率半径R，反射光在光程L处偏转位移D可由光电位敏探测器3获得。采用此方法可分别测得基片在镀膜前后的曲率半径R₀和R，其对应的反射光在在光程L处的偏转位移分别为D₀和D，此时应力σ可以由Stoney公式确定：

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s{t_s}^2}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)t_f}(\frac{1}{R}-\frac{1}{R_0})---\left(4\right)$

式中E_s为基片的弹性模量，γ_s为基片泊松比，t_s和t_f分别为基片厚度和薄膜厚度，R₀和R分别为基片镀膜前后的曲率半径。

所述的激光器1为常用的He-Ne激光器，其光束发散角尽量小。

所述的基片2为一稳定的放在电动导轨上的基片，其形状可以是长方形也可以是圆形，当是圆型基片时，在基片下面要加固定装置以防止电动导轨移动时基片发生晃动。

所述的光电位敏探测器3为高精度的光电探测器，其原理是利用半导体的“横向效应”，达到器件对光点位置敏感的目的。采用PN结构，当光束入射到器件的光敏面内时，产生电子-空穴对，达到P层的载流子由两端电极输出，其输出电流的大小与光入射位置到两端电极的距离成反比。由此可计算出光的入射位置，为此准确地测出目标的位置。光电位敏探测器输出光强信号ΣI和位置信号ΔI，光强信号ΣI只随射到光电位敏探测器感光窗口的光能量强弱变化而变化，而位置信号ΔI随光斑位置的变化而变化，当光斑位于光电位敏探测器中间位置时，位置信号ΔI为0，当光斑偏移时，位置信号ΔI随偏移方向不同分别向正数和负数变化。其探测到的实际位移Δx＝αΔI/ΣI，这样能够保证即使光束能量发生变化，其探测的的实际位移αΔI/ΣI值不会发生改变，其中α为一校正系数，表示ΔI/ΣI与实际位移的比例关系。光电位敏探测器3接收待测基片2的反射光束，随着光束偏转位移的变化，光电位敏探测器3输出的信号发生相应的变化。所述A/D数据采集卡4把接收到的光电位敏探测器3的模拟信号转换为数字信号并传给计算机5。利用其两个通道分别转换光强信号和位置信号。

所述计算机5装有数据采集和处理程序，计算机把数据进行处理后就可以获得基片的曲率半径，并可进一步编辑处理后获得薄膜的应力值。

所述电动导轨6为高精度电动导轨，其移动精度可以达到微米量级。

所述高精度电动导轨控制器7控制电动导轨的移动。

所述光学平台8为充气防震光学平台，其能够减小环境的振动干扰，保证信号的稳定。

利用所述的薄膜应力测量装置进行薄膜应力测量的方法，其特征在于包括下列步骤：

①将未镀膜的基片2放在精密电动导轨6上，在计算机5的控制程序界面上设定基片2移动的位移X和反射光光程L；

②根据控制程序界面上显示的位置信号值调整光电位敏探测器3的位置，使初始位置信号为零，调整好后暂时停止采集信息；

③利用控制器7控制精密电动导轨6移动，使基片2产生位移X，重新开始采集数据，得光强信号ΣI₀和位置信号ΔI₀，计算出偏转位移D₀和镀膜前基片2的曲率半径R₀：探测的偏转位移D₀＝αΔI₀/ΣI₀，镀膜前基片2的曲率半径R₀为：

$R_0=\frac{2\mathrm{XL}}{D_0};$

然后停止采集数据，退出程序；

④基片2镀过膜后，将镀膜基片2放在精密电动导轨上，在计算机5的控制程序界面上设定镀膜基片2移动的位移X和反射光光程L；

⑤重复步骤②的操作后，利用控制器7控制精密电动导轨移动，使镀膜基片2产生位移X，然后开始采集数据，获得光强信号ΣI和位置信号ΔI，偏转位移D＝αΔI/ΣI，镀膜后基片2的曲率半径 $R=\frac{2\mathrm{XL}}{D};$

