CN102620868A

CN102620868A - 具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置及其应用

Info

Publication number: CN102620868A
Application number: CN2012100618645A
Authority: CN
Inventors: 方运; 王逸群; 王玮; 朱建军; 张永红; 张宝顺
Original assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Current assignee: Suzhou Institute of Nano Tech and Nano Bionics of CAS
Priority date: 2012-03-10
Filing date: 2012-03-10
Publication date: 2012-08-01
Anticipated expiration: 2032-03-10
Also published as: CN102620868B

Abstract

本发明揭示了一种具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置及其应用。该薄膜应力测量装置包括多光束图形发生器以及光束位置探测器，所述多光束图形发生器与所述光束位置探测器互相垂直排布。本发明提高了薄膜应力测量精度，简化了薄膜应力测量装置的光路布局与装调要求，可被广泛应用于在薄膜应力离线测量装置、薄膜沉积设备、材料外延设备等之中。

Description

具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置及其应用

技术领域

本发明涉及光电测量领域的一种薄膜应力测量装置，尤其涉及一种具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置及其应用。

背景技术

薄膜材料与技术已广泛应用于大规模集成电路、电子元器件、平板显示、信息记录与存储、MEMS、太阳能电池、光通信和半导体照明等高新技术产业的各个领域。在薄膜制备过程中，薄膜与衬底热膨胀系数、晶格常数的不匹配会导致生长的薄膜存在应力，同时薄膜生长过程中微观结构的变化也会产生应力。过大的薄膜应力会导致薄膜开裂、卷曲甚至脱落现象发生。可以说，薄膜应力的大小直接影响着产品的成品率、稳定性、可靠性以及使用寿命等指标，薄膜应力测量装置对薄膜质量的控制和评价显得尤为重要。

激光束偏转法是应用最广泛的薄膜应力测量方法，它利用激光束照射到具有微小弯曲的样品表面会使光束反射方向发生改变的特性，通过在较远处测量反射光斑位置的偏移来测量基片曲率变化，然后根据材料力学和弹性力学理论建立薄膜应力与衬底宏观形变量的关系，进而计算薄膜应力的大小。激光束偏转法更加灵敏、测量精度更高，并且测量过程中与样品表面不存在接触，测量装置可以放在离样品较远的位置，测量结果对薄膜生长设备产生的强电磁场以及高温环境不敏感，可以安装在薄膜沉积设备或材料外延设备外部，用于实时监测薄膜沉积过程中的应力变化。

在激光束偏转法中，如图1所示，镀膜前、后衬底曲率变化与光斑位置变化之间的关系满足

κ - κ_{0} = \frac{\cos α}{2 L} \frac{δd}{d_{0}}

其中：α为入射光束与衬底法线间的夹角，L为被测样品A与图像传感器B间的距离，δd为距离被测衬底表面L处反射光光斑位置的变化量，d₀为薄膜沉积前距离被测衬底表面L处光斑的间距。

传统激光束偏转法应力测量装置光路结构包括多光束图形发生器以及光束位置探测器。该多光束图形发生器发出的光束以与被测衬底法线成α角(如图1所示)倾斜入射到被测衬底表面，经其反射后在光束位置探测器处成像获得多光束空间位置分布信息，通过对薄膜沉积前后光束位置变化信息进行处理即可获得薄膜应力分布。然而，该多光束以与被测衬底法线成α角倾斜入射，从而导致了光路系统也需要倾斜布置，由此给仪器光路布局与装调带来了一定的复杂性与难度。此外，为了获得更高的曲率测量精度，也希望光束入射角α较小。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置及其应用，其可以提高薄膜应力的测量精度，简化薄膜应力测量装置的光路布局和装调要求。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置，包括多光束图形发生器以及光束位置探测器，其特征在于：所述多光束图形发生器与所述光束位置探测器互相垂直排布。

此外，本发明还提出如下附属技术方案：

所述具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置还包括光束位置分离器，所述多光束图形发生器产出的光束透过所述光束位置分离器后被被测薄膜表面反射，然后再次通过所述光束位置分离器反射至所述光束位置探测器。

所述光束位置分离器包括偏振分光棱镜和1/4波片，所述多光束图形发生器产生的光束依次透过所述偏振分光棱镜、所述1/4波片后被被测薄膜表面反射，然后再次通过所述1/4波片并被所述偏振分光棱镜反射至所述光束位置探测器。

所述多光束图形发生器包括激光器、倒置望远准直光学系统、分束器以及准直透镜，所述激光器发出的单束激光经所述倒置望远准直光学系统进行束斑尺寸压缩后入射到所述分束器上并经所述准直透镜形成平行阵列光束。

所述光束位置探测器包括成像光学系统和图像传感器。

所述具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置可应用在薄膜应力离线测量装置中测量薄膜应力分布。

所述具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置也可应用在薄膜沉积设备中实时监测薄膜沉积过程中应力的变化。

所述具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置还可应用在材料外延设备中实时监测材料外延过程中应力的变化。

相比于现有技术，本发明的优点在于：该具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置可以将多光束图形发生器与光束位置探测器互相垂直排布，提高了薄膜应力测量精度，简化了薄膜应力测量装置的光路布置与装调要求。

