CN105806531A - 柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪，其包括光学平台、第一支撑杆、光路系统、激光光源系统、样品支撑系统、光斑跟踪三维运动系统；所述激光光源系统和光路系统固定于第一支撑杆上，所述第一支撑杆固定于光学平台上，所述光斑跟踪三维运动系统和样品支撑系统分别位于光学平台的两侧边缘。本发明可对柔性透明且曲率半径较小的衬底上薄膜应力进行测量，利用单束光光杠杆法准确测得曲率半径，其先对激光源进行聚焦处理来提高光斑单位面积功率，利用三点定位法固定样品保证长膜前后相对初始位置一致，利用光斑跟踪系统大幅增加光斑偏移的可测范围，最后利用修正的Stoney公式得到薄膜残余应力。

Description

柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪

技术领域

本发明涉及薄膜残余应力测量技术，特别涉及一种柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪。

背景技术

柔性显示作为下一代显示技术，由于其具有可弯曲、超轻薄设计、超低功耗、耐用性以及便携性等优点，已经引起了广泛的关注。PEN膜、PET膜等常被用作柔性基底，其上通过原子层沉积(ALD)、等离子体增强化学气相沉积法(PECVD)等对柔性有机电致发光器件进行薄膜封装。成熟的薄膜封装技术对柔性显示应用的推广起着至关重要的作用，而封装效果则与薄膜的残余应力有着密切的关系。因此，对柔性衬底上薄膜残余应力的测试变得很有意义。

Stoney等人在薄膜厚度远小于衬底厚度、基底和薄膜材料各向同性且杨氏模量相近等假设下利用力平衡、力矩平衡等方法对薄膜曲率变化与残余应力关系的推导得到公式(1)，其基本原理是通过对比长膜前后基底曲率半径的变化来确定薄膜中残余应力的大小。因此，薄膜残余应力测量研究转化为基底曲率半径变化测量的研究。

${\mathrm{\σ}}_f=\frac{{t_s}^2}{6t_f}\left(\frac{E_s}{1-{\mathrm{\ν}}_s}\right)(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_0})---\left(1\right)$

式中t代表厚度、E为弹性模量、v为泊松比，而下标s、f分别对应着基底和薄膜，R₀、R₁分别为长膜前后的曲率半径。

目前，国内外对基底曲率半径测试展开的研究和一些成果主要是针对硬质衬底测量的，如美国的MOS型、韩国的RST型北京FST150型薄膜应力测试仪，都是利用光杠杆法来测得基底的曲率半径。当这些测量仪用于柔性衬底时会出现以下很多问题：

(1)柔性衬底有很多为透明的，反射率较低(如PET反射率小于10％)，利用光光杠杆法时，光斑位移传感器接收到的有效信号较微弱，周围杂光及暗电流就会相对较大，减小了信噪比，增大了测量误差。

(2)操作不够方便，无法保证长膜前后基底的相对初始位置保持一致，样品的长宽比和表面平整度限制严格，极大影响了薄膜应力测试范围和能力。

(3)柔性衬底本身的平面度较大使局部曲率半径过小，或长膜后在残余应力的作用下变形比较大而使得曲率半径过小，从而大幅超出现有仪器的测量范围。

(4)柔性基底和薄膜的杨氏模量相差较大，不满足Stoney公式成立中杨氏模量相近的假设，这将带来较大误差。

发明内容

本发明要解决的问题在于提供一种柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪，其针对硬质基底上薄膜应力测量技术对于柔性基底薄膜应力测量所存在的缺陷。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪，其特征在于，所述柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪采用光杠杆法的原理，测量基底长膜前后的曲率半径，利用修正的Stoney公式得到残余应力；所述柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪包括光学平台、第一支撑杆、光路系统、激光光源系统、样品支撑系统、光斑跟踪三维运动系统；所述激光光源系统和光路系统固定于第一支撑杆上，所述第一支撑杆固定于光学平台上，所述光斑跟踪三维运动系统和样品支撑系统分别位于光学平台的两侧边缘。

优选地，所述光路系统包括反射镜、半透半反镜；反射镜和半透半反镜分别上下固定于第一支撑杆上且位于样品台正上方，激光光源系统的激光束经反射镜后穿过半透半反镜到达样品，再经样品反射回半透半反镜反射至所述光斑跟踪三维运动系统的光斑位置传感器，样品位移和光斑位移与样品基底曲率半径的关系如下公式所示：