⑥薄膜应力计算，在薄膜应力计算程序界面上根据待测基片的弹性模量E_s、泊松比γ_s、基片厚度t_s、薄膜厚度t_f、镀膜前R₀及镀膜后R等参数利用下列公式计算薄膜应力值：

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s{t_s}^2}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)t_f}(\frac{1}{R}-\frac{1}{R_0})$

光电位敏探测器3感光窗口探测偏转位移，其位移信息可以通过数据采集卡4转换成数字信号，数据采集卡4采用USB接口与计算机5连接，计算机5装有数据采集卡的驱动程序，并有采用Visual Basic6.0语言编写的采集控制程序。

首先把未镀膜的基片2放在精密电动导轨6上，然后在基片曲率半径采集控制程序界面，如图所示3，设定好精密电动导轨6上的基片2要移动的位移和反射光光程。然后开始采集信息，根据界面上显示的位置信号值调整光电位敏探测器位置使初始位置信号为零，调整好后暂时停止采集信息。利用精密电动导轨的控制器7使精密电动导轨移动已设定的基片位移。重新开始采集数据，位置信号、光强信号、偏转位移及计算出来曲率半径均可通过控制程序得到。此时的曲率半径即为镀膜前基片的曲率半径。然后停止采集数据，退出程序。基片镀过膜后，将镀膜基片代替未镀膜基片，重复以上步骤就可测得镀膜后基片的曲率半径。在测得基片镀膜前后的曲率半径后，打开薄膜应力计算程序，如图4所示，在界面上根据基片弹性模量、泊松比、基片厚度、薄膜厚度、镀膜前R及镀膜后R等参数就可得出薄膜应力值。

Claims (1)

1、一种利用薄膜应力测量装置进行薄膜应力测量的方法，所述的薄膜应力测量装置，包括激光器(1)、供待测基片(2)设置的精密电动导轨(6)及其控制器(7)、光电位敏探测器(3)、A/D数据采集卡(4)和计算机(5)，所述的激光器(1)、精密电动导轨(6)、光电位敏探测器(3)和A/D数据采集卡(4)安装在一平台(8)上，所述的激光器(1)发出的光束照射到待测基片(2)表面，在待测基片(2)的反射光束方向是光电位敏探测器(3)，该光电位敏探测器(3)的输出端经所述的A/D数据采集卡(4)与所述的计算机(5)的输入端相连，其特征在于所述的方法包括下列步骤：

①将未镀膜的基片(2)放在精密电动导轨(6)上，利用计算机(5)和控制器(7)，然后在计算机(5)界面上设定基片(2)移动的位移X和反射光光程L；

②根据界面上显示的位置信号值调整光电位敏探测器(3)的位置，使初始位置信号为零，调整好后暂时停止采集信息；

③利用控制器(7)控制精密电动导轨(6)移动，使基片(2)产生位移X，重新开始采集数据，得光强信号_ΣI₀和位置信号_ΔI₀，计算出偏转位移D₀和镀膜前基片(2)的曲率半径R₀：探测的偏转位移D₀＝α_ΔI₀/_ΣI₀，镀膜前基片(2)的曲率半径R₀为：

$R_0=\frac{2\mathrm{XL}}{D_0};$

然后停止采集数据；

④基片(2)镀过膜后，将镀膜基片(2)放在精密电动导轨(6)上，在计算机(5)的控制程序界面上设定镀膜基片(2)移动的位移X和反射光光程L；

⑤重复步骤②的操作后，利用控制器(7)控制精密电动导轨(6)移动，使镀膜基片(2)产生位移X，然后开始采集数据，获得光强信号_ΣI和位置信号_ΔI，偏转位移D＝α_ΔI/ΣI，镀膜基片(2)的曲率半径

$R=\frac{2\mathrm{XL}}{D};$

⑥薄膜应力计算，在薄膜应力计算程序界面上根据基片(2)的弹性模量E_s、泊松比γ_s、基片厚度小薄膜厚度t_f、镀膜前R₀及镀膜后R，利用下列公式计算薄膜应力值：

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s{t_s}^2}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)t_f}(\frac{1}{R}-\frac{1}{R_0})$

完成薄膜应力测量。

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