附图说明

图1是薄膜应力测量原理图。

图2是对应于本发明较佳实施例1的光路结构示意图。

图3是对应于本发明较佳实施例2的光路结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置更易于理解，以下结合两个较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。

实施例1

参阅图2，一种具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置，包括多光束图形发生器13、光束位置探测器15以及光束位置分离器17，其中多光束图形发生器13与光束位置探测器15互相垂直排布。

上述多光束图形发生器13包括激光器1、倒置望远准直光学系统19、分束器5以及准直透镜6。其中，倒置望远准直光学系统19包括两个透镜2、4和位于该两个透镜2、4之间的光阑3组成。分束器5可为法布里-珀罗标准具、衍射光栅、数字微镜器件、液晶空间光调制器或液晶光学相控阵器件中的一种。该激光器1发出的单束激光21经所述倒置望远准直光学系统19进行束斑尺寸压缩后入射到所述分束器5上并经所述准直透镜6形成平行阵列光束。

上述光束位置探测器15包括成像光学系统10和图像传感器11，用于探测反射光束的位置分布信息。由光束位置分离器17射出的光束经成像光学系统10在图像传感器11的焦平面上成像，对成像结果进行处理即可获得反射光束的位置分布信息。

所述光束位置分离器17设置在多光束图形发生器13与光束位置探测器15之间，多光束图形发生器13产出的光束经过所述光束位置分离器17后被被测薄膜9的表面反射，然后再次通过所述光束位置分离器17反射至所述光束位置探测器15。该光束位置分离器17包括偏振分光棱镜7和1/4波片8。

这样，由激光器1发出的一束激光经倒置望远准直光学系统19压缩束斑尺寸后入射到分束器5上并经准直透镜6准直形成平行光束阵列，该光束阵列中振动方向平行于入射面的偏振分量直接透过偏振分光棱镜7，通过1/4波片8变换为圆偏振光后照射到被测薄膜9的表面，被被测薄膜9的表面反射后再次经过1/4波片8并被变换为振动方向垂直于入射面的线偏振光，进而被偏振分光棱镜7反射，最终经成像光学系统10在图像传感器11的焦平面上成像，显示出反射光束阵列的光斑位置分布信息。

利用薄膜沉积前后反射光光斑位置变化量和Stoney方程按照如下公式计算出薄膜应力σ

σ = \frac{E}{6 (1 - v)} \cdot \frac{h_{s}^{2}}{h_{f}} \cdot \frac{1}{2 L} \frac{δd}{d_{0}}

其中：E为杨氏模量，v为泊松比，h_f为薄膜厚度，h_s为衬底厚度，L为被测衬底表面与图像传感器间的距离，δd为距离被测衬底表面L处反射光光斑位置的变化量，d₀为薄膜沉积前距离被测衬底表面L处光斑的间距。

可见，在薄膜应力离线测量中、或在薄膜沉积设备中以及或在材料外延设备中可应用本发明所提出的具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置来测量薄膜应力分布。

实施例2

参阅图3，相比于上述实施例1，实施例2中的具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置只是将多光束图形发生器13与光束位置探测器15的位置互换，也成互相垂直的排布，其他的部件和排布未作任何变化，故此不再赘述。

故而，本发明所提出的具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置通过将多光束图形发生器与光束位置探测器呈互相垂直的布置，提高了薄膜应力测量精度，简化了薄膜应力测量装置的光路布局与装调要求。

以上仅是本发明的两个较佳应用范例，对本发明的保护范围不构成任何限制。实际上，本领域技术人员经由本发明技术方案之启示，亦可想到采用上述方案制作具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置。但是，凡采用等同变换或者等效替换而形成的技术方案，均落在本发明权利保护范围之内。

Claims

1.一种具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置，包括多光束图形发生器以及光束位置探测器，其特征在于：所述多光束图形发生器与所述光束位置探测器互相垂直排布。

2.根据权利要求1所述的具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置，其特征在于：其还包括光束位置分离器，所述多光束图形发生器产出的光束透过所述光束位置分离器后被被测薄膜表面反射，然后再次通过所述光束位置分离器反射至所述光束位置探测器。

3.根据权利要求2所述的具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置，其特征在于：所述光束位置分离器包括偏振分光棱镜和1/4波片，所述多光束图形发生器产生的光束依次透过所述偏振分光棱镜、所述1/4波片后被被测薄膜表面反射，然后再次通过所述1/4波片并被所述偏振分光棱镜反射至所述光束位置探测器。

4.根据权利要求1所述的具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置，其特征在于：所述多光束图形发生器包括激光器、倒置望远准直光学系统、分束器以及准直透镜，所述激光器发出的单束激光经所述倒置望远准直光学系统进行束斑尺寸压缩后入射到所述分束器上并经所述准直透镜形成平行阵列光束。

5.根据权利要求1所述的具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置，其特征在于：所述光束位置探测器包括成像光学系统和图像传感器。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置在薄膜应力离线测量装置中测量薄膜应力分布时的应用。

7.根据权利要求1至5中任一项所述的具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置在薄膜沉积设备中实时监测薄膜沉积过程中应力的变化时的应用。

8.根据权利要求1至5中任一项所述的具有垂直光路结构的薄膜应力测量装置在材料外延设备中实时监测材料外延过程中应力的变化时的应用。