$R=2L\frac{\mathrm{\Δ}x}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}}$

式中R为样品曲率半径，L为样品与光斑传感器的间距，Δx为样品单次位移，Δδ为光斑位置因样品位移而发生的变化。

优选地，所述修正的Stoney公式是利用力矩平衡法对公式成立假设之一进行的修正，修正的Stoney公式如下：

${\mathrm{\σ}}_f=\frac{{\∫}_{n-t_s}^n{z}^{2}dz}{t_{f}n}\left(\frac{E_s}{1-v_s}\right)(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_0})$

式中σ_f为薄膜残余应力，t代表厚度、E为弹性模量、v为泊松比，而下标s、f分别对应着基底和薄膜，R0、R1分别为长膜前后的曲率半径，其中η＝t_f/t_s，χ＝Y_f/Y_s，

优选地，所述激光光源系统包括HeNe光纤激光源、准直器、非球面聚焦镜、光纤固定板及第二支撑杆；所述准直器与光纤激光源连接，非球面聚焦镜与准直器连接，HeNe光纤激光源、准直器、非球面聚焦镜都位于光纤固定板上方；所述光纤固定板与第二支撑杆相连，第二支撑杆安装于光学平台上。

优选地，所述样品支撑系统包括样品台、样品、第一定位块、第二定位块、滑轨、第一伺服电机、第一运动模组；所述第一伺服电机与第一运动模组连接，第一运动模组有效行程大于150mm，重复定位精度为±3μm/m；样品台位于第一支撑杆的旁边且固定于第一运动模组上，样品台有两个平行台阶面，两个平行台阶面分别为上台阶侧面和下台阶面，所述两个平行台阶面相距5mm；所述第一定位块固定于下台阶面且紧贴上台阶侧面，所述滑轨固定于下台阶面上且平行于上台阶侧面，所述第二定位块位于滑轨上并紧贴上台阶侧面滑动，第一定位块和第二定位块的定位夹角为150°；所述样品的形状为长方形且有两相邻的锐角尖角。

优选地，所述光斑跟踪三维运动系统包括第二伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、第四伺服电机、模组支撑板、光斑位置传感器、窄通宽滤光片；所述第二伺服电机与第二伺服电机连接，所述第三伺服电机与第三伺服电机连接，所述第四伺服电机与第四伺服电机连接，第二伺服电机的有效行程和第三伺服电机的有效行程均大于200mm，第四伺服电机有效行程大于500mm；第四伺服电机固定于光学平台上，与激光源平行，有效行程中心处距离样品台的光程距离为1000mm；第三伺服电机垂直固定于第四伺服电机上，模组支撑板固定于第三伺服电机上，第二伺服电机固定于模组支撑板上，且保持竖直；所述光斑位置传感器固定于第二伺服电机上，且保持传感器的一边水平，所述窄通宽滤光片固定于光斑位置传感器的正前方。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：本发明可对柔性透明且曲率半径较小的衬底上薄膜应力进行测量，利用单束光光杠杆法准确测得基底曲率半径。其先对激光源进行聚焦处理来提高光斑单位面积功率，提高了信噪比降低了干扰影响，同时保证光斑不会发散过大甚至大于光斑位置传感器尺寸；利用三点定位法固定样品保证同一样品长膜前后相对位置一致；利用光斑跟踪系统大幅增加光斑偏移的可测范围，适应柔性基底曲率半径较小且变化较大的特点；最后利用修正的Stoney公式得到薄膜残余应力，减少因样品参数与公式成立假设偏离较大而产生的误差。

附图说明

图1为单束光光杠杆法原理图。

图2为本发明柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪的结构示意图。

图3为Stoney公式修正原理图。

图4为本发明样品台的结构示意图。

具体实施方式

本发明的实施方案结合附图详述如下：

图1为单束光光杠杆法原理图，如图1和图2所示，本发明柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪采用光杠杆法的原理，测量基底长膜前后的曲率半径，利用修正的Stoney公式得到残余应力；所述柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪包括光学平台25、第一支撑杆8、光路系统、激光光源系统、样品支撑系统、光斑跟踪三维运动系统；所述激光光源系统和光路系统固定于第一支撑杆上，所述第一支撑杆固定于光学平台上，所述光斑跟踪三维运动系统和样品支撑系统分别位于光学平台的两侧边缘。

