CN102023068A - 薄膜应力测量设备及其测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种薄膜应力测量设备及其测量方法，在长方体设备机箱中，激光LED、光学反射镜、直线滑轨、探测器、直线滑轨、皆与设备机箱的顶面相联接，直线滑轨置于直线滑轨的下面且垂直相连，托盘、A/D数据采集卡安置在设备机箱的内侧底面上，托盘、A/D数据采集卡、直线滑轨、探测器、直线滑轨皆通过电路与长方体设备机箱外部的计算机相连，本设备采用光灵敏电探测器自动跟踪光路偏转，采集光路偏转位移信号，通过微型步进电机控制转动托盘能迅速地生成一张硅片精确区域的曲率和应力变化的彩图，帮助了解整张硅片表面薄膜的情况，可获取薄膜表面二维以及三维的图象，采用VC++语言编写友好界面，可供进一步扩展程序功能。

Description

薄膜应力测量设备及其测量方法

技术领域

本发明涉及一种非接触性薄膜应力参数测量设备及其测量方法，尤其涉及一种薄膜应力测量设备及其测量方法。

背景技术

目前，许多人对薄膜应力产生原因进行了大量的研究，提出了各种理论基础归结为以下两个方面：一个方面是由于薄膜和基体的热膨胀不同而引起的。在镀膜的过程中，薄膜和基体的温度都同时升高，而在镀膜后，下降到初始温度时，由于薄膜和基体的热膨胀系数不同，便产生了内应力，一般称之为热应；另一方面是薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的，主要是指薄膜在形成过程中的内应力，也称为本征应力。从总体看，目前用于测量薄膜应力的方法主要有三类：基片变形法，X衍射法，拉曼光谱法。在实际应用中，薄膜沉积过程中和沉积后的热机械过程中固有的内应力削弱甚至破坏薄膜与基体间的附着，它的存在不仅会造成膜层的损坏、失效，导致薄膜的龟裂、脱落，而且会作用于基体，使基体发生形变，从而使通过薄膜元件的光场发生畸变，影响传输特性。这对薄膜器件的稳定性、可靠性有着不利影响。虽然理论基础逐渐成熟，但应用技术没有跟上，即使市场上已经有一些薄膜应力测量设备推出，也存在自动化程度不高的缺点。所以，研究开发一种有效的薄膜应力测量设备来研究薄膜应力极为重要。

发明内容

本发明为克服现有的薄膜应力测量设备自动化程度及精度不高的缺陷，目的在于提供一种非接触式的高精度的且操作简单的薄膜应力测量设备及其测量方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种薄膜应力测量设备，其特征在于：在长方体设备机箱中，激光LED、光学反射镜、直线滑轨、探测器、直线滑轨、皆与设备机箱的顶面相联接，直线滑轨置于直线滑轨的下面且垂直相连，托盘、A/D数据采集卡安置在设备机箱的内侧底面上，托盘、A/D数据采集卡、直线滑轨、探测器、直线滑轨皆通过电路与长方体设备机箱外部的计算机相连。

所述直线滑轨平行与托盘表面，并位于托盘的正上方。所述直线滑轨通过电路与设备外界的微型步进电机相连，并由该步进电机控制。

所述托盘通过电路与设备外界的微型步进电机相连，并由该步进电机控制。

所述直线滑轨的内侧装载探测器。

所述探测器采用二象限光电探测器。

所述激光LED采用可切换不同波长的双路LED，。

所述托盘固连于设备机箱的内侧底面上且为可轴向旋转式连接。

所述计算机采用具二维、三维图形采集功能的计算机。

一种测量薄膜应力的方法，其特征在于，包括下列步骤：

①将未镀膜的硅片放在由微型步进电机控制的可旋转的托盘上，启动计算机，然后在计算机的控制程序界面上点击“第一次扫描”按钮，进入参数设置界面。

②设好参数后点击“扫描”按钮，托盘自动转到设定的角度，A/D数据采集卡打开激光LED，然后探测器根据光路自动调整直线滑轨初始位置，调整好初始位置后，直线滑轨走过已设好的距离x，探测器实时跟踪光路信号，采集光路偏转信号。扫描结束后硅片表面的曲率半径R。，表面的弯曲图像以及光路偏转距离相对扫描距离的变化曲线将被显示在控制程序界面上：光路偏转距离相对扫描距离的变化率：

