CN101285772B - 一种薄膜残余应力成分的分析装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种薄膜残余应力成分的分析装置。它包括继电器式温度控制仪、加热片驱动电路、基板夹具、干涉仪、计算机，继电器式温度控制仪依次与加热片驱动电路、基板夹具、干涉仪、计算机相连接，基板夹具包括第一铜片、第二铜片、铝片、铁夹片、样品固定圆孔、热电阻、MCH加热片，第一铜片背面固定有热电阻和两片MCH加热片，第一铜片两侧设有固定凹槽，第二铜片插入第一铜片两侧设有的固定凹槽内，第二铜片上端两侧固定有两片铁夹片，在两片铁夹片上夹有铝片，铝片上开有样品固定圆孔。本发明是一非破坏性检测方法，具有操作方便、量测迅速、精密度高、可同时测定多种参数和进行应力成分分析等优点。

Description

一种薄膜残余应力成分的分析装置

技术领域

本发明涉及一种薄膜残余应力成分的分析装置。

背景技术

光学薄膜有广泛的应用，光学系统中所用的分束镜、截止滤光片和带通滤光片等是由光学薄膜来实现；此外光纤通信、激光光学中也用到大量的薄膜器件；薄膜还广泛应用于信息存储、半导体器件、光电显示等领域。但几乎所有薄膜都存在着巨大的应力，它对薄膜的性能，特别是牢固性产生很大威胁。因此研究薄膜中的应力有重大意义。从组成来说，薄膜中的应力主要由本征应力(也称内应力)、外应力和热应力组成。本征应力与薄膜的化学成分、微结构和晶相有关，很大程度上受到镀膜工艺的影响；外应力是指外界因素的影响所产生的应力改变，如水吸收，或者薄膜材料氧化等；热应力是由于镀膜过程中的沉积温度与周围环境的温度间存在温差，而薄膜与基板的热膨胀系数不同，导致薄膜与基板形成热应力，可用公式(1)表示，其中T_d为沉积温度，T_a为测量温度。通常，计算薄膜的热应力时都采用大块状材料的力学系数，但是由于薄膜结构的原因，膜状材料的力学常数与块状材料有很大差异，因此研究薄膜材料的力学常数对分析薄膜应力性能具有重要的意义。

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{therm}}=\left(\frac{E_f}{1-v_f}\right)({\mathrm{\α}}_{\mathrm{film}}-{\mathrm{\α}}_{\mathrm{Sub}})(T_d-T_a)---\left(1\right)$

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种薄膜残余应力成分的分析装置。

它包括继电器式温度控制仪、加热片驱动电路、基板夹具、干涉仪、计算机，继电器式温度控制仪依次与加热片驱动电路、基板夹具、干涉仪、计算机相连接，基板夹具包括第一铜片、第二铜片、铝片、铁夹片、样品固定圆孔、热电阻、MCH加热片，第一铜片背面固定有热电阻和两片MCH加热片，第一铜片两侧设有固定凹槽，第二铜片插入第一铜片两侧设有的固定凹槽内，第二铜片上端两侧固定有两片铁夹片，在两片铁夹片上夹有铝片，铝片上开有样品固定圆孔。

所述的加热片驱动电路为：第一电阻R1经第一电容C1、第二二极管D2、第二电阻R2、第三电阻R3、LED接地，第二二极管D2正极经稳压管D1接地，第二二极管D2负极经第二电容C2接地，比较器正极经第六电阻R6、第五电阻R5、第一可调电阻W1、第四电阻R4、第二可调电阻W2接电源，比较器负极经第八电阻R8、第二电阻R2、第二二极管D2、第一电容C1、第一电阻R1、二极管Q1接加热片(12)，比较器的输出经U2接到加热片，加热片经第三二极管D3接地。

所述的干涉仪为激光器发出的光束经光束扩束器到达分光镜，分成二束光，第一束光被反射且经过PZT传感器被反射后再次经过分光镜到达透镜，而第二束光则透过分光镜、透镜到达被测样品后被反射与第一束光发生干涉，干涉图样被CCD采集。基板夹具外面套有高温棉隔热层。基板夹具底部设有垂直调节装置。垂直调节装置由两个螺钉和一个微调底座组成。

本发明是一非破坏性检测方法，具有操作方便、量测迅速、精密度高、可同时测定多种参数和进行应力成分分析等优点。它可以实现预测薄膜中应力的组成成分，并从实验结果中计算得到薄膜的力学参数和热学参数，通过分析薄膜的应力组成和力学、热学性质，有助于科研人员改进薄膜的镀制工艺，控制薄膜应力。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是薄膜应力分析装置的结构示意图；

图2是薄膜应力分析装置中基片夹具的结构示意图；

图3是该装置的光学电路图；

图4是加热片驱动电路图；

图5是利用该装置测量的氧化铪(HfO₂)薄膜的应力-温度曲线。

图中：继电器式温度显示器1、加热片驱动电路2、基板夹具3、ZYGO干涉仪4、计算机5、铜片6、铜片7、铝片8、铁夹片9、玻璃片10、热电阻11、MCH加热片12、激光器13、扩束器14、PZT传感器15、加热器16、分光器17、透镜18、CCD 19、样品20、LED 21