HeNe激光束经样品后反射到达光斑位置传感器，当样品跟随伺服运动模组运动Δx，由于薄膜残余应力的存在而产生基底微小弯曲会使光束的反射方向发生改变，传感器上光斑位置将发生Δδ的移动。精确测得样品位移Δx和光斑位移Δδ便可以利用简化的公式得到薄膜的曲率半径R。所述光路系统包括反射镜10、半透半反镜9；反射镜10和半透半反镜9分别上下固定于第一支撑杆8上且位于样品台正上方，激光光源系统的激光束26经反射镜后穿过半透半反镜到达样品4，再经样品反射回半透半反镜反射至所述光斑跟踪三维运动系统的光斑位置传感器，样品位移和光斑位移与样品基底曲率半径的关系如下公式(2)所示：

$R=2L\frac{\mathrm{\Δ}x}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}}---\left(2\right)$

式中R为样品曲率半径，L为样品与光斑传感器的间距，Δx为样品单次位移，Δδ为光斑位置因样品位移而发生的变化。

图3为所述Stoney公式修正原理图，当基底27与薄膜29杨氏模量相近时，可认为中心面28在基底厚度中心处，但基底与薄膜杨氏模量相差较大时，中心面会偏移厚度中心较远，须校准。中心面的位置转移到位置n处，n如式(3)所示，x只是为了简化公式的一个符号，无特殊意义。

$n=\left(\frac{t_s}{2}\right)\frac{(1+2\mathrm{\η}+{\mathrm{\χ\η}}^2)}{(1+\mathrm{\η})(1+\mathrm{\χ}\mathrm{\η})}---\left(3\right)$

即Stoney公式对其成立假设之一进行了修正，假设为薄膜与基底的杨氏模量相近，主要修正了中心面位置n，由原来的修正为(其中η＝t_f/t_s，χ＝Y_f/Y_s)。

所述修正的Stoney公式是利用力矩平衡法对公式成立假设之一进行的修正，其假设为薄膜与基底的杨氏模量相近，但柔性基底与其上所长薄膜杨氏模量相差较大，如Al/PET结构，杨氏模型相差50倍以上；再利用力矩平衡法进行修正，修正的Stoney公式如下式(4)：

${\mathrm{\σ}}_f=\frac{{\∫}_{n-t_s}^n{z}^{2}dz}{t_{f}n}\left(\frac{E_s}{1-v_s}\right)(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_0})---\left(4\right)$

式中σ_f为薄膜残余应力，t代表厚度、E为弹性模量、v为泊松比，而下标s、f分别对应着基底和薄膜，R₀、R₁分别为长膜前后的曲率半径，其中η＝t_f/t_s，χ＝Y_f/Y_s。

假设x＝20，η＝1/500，计算出的值与未修正过Stoney公式算出的值相比，误差达到4％。另外，随着x值的增大，误差会更大，所以我们有必要去重新修正。

如图2所示，所述激光光源系统包括HeNe光纤激光源14、准直器13、非球面聚焦镜12(焦距为1000mm)、光纤固定板15及第二支撑杆11；所述准直器13与光纤激光源14连接，非球面聚焦镜12与准直器13连接，HeNe光纤激光源14、准直器13、非球面聚焦镜12都位于光纤固定板15上方；所述光纤固定板15与第二支撑杆11相连，第二支撑杆11安装于光学平台25上。柔性透明基底反射率较低，反射至传感器功率较低，将导致信噪比较低，测量精度较低。对激光源进行聚焦处理来提高光斑单位面积功率，提高信噪比降低干扰影响，同时保证光斑不会发散过大甚至大于光斑位置传感器尺寸，保证光斑位置偏移测试的准确性。