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dx}}=\frac{2B}{R_0}=k,$ $R_0=\frac{2B}{k}.$

③将镀膜的硅片放在由微型步进电机控制的可旋转的托盘上，启动计算机，然后在计算机的控制程序界面上点击“第二次扫描”按钮，进入参数设置界面。

④重复步骤②，控制程序界面显示硅片镀膜后的曲率半径R，薄膜表面的弯曲图像以及光路偏转距离相对扫描距离的变化曲线：

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dx}}=\frac{2B}{R}=k,$ $R=\frac{2B}{k}.$

⑤根据Stoney公式得出应力值：

$\mathrm{\σ}=\frac{{\mathrm{ED}}^2}{6(1-V)T}(\frac{1}{R}-\frac{1}{R_0})$

E为杨氏模量，V为泊淞参量，D为硅片厚度，T为薄膜的厚度，

其中， $\frac{E}{1-V}=1.805E12\mathrm{dynes}/\mathrm{sq}.\mathrm{cm}$ (应力常数)

点击“退出”按钮，完成测量。

所述的A/D数据采集卡具有多个通道，分别用于光强信号的输入、微型步进电机的脉冲输出、激光LED的开关以及位置信号的输入输出。

本发明与现有技术相比优点在于：

1、所述的设备具有自动开启/关闭的双路激光双路激光技术是所述设备的特色，当样品的反射率比较低时，系统就会自动开启适合波长的激光。

2、所述的设备采用光灵敏电探测器自动跟踪光路偏转，采集光路偏转位移信号。

3、所述的设备可获取薄膜表面二维以及三维的图象通过微型步进电机控制转动托盘，所述设备能迅速地生成一张硅片精确区域的曲率和应力变化的彩图，帮助你了解整张硅片表面薄膜的情况。

4、所述的设备的控制程序采用VC++语言编写友好界面，可供进一步扩展程序功能。

附图说明

图1是本发明薄膜应力测量设备整体构造示意图；

图2是本发明薄膜应力测量设备光路原理图；

图3是本发明薄膜应力测量设备控制程序主界面示意图；

图4是本发明薄膜应力测量设备参数设置界面示意图。

具体实施方式

如图1所示，在长方体设备机箱中，激光LED 2、光学反射镜3、直线滑轨4、探测器6、直线滑轨5、皆与设备机箱的顶面相联接，直线滑轨5置于直线滑轨4的下面且垂直相连，托盘1、A/D数据采集卡7安置在设备机箱的内侧底面上，托盘1、A/D数据采集卡7、直线滑轨4、探测器6、直线滑轨5皆通过电路与长方体设备机箱外部的计算机8相连。其中，直线滑轨4平行与托盘1表面，并位于托盘1的正上方。直线滑轨4通过电路与设备外界的微型步进电机相连，并由该步进电机控制。托盘1通过电路与设备外界的微型步进电机相连，并由该步进电机控制。直线滑轨5的内侧装载探测器6。探测器6采用二象限光电探测器。激光LED 2采用可切换不同波长的双路LED。托盘1固连于设备机箱的内侧底面上且为可轴向旋转式连接。计算机8采用具二维、三维图形采集功能的计算机。测量时，每一部位的动作都有控制程序来控制。激光LED 2的光束经待测硅片的表面反射后，再经光学反射镜3反射进入探测器6，探测器自动追踪光路信号，信号经过A/D数据采集卡7输入入计算机8。

图2是本发明的光学原理图，如图所示，当直线滑轨4带动激光LED 2走过一微小位移dx，由于待测硅片有一定的曲率，入射激光在硅片表面的法线将偏转一角度，因此反射激光光路将偏转两倍于此的角度，根据角度几何关系可得：

$2\frac{\mathrm{dx}}{R}=\frac{\mathrm{dz}}{B}$ ①

令 $k=\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dx}},$ 可得： $R=\frac{2B}{k}$ ②

只要知道k就可算出R，z的位移变化由光电灵敏探测器6实时采集，经计算机8数据处理后得z相对x的变化曲线，曲线的斜率即为k。用同样的方法可分别测硅片在镀膜前后的曲率半径R₀和R，于是应力可以有Stoney公式得出：

