CN101793675A

CN101793675A - 一种薄膜应力在线测试系统

Info

Publication number: CN101793675A
Application number: CN 200910224059
Authority: CN
Inventors: 王华清; 冷健; 卢维强; 张楠; 薛唯
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2010-03-26
Filing date: 2010-03-26
Publication date: 2010-08-04

Abstract

本发明涉及一种薄膜应力在线测试系统，属于物理领域里的光学分领域。该系统包括镀膜机、应力仪、晶控仪和计算机；在所测量样品镀膜开始前，先将计算机的数据采集与处理模块初始化并设定阈值。当外部高亮度光源发出的光从应力仪的光纤入射经分光棱镜分光，通过物镜后垂直入射到样品表面，平行光被测量样品表面反射后，再经中继透镜转换成平行光，然后经哈特曼透镜阵列成像到CMOS接收器感光面，通过调节外部光源，使得光斑尽量落于CMOS感光面中心区域。当电子枪轰击坩埚中的膜料，使其激发出膜料分子，膜料分子沉积到样品表面，镀膜开始。同时计算机开始对应力仪和晶控仪的数据进行采集，实现对薄膜应力变化的实时跟踪，绘制出薄膜应力随膜厚的变化曲线。

Description

一种薄膜应力在线测试系统

技术领域

本发明涉及一种薄膜应力在线测试系统，属于物理领域里的光学分领域。

背景技术

薄膜应力是薄膜制备过程中的普遍现象，几乎所有的薄膜都处于某种应力之中。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。薄膜制备工艺过程中对薄膜应力的掌控是薄膜领域中的重大课题，其中对薄膜应力的测试极其关键。

目前用于测量薄膜应力的方法主要有：基片变形法、X射线衍射法、Raman光谱法等。但由于受衍射强度偏低、衍射峰畸变、宽化等因素的限制，X射线衍射法用于测定厚度小于几十纳米薄膜应力时有很大的困难。而用Raman光谱法测定薄膜应力时，应力因子得到的结果并不统一，因此根据波谱位移量计算出的应力结果不一致。此外X射线衍射法要用到X射线管和Raman光谱法要用到气体激光器，这些设备都比较昂贵，不利于产品推广。

基片变形法由于其简单和非破坏性的特点，而被广泛用于薄膜的测量。传统的基片变形法主要采用基于激光器的应力仪对已镀膜基板的表面变形量进行测量，然后将变形量值代入应力与变形量的关系式中，得到待测薄膜的应力值。这样不仅不能很好地监控薄膜应力与膜厚的变化关系，而且由于镀膜机振动造成较大误差，因此要求设计复杂测试系统以降低误差，并对镀膜系统设备要求高。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术测量误差大，对测试系统的环境和复杂程度要求高的缺点，提供一种精确、简单的薄膜应力在线测试系统。

本发明的薄膜应力在线测试系统包含镀膜机、应力仪、晶控仪和计算机，其中

1)镀膜机包括样品支架、晶控仪探头、工件架、真空室、电子枪和坩埚。样品支架、晶控仪探头、工件架、电子枪和坩埚都置于真空室中；电子枪和坩埚置于工件架下方，样品支架和晶控仪探头安装在工件架上；样品支架位于应力仪正下方，晶控仪探头与晶控仪相连。镀膜机的作用是将膜料沉积到样品表面。

2)应力仪包括自准直成像系统和哈特曼传感器。其中自准直成像系统由分光棱镜、物镜、中继透镜构成，用于将图像精确地成像到CMOS接收器感光面。哈特曼传感器由哈特曼透镜阵列、CMOS接收器构成，代替传统应力仪中的激光器对镀膜样品的形变量进行测量。哈特曼透镜阵列选用一批焦距、口径相同的平凸透镜制作而成；CMOS接收器采用高分辨率感光面，感光面位于哈特曼透镜阵列的焦距处，接收来自样品的发射光，并将每个像素的灰度值存入已分配好的动态内存中；CMOS接收器的输出端与计算机相连，通过计算机中的数据采集与处理模块将存入CMOS接收器的光信号转换成数字信号传输到计算机中进行处理。