如图2和图4所示，所述样品支撑系统包括样品台3、样品4、第一定位块5、第二定位块6、滑轨7、第一伺服电机1、第一运动模组2；所述第一伺服电机1与第一运动模组2连接，第一运动模组2有效行程大于150mm，重复定位精度为±3μm/m，第一运动模组带动样品单步位移最小可达0.05mm左右；样品台3位于第一支撑杆8的旁边且固定于第一运动模组2上，样品台3有两个平行台阶面，两个平行台阶面分别为上台阶侧面和下台阶面，所述两个平行台阶面相距5mm；所述第一定位块5固定于下台阶面且紧贴上台阶侧面，所述滑轨7固定于下台阶面上且平行于上台阶侧面，所述第二定位块6位于滑轨7上并紧贴上台阶侧面滑动，第一定位块5和第二定位块6的定位夹角为150°，定位夹角边相等均为3mm，夹角相对放置；所述样品4的形状为长方形，有两相邻的锐角尖角，位于上台阶面，先将一个尖角放置于第一定位块5的夹角处，滑动第二定位块6的同时保证另一个尖角与第二定位块6的夹角接触，以此确定样品4的位置。通过定位块保证长膜前后样品4与样品台3位置一致，再由第一伺服电机1控制样品台3与第一运动模组2相对位置，即可保证样品4长膜前后绝对位置保持一致。

所述光斑跟踪三维运动系统包括第二伺服电机16、第二伺服电机17、第三伺服电机18、第三伺服电机21、第四伺服电机24、第四伺服电机23、模组支撑板22、光斑位置传感器20、窄通宽滤光片19；所述第二伺服电机16与第二伺服电机17连接，所述第三伺服电机18与第三伺服电机21连接，所述第四伺服电机24与第四伺服电机23连接，第二伺服电机16的有效行程和第三伺服电机21的有效行程均大于200mm，第四伺服电机24有效行程大于500mm，运动模组重复定位精度均为±3μm/m；第四伺服电机23固定于光学平台25上，与激光源平行，其有效行程中心处距离样品台的光程距离为1000mm；第三伺服电机21垂直固定于第四伺服电机23上，模组支撑板22固定于第三伺服电机21上，第二伺服电机17固定于模组支撑板22上，且保持竖直；所述光斑位置传感器20固定于第二伺服电机17上，且保持传感器的一边水平，所述窄通宽滤光片19固定于光斑位置传感器20的正前方，以此减少周围杂光的影响，提高测量精度。当对曲率半径进行测量之前，先只运行第一伺服电机1，带动样品4左右移动，观察光斑偏移大小，再确定第四伺服电机23的位置，保证光斑偏移在第二伺服电机17和第三伺服电机21的光斑跟踪系统量程范围内，将第一运动模组2回原点，再调节光斑跟踪系统，将光斑落在光斑位置传感器20上，此时可开始测量。a、光斑位置传感器读出目前光斑位置，光斑跟踪系统进行跟踪使传感器位置回零；b、第一伺服电机带动第一运动模组移动x，记录下样品位置x_n＝x_n-1+x；c、光斑此时产生位置偏移δ，位置由传感器读出，记下数据δ_n＝δ_n-1+δ；d、跟踪系统进行光斑跟踪，使传感器位置回零；e、重复上述步骤，得到下一个和x_n和δ_n，利用公式(2)即可得到某位置的曲率半径R，测得长膜前后的曲率半径后，再用修正的Stoney公式即可得到相应位置的薄膜残余应力。柔性基底由于自身弯曲或是薄膜残余应力的存在，其曲率半径甚至可小至100mm，此时光斑偏移量将远远超出传感器的尺寸10mm，本发明将利用第二伺服电机和第三伺服电机组成二维光斑跟踪系统，保证光斑始终在传感器的中间区域的同时测得光斑位置的偏移。另外，第四伺服电机可以调节光斑跟踪系统的前后位置，改变光杠杆法的放大比例，从而达到增大量程的效果。

本发明利用单束光光杠杆法测得长膜前后基底曲率半径；对激光光源进行准直聚焦处理来减小光斑大小，提高光斑单位面积功率，提高信噪比，降低干扰影响；利用三点定位法固定样品保证被测样品长膜前后相对初始位置一致；利用光斑跟踪系统大幅增加光斑偏移的可测范围；利用修正的Stoney得到最后残余应力。表面不平的样品移动将导致光斑位置的偏移，根据样品位移和光斑位移得到样品基底曲率半径。HeNe光纤激光源为HeNe激光器，输出功率大于40mW，发散角1.5mrad，通过准直器后再经聚焦镜聚焦，聚焦镜为非球面，焦距为1000mm。

Claims (6)