具体实施方式

如图1、2所示，分析薄膜应力的装置包括继电器式温度控制仪1、加热片驱动电路2、基板夹具3、干涉仪4、计算机5，继电器式温度控制仪1依次与加热片驱动电路2、基板夹具3、干涉仪4、计算机5相连接，基板夹具3包括第一铜片6、第二铜片7、铝片8、铁夹片9、样品固定圆孔10、热电阻11、MCH加热片12，第一铜片6背面固定有热电阻11和两片MCH加热片12，第一铜片6两侧设有固定凹槽，第二铜片7插入第一铜片6两侧设有的固定凹槽内，第二铜片7上端两侧固定有两片铁夹片9，在两片铁夹片9上夹有铝片8，铝片8上开有样品固定圆孔10。所述的基板夹具3外面套有高温棉隔热层。基板夹具3底部设有垂直调节装置。垂直调节装置由两个螺钉和一个微调底座组成。

如图3所示，干涉仪4为激光器13发出的光束经光束扩束器14到达分光镜17，分成二束光，第一束光被反射且经过PZT传感器15被反射后再次经过分光镜17到达透镜18，而第二束光则透过分光镜17、透镜18到达被测样品20后被反射与第一束光发生干涉，干涉图样被CCD19采集。

如图4所示，加热片驱动电路2为：第一电阻R1经第一电容C1、第二二极管D2、第二电阻R2、第三电阻R3、LED21接地，第二二极管D2正极经稳压管D1接地，第二二极管D2负极经第二电容C2接地，比较器正极经第六电阻R6、第五电阻R5、第一可调电阻W1、第四电阻R4、第二可调电阻W2接电源，比较器负极经第八电阻R8、第二电阻R2、第二二极管D2、第一电容C1、第一电阻R1、二极管Q1接加热片12，比较器的输出经U2接到加热片12，加热片12经第三二极管D3接地。

通过MCH加热片给铜块进行加热，同时热电阻将测定的铜片温度传输给温度控制仪，由温度控制仪显示铜片温度，通过温度校正实验，对比铜片温度与实验样品温度的差别，制成温度对照表，在实验过程中，根据温度对照表可知基板的实际温度。

它是利用温度控制仪控制薄膜的温度，测量出不同温度下薄膜的应力，由温度-应力曲线可以求得薄膜的热膨胀系数和弹性模量等参数，进而求得薄膜的热应力，当温度达到100摄氏度以上时，薄膜中的水汽被解吸，此时，薄膜应力只由内应力和热应力组成，再将薄膜的热膨胀系数和弹性模量代入公式(1)计算出热应力，从而可以得到薄膜中内应力的值。

设置基板温度，通过调节电路中的电阻W2值使基片的温度达到设定的温度，调节基片夹具装置，得到干涉图像，进行实验数据处理。根据Stoney公式

${\mathrm{\σ}}_f=\frac{E_s{t}_s^2}{6(1-v_s){\mathrm{Rt}}_f}---\left(1\right)$

其中Es为基板的杨氏模量(modulus of elasticity)，

为薄膜的弹性模量，ts为基板的厚度，tf为薄膜的厚度，R为长条型弯曲薄片的曲率半径。得出不同温度下的残余应力。在两种不同热膨胀系数的基板上镀制相同的薄膜材料，可以获得薄膜材料的热膨胀系数和薄膜材料的

进一步可以求得高温下薄膜的内应力。图5为230度在k9基板上镀制HfO₂薄膜的温度-应力曲线。根据此曲线可以进行进一步的计算。

Claims (5)

1.一种薄膜残余应力成分的分析装置，其特征在于包括继电器式温度控制仪(1)、加热片驱动电路(2)、基板夹具(3)、干涉仪(4)、计算机(5)，继电器式温度控制仪(1)依次与加热片驱动电路(2)、基板夹具(3)、干涉仪(4)、计算机(5)相连接，基板夹具(3)包括第一铜片(6)、第二铜片(7)、铝片(8)、铁夹片(9)、样品固定圆孔(10)、热电阻(11)、MCH加热片(12)，第一铜片(6)背面固定有热电阻(11)和两片MCH加热片(12)，第一铜片(6)两侧设有固定凹槽，第二铜片(7)插入第一铜片(6)两侧设有的固定凹槽内，第二铜片(7)上端两侧固定有两片铁夹片(9)，在第二铜片(7)与两片铁夹片(9)之间夹有铝片(8)，铝片(8)上开有样品固定圆孔(10)。

2.根据权利要求1所述的一种薄膜残余应力成分的分析装置，其特征在于所述的干涉仪(4)为激光器(13)发出的光束经光束扩束器(14)到达分光镜(17)，分成二束光，第一束光被反射且经过PZT传感器(15)被反射后再次经过分光镜(17)到达透镜(18)，而第二束光则透过分光镜(17)、透镜(18)到达被测样品(20)后被反射与第一束光发生干涉，干涉图样被CCD(19)采集。

3.根据权利要求1所述的一种薄膜残余应力成分的分析装置，其特征在于所述的基板夹具(3)外面套有高温棉隔热层。

4.根据权利要求1所述的一种薄膜残余应力成分的分析装置，其特征在于所述的基板夹具(3)底部设有垂直调节装置。

5.根据权利要求4所述的一种薄膜残余应力成分的分析装置，其特征在于所述的垂直调节装置由两个螺钉和一个微调底座组成。

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