$\mathrm{\σ}=\frac{{\mathrm{ED}}^2}{6(1-V)T}(\frac{1}{R}-\frac{1}{R_0})$ ③

式中，E为杨氏模量，V为泊淞参量，D为硅片厚度，T为薄膜的厚度。

探测器6为二象限光电探测器，其工作原理是通过两个象限对收到的光强信号的差分比较，将差分信号放大后反馈控制装载探测器的可控精密直线滑轨5实时调整位置，使两个象限得到的光强信号实时保持相等，计算机并实时记录直线滑轨5位置信号z。

Claims (10)

1.一种薄膜应力测量设备，其特征在于：在长方体设备机箱中，激光LED(2)、光学反射镜(3)、直线滑轨(4)、探测器(6)、直线滑轨(5)、皆与设备机箱的顶面相联接，直线滑轨(5)置于直线滑轨(4)的下面且垂直相连，托盘(1)、A/D数据采集卡(7)安置在设备机箱的内侧底面上，托盘(1)、A/D数据采集卡(7)、直线滑轨(4)、探测器(6)、直线滑轨(5)皆通过电路与长方体设备机箱外部的计算机(8)相连。

2.根据权利要求1所述的薄膜应力测量设备，其特征在于：所述直线滑轨(4)平行与托盘(1)表面，并位于托盘(1)的正上方。

3.根据权利要求1所述的薄膜应力测量设备，其特征在于：所述直线滑轨(4)通过电路与设备外界的微型步进电机相连，并由该步进电机控制。

4.根据权利要求1所述的薄膜应力测量设备，其特征在于：所述托盘(1)通过电路与设备外界的微型步进电机相连，并由该步进电机控制。

5.根据权利要求1所述的薄膜应力测量设备，其特征在于：直线滑轨(5)的内侧装载探测器(6)。

6.根据权利要求1所述的薄膜应力测量设备，其特征在于：所述探测器(6)采用二象限光电探测器。

7.根据权利要求1所述的薄膜应力测量设备，其特征在于：所述激光LED(2采用可切换不同波长的双路LED。

8.根据权利要求1所述的薄膜应力测量设备，其特征在于：所述托盘(1)固连于设备机箱的内侧底面上且为可轴向旋转式连接。

9.根据权利要求1所述的薄膜应力测量设备，其特征在于：所述计算机(8)采用具二维、三维图形采集功能的计算机。

10.一种根据所述薄膜应力测量设备进行薄膜应力测量的方法，其特征在于，包括下列步骤：

①将未镀膜的硅片放在由微型步进电机控制的可旋转的托盘(1)上，启动计算机(8)，然后在计算机(8)的控制程序界面上点击“第一次扫描”按钮，进入参数设置界面。

②设好参数后点击“扫描”按钮，托盘(1)自动转到设定的角度，A/D数据采集卡(7)打开激光LED，然后探测器(6)根据光路自动调整直线滑轨(5)初始位置，调整好初始位置后，直线滑轨(4)走过已设好的距离x，探测器(6)实时跟踪光路信号，采集光路偏转信号。扫描结束后硅片表面的曲率半径R。，表面的弯曲图像以及光路偏转距离相对扫描距离的变化曲线将被显示在控制程序界面上：光路偏转距离相对扫描距离的变化率：

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dx}}=\frac{2B}{R_0}=k,$ $R_0=\frac{2B}{k}.$

③将镀膜的硅片放在由微型步进电机控制的可旋转的托盘(1)上，启动计算机(8)，然后在计算机(8)的控制程序界面上点击“第二次扫描”按钮，进入参数设置界面。

④重复步骤②，控制程序界面显示硅片镀膜后的曲率半径R，薄膜表面的弯曲图像以及光路偏转距离相对扫描距离的变化曲线：

$\frac{\mathrm{dz}}{\mathrm{dx}}=\frac{2B}{R}=k,$ $R=\frac{2B}{k}.$

⑤根据Stoney公式得出应力值：

$\mathrm{\σ}=\frac{{\mathrm{ED}}^2}{6(1-V)T}(\frac{1}{R}-\frac{1}{R_0})$

E为杨氏模量，V为泊淞参量，D为硅片厚度，T为薄膜的厚度，其中，(应力常数)

点击“退出”按钮，完成测量。

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