1.一种柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪，其特征在于，所述柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪采用光杠杆法的原理，测量基底长膜前后的曲率半径，利用修正的Stoney公式得到残余应力；所述柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪包括光学平台、第一支撑杆、光路系统、激光光源系统、样品支撑系统、光斑跟踪三维运动系统；所述激光光源系统和光路系统固定于第一支撑杆上，所述第一支撑杆固定于光学平台上，所述光斑跟踪三维运动系统和样品支撑系统分别位于光学平台的两侧边缘。

2.根据权利要求1所述的柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪，其特征在于，所述光路系统包括反射镜、半透半反镜；反射镜和半透半反镜分别上下固定于第一支撑杆上且位于样品台正上方，激光光源系统的激光束经反射镜后穿过半透半反镜到达样品，再经样品反射回半透半反镜反射至所述光斑跟踪三维运动系统的光斑位置传感器，样品位移和光斑位移与样品基底曲率半径的关系如下公式所示：

$R=2L\frac{\mathrm{\Δ}x}{\mathrm{\Δ}\mathrm{\δ}}$

式中R为样品曲率半径，L为样品与光斑传感器的间距，Δx为样品单次位移，Δδ为光斑位置因样品位移而发生的变化。

3.根据权利要求2所述的柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪，其特征在于，所述修正的Stoney公式是利用力矩平衡法对公式成立假设之一进行的修正，修正的Stoney公式如下：

${\mathrm{\σ}}_f=\frac{{\∫}_{n-t_s}^n{z}^{2}dz}{t_{f}n}\left(\frac{E_s}{1-v_s}\right)(\frac{1}{R_1}-\frac{1}{R_0})$

式中σ_f为薄膜残余应力，t代表厚度、E为弹性模量、v为泊松比，而下标s、f分别对应着基底和薄膜，R0、R1分别为长膜前后的曲率半径，其中η＝t_f/t_s，χ＝Y_f/Y_s， $n=\left(\frac{t_s}{2}\right)\left(\frac{1+2\mathrm{\η}+{\mathrm{\χ\η}}^2}{(1+\mathrm{\η})(1+\mathrm{\χ\η})}\right).$

4.根据权利要求3所述的柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪，其特征在于，所述激光光源系统包括HeNe光纤激光源、准直器、非球面聚焦镜、光纤固定板及第二支撑杆；所述准直器与光纤激光源连接，非球面聚焦镜与准直器连接，HeNe光纤激光源、准直器、非球面聚焦镜都位于光纤固定板上方；所述光纤固定板与第二支撑杆相连，第二支撑杆安装于光学平台上。

5.根据权利要求4所述的柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪，其特征在于，所述样品支撑系统包括样品台、样品、第一定位块、第二定位块、滑轨、第一伺服电机、第一运动模组；所述第一伺服电机与第一运动模组连接，第一运动模组有效行程大于150mm，重复定位精度为±3μm/m；样品台位于第一支撑杆的旁边且固定于第一运动模组上，样品台有两个平行台阶面，两个平行台阶面分别为上台阶侧面和下台阶面，所述两个平行台阶面相距5mm；所述第一定位块固定于下台阶面且紧贴上台阶侧面，所述滑轨固定于下台阶面上且平行于上台阶侧面，所述第二定位块位于滑轨上并紧贴上台阶侧面滑动，第一定位块和第二定位块的定位夹角为150°；所述样品的形状为长方形且有两相邻的锐角尖角。

6.根据权利要求5所述的柔性透明基底上薄膜残余应力的测量仪，其特征在于，所述光斑跟踪三维运动系统包括第二伺服电机、第二伺服电机、第三伺服电机、第三伺服电机、第四伺服电机、第四伺服电机、模组支撑板、光斑位置传感器、窄通宽滤光片；所述第二伺服电机与第二伺服电机连接，所述第三伺服电机与第三伺服电机连接，所述第四伺服电机与第四伺服电机连接，第二伺服电机的有效行程和第三伺服电机的有效行程均大于200mm，第四伺服电机有效行程大于500mm；第四伺服电机固定于光学平台上，与激光源平行，有效行程中心处距离样品台的光程距离为1000mm；第三伺服电机垂直固定于第四伺服电机上，模组支撑板固定于第三伺服电机上，第二伺服电机固定于模组支撑板上，且保持竖直；所述光斑位置传感器固定于第二伺服电机上，且保持传感器的一边水平，所述窄通宽滤光片固定于光斑位置传感器的正前方。