3)晶控仪对镀膜样品的膜厚变化进行监测，其输入端连接晶控仪探头，输出端与计算机相连。

4)计算机对应力仪和晶控仪中的数据进行采集处理。计算机中设计的数据采集与处理模块用一个一维数组记录每个像素的位置，考虑到杂散光的影响，设定某个灰度值作为阈值，将小于阈值的像素通过一个逻辑判断去掉，将大于这个阈值的像素的横纵坐标和所对应的灰度值代入质心公式得到质心坐标，并造成事实上的去噪。质心公式为：

\begin{matrix} X_{c} = \underset{i, j}{Σ} i * Array [i + a * j] / \underset{i, j}{Σ} Array [i + a * j] \\ Y_{c} = \underset{i, j}{Σ} j * Array [i + a * j] / \underset{i, j}{Σ} Array [i + a * j] \end{matrix}

，其中(i，j)为像素点坐标，

(X_c，Y_c)为选定感光区域质心坐标，a为感光面x方向的最大像素数；i取值范围为选定感光区域x方向像素值范围，j取值范围为选定感光区域y方向像素值范围。

然后以中心光斑的质心为参考点，计算出外侧各个光斑的质心与此参考点的距离D_i，实时记录样品镀膜过程中距离变化：ΔD＝D_it-D_i0，其中D_i0为初始时外侧光斑质心与参考点距离，D_it为t时刻外侧光斑质心与参考点距离。根据形变量公式：

δ = \frac{a f_{2} ΔD}{2 f_{1} f_{3}}

求得当光斑位置产生ΔD的偏移时样品实际的形变量δ，其中f₁为物镜焦距，f₂为中继透镜焦距，f₃为哈特曼透镜焦距，a为对应的样品子单元的宽度。最后根据应力公式：

σ = \frac{4 E_{s} t_{s}^{2} δ}{3 (1 - η_{s}) D_{s} t_{f}}

求得薄膜的应力值，并绘制出应力与膜厚变化的曲线图，其中t_s，E_s，η_s，D_s，t_f分别为样品的厚度、杨氏模量、泊松比、样品直径和薄膜厚度。至此本发明完成。

本发明一种基于哈特曼传感器的薄膜应力测量装置的工作过程为：在所测量样品镀膜开始前，先将计算机的数据采集与处理模块初始化，然后设定阈值。当外部高亮度光源发出的光从应力仪的光纤入射经分光棱镜分光，通过物镜后垂直入射到样品表面，平行光被测量样品表面反射后，再经中继透镜转换成平行光，然后经哈特曼透镜阵列成像到CMOS接收器感光面，通过调节外部光源，使得光斑尽量落于CMOS感光面中心区域。当电子枪轰击坩埚中的膜料，使其激发出膜料分子，膜料分子沉积到样品表面，镀膜开始。同时计算机开始对应力仪和晶控仪的数据进行采集(应力仪实时将光信号转换成的数据存储入CMOS接收器的动态内存中；晶控仪实时测量样品膜厚的数据变化)。这样便实现了对薄膜应力变化的实时跟踪，并能绘制出薄膜应力随膜厚的变化曲线。

有益效果

本发明以自适应形式避免了由于镀膜设备振动的影响而造成测量误差，并能够实现对单层膜、多层膜的应力在线测量与在线控制。其中数据采集与处理模块采用C++builder 6.0编写，功能丰富，能对程序功能作进一步扩展。

附图说明

图1是本发明一种薄膜应力在线测试系统的组成示意图；

图2是本发明一种薄膜应力在线测试系统中应力仪的机械结构图；

图3是本发明一种薄膜应力在线测试系统中计算机的数据采集与处理模块软件界面示意图，其中(Xi，Yi)，Di，Ti分别代表质心坐标、周围点与中间参考点的距离以及计算质心时的阈值；

图中，1-物镜，2-CMOS接收器，3-哈特曼透镜阵列，4-中继透镜，5-分光棱镜，6-应力仪，7-样品支架，8-晶控仪探头，9-工件架，10-真空室，11-晶控仪，12-计算机，13-电子枪，14-坩埚，15-镀膜机。

具体实施方式

下面结合附图和实施例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。

本发明一种薄膜应力在线测试系统主要由镀膜机15、应力仪6、晶控仪11和计算机12组成(如图1)。镀膜机包括样品支架7、晶控仪探头8、工件架9、真空室10、电子枪13和坩埚14；应力仪6(如图2)包括自准直成像系统和哈特曼传感器。

实验用的外部光源选择由高亮度蓝光聚光LED和光纤组成，光源发出的光从应力仪的光纤入射，经分光棱镜分光，通过物镜后垂直入射到样品表面，平行光被样品表面反射后，再经中继透镜转换成平行光，然后经哈特曼透镜阵列成像到CMOS接收器感光面，最后CMOS接收器将接收到的光信号转换为数字信号后传输给计算机，由计算机进行数据采集和处理。

本实施例中，CMOS感光面设定的分辨率为1280×768，每个像素接收的光亮度值分为256个等级，定义为像素的灰度值，并将每个像素的灰度值存入已分配好的动态内存中。用一个一维数组Array记录每个像素的位置Array[x+1280*y]，其中x为像素的横坐标，取值范围：

y为像素的纵坐标，取值范围：

这样就得到了质心公式所必须的横纵坐标和对应的灰度值。

以中心光斑的质心为参考点，利用两点间的距离公式分别计算出外侧的光斑质心距离此参考点的距离Di。镀膜过程中实时记录距离变化：ΔD＝D_it-D_i0。根据公式

δ = \frac{a f_{2} ΔD}{2 f_{1} f_{3}}

求得当光斑位置产生ΔD的偏移时样品实际的形变量δ。最后根据应力公式：

σ = \frac{4 E_{s} t_{s}^{2} δ}{3 (1 - η_{s}) D_{s} t_{f}}

求得薄膜的应力值，其中薄膜厚度t_f为晶控仪实时采集的薄膜厚度值。

利用本系统在线测量薄膜应力时，包括以下步骤：

①将上述薄膜应力测量装置安装在镀膜机观察窗外，通过调节样品支架上的平衡螺丝，使得光斑尽量位于CMOS感光面中心区域；在镀膜开始前，先在计算机的数据处理软件的主界面(如图3)上点击“初始化图像采集”按钮，然后在阈值设定对话框输入灰度阈值，之后点击“设定阈值”；

②在镀膜开始时，点击主界面的“图像活动”按钮计算机便开始实时采集数据，然后点击“坐标跟踪”按钮，此时主界面会实时显示各光斑的X、Y坐标，周围光斑与中心光斑的距离，采集次数以及计算机实时绘制的薄膜应力随膜厚的变化曲线，计算机还会将采集的数据保存成Excel文档，以便进行后期处理，此外在副界面还会直观地显示光斑的移动。

③镀膜结束后，点击“停止跟踪”按钮，计算机便停止采集数据，然后点击“图像活动”按钮便可停止程序。

Claims

1.一种薄膜应力在线测试系统，其特征在于：包含镀膜机、应力仪、晶控仪和计算机，其中

1)镀膜机包括样品支架、晶控仪探头、工件架、真空室、电子枪和坩埚；样品支架、晶控仪探头、工件架、电子枪和坩埚都置于真空室中；电子枪和坩埚置于工件架下方，样品支架和晶控仪探头安装在工件架上；样品支架位于应力仪正下方，晶控仪探头与晶控仪相连；镀膜机的作用是将膜料沉积到样品表面；

2)应力仪包括自准直成像系统和哈特曼传感器；其中自准直成像系统由分光棱镜、物镜、中继透镜构成，用于将图像精确地成像到CMOS接收器感光面；哈特曼传感器由哈特曼透镜阵列、CMOS接收器构成；哈特曼透镜阵列选用一批焦距、口径相同的平凸透镜制作而成；CMOS接收器采用高分辨率感光面，感光面位于哈特曼透镜阵列的焦距处，接收来自样品的发射光，并将每个像素的灰度值存入已分配好的动态内存中；CMOS接收器的输出端与计算机相连，通过计算机中的数据采集与处理模块将存入CMOS接收器的光信号转换成数字信号传输到计算机中进行处理；

3)晶控仪对镀膜样品的膜厚变化进行监测，其输入端连接晶控仪探头，输出端与计算机相连；

4)计算机对应力仪和晶控仪中的数据进行采集处理；将大于阈值的像素的横纵坐标和所对应的灰度值代入质心公式得到质心坐标，并造成事实上的去噪；以中心光斑的质心为参考点，实时记录样品镀膜过程中外侧光斑与参考点的距离变化ΔD；根据形变量公式求得样品的形变量δ，最后根据应力公式：

σ = \frac{4 E_{s} t_{s}^{2} δ}{3 (1 - η_{s}) D_{s} t_{f}}

求得薄膜的应力值，并绘制出应力与膜厚变化的曲线图。