CN110987255B - 一种高精度薄膜应力在线测试方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明一种高精度薄膜应力在线测试方法及装置。通过在承载梁固定端的FBG1测试薄膜沉积过程中的基底烘烤温度引起的光纤光栅的布拉格波长的变化量Δλ1可以依据ΔT与Δλ1之间的线性关系，计算出基底的烘烤温度变化量ΔT；自由端的FBG2通过测试镀膜前后的承载梁的应变引起的布拉格波长的变化量Δλ2，依据应变变化量Δε与Δλ2‑Δλ1之间的线性关系，得到薄膜沉积过程中的应变量Δε，计算出薄膜的残余应力σ＝Δε·Es，2个光纤布拉格光栅设置于光纤光栅保护罩内防止损坏；光纤光栅解调分析仪读取2个光纤布拉格光栅在薄膜沉积中波长的变化量，通过软件自动计算出薄膜的残余应力。本发明结构简单、制作简便、灵敏度高，抗强电干扰和震动干扰能力强，可实现高精度薄膜应力的在线测试。
Description
技术领域
本发明涉及薄膜特性测试技术领域，具体涉及一种高精度薄膜应力在线测试方法及装置。
背景技术
薄膜应力的存在是薄膜生产、制备过程中的普遍现象，所有薄膜几乎都处于某种应力状态之中。薄膜应力的存在不仅会直接导致薄膜破裂、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传输的信息发生畸变，影响传输特性。
薄膜制备过程中，对薄膜应力的测试和控制，可有效降低薄膜应力，提高薄膜元件的寿命和可靠性。目前，对于薄膜应力的测试主要分为离线测试和在线测试两大类；依据其测量原理主要分为：基片变形法、X射线衍射法、Raman光谱法等；
其中，X射线衍射法、Raman光谱法主要用于离线测试，但由于受衍射强度偏低、衍射峰畸变等因素的限制，X射线衍射法不太适用于厚度为几十纳米薄膜应力的测试；而Raman光谱法是依据波谱位移量来计算薄膜应力；这种方法要用到气体激光器，测量稳定性差，且设备都比较昂贵，不利于推广。
基片变形法由于其结构简单、属于非破坏性薄膜应力测试，既可实现离线测试，也可实现在线测试；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片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；这种方法不仅不能很好地监控薄膜应力与膜厚的变化关系，而且会由于镀膜机振动等造成较大误差。
发明内容
有鉴于此，本发明为解决现有技术存在的测量稳定性差、设备价格昂贵，不能很好的监控薄膜应力与薄膜变化关系等问题，提供一种高精度薄膜应力在线测试方法及装置。
为解决现有技术存在的问题，本发明的技术方案是：一种高精度薄膜应力在线测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1：光源发射的光通过光纤传输到2个光纤布拉格光栅上；
步骤2：通过光纤光栅解调分析仪分别获得第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅的布拉格波长λB1和λB2；
步骤3：在薄膜沉积到承载梁的过程中，通过光纤光栅解调分析仪分别获得2个光纤布拉格光栅反射光谱上布拉格波长的变化量Δλ1和Δλ2；
步骤4：通过ΔT与Δλ1之间的线性关系，计算出基底的温度变化量ΔT；同时得到薄膜形变引起的形变量Δε＝C·(Δλ2-Δλ1)/λB2，依据该形变量Δε，计算出薄膜的残余应力σ＝Δε·Es，Es为承载梁的弹性模量；
步骤5：判断薄膜残余应力，若Δλ2-Δλ1＜0，则σ＜0，薄膜残余应力为压应力，Δλ2-Δλ1＞0，则σ＞0，薄膜残余应力为张应力。
进一步，光源为宽光谱光源，其波长覆盖波长为400—1600nm。
进一步，2个光纤布拉格光栅串联于一根光纤上。
一种高精度薄膜应力在线测试方法所用装置，包括光源、光纤、光纤耦合器、承载梁、2个光纤布拉格光栅、光纤光栅保护罩和光纤光栅解调分析仪和真空镀膜室；
所述光纤光栅保护罩设置于真空镀膜室内，光纤光栅保护罩下设置有一端固定的一端悬空的承载梁，承载梁固定端凹槽内设置有1个光纤布拉格光栅，另一个光纤布拉格光栅设置于承载梁的悬空端，所述光纤光栅解调分析仪通过光纤和光纤耦合器与真空镀膜室的外部连接。
进一步，2个光纤布拉格光栅，1个用于测试温度，1个用于测试形变。
进一步，光纤耦合器为1×2单模光纤耦合器。
进一步，承载梁为厚度20-100μm，宽度5-10mm的不锈钢片，且一端通过螺钉固定于光纤光栅保护罩上。
进一步，光源为卤钨灯包含布拉格波长的宽光谱光源。
与现有技术相比，本发明的优点如下：
1、本发明结构简单，由于采用的光纤传输，且核心元件为光纤布拉格光栅，灵敏度高，抗强电干扰和震动干扰能力强；
2、本发明可实现在线测试，给出不同厚度薄膜的残余应力；
3、本发明采用了2个光纤布拉格光栅，可有效排除温度对光纤布拉格光栅的布拉格波长变化量的影响，从而进一步提高测试精度；
4、本发明消除了传统基片变形法中激光测试形变量受镀膜机等震动引起的误差。
附图说明：
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明镀膜后承载梁结构示意图；
标记说明：1-光源，2-传输光纤，3-光纤耦合器，4-承载梁，5-第一光纤布拉格光栅，6-第二光纤布拉格光栅，7-光纤光栅保护罩，8-光纤光栅解调分析仪，9-真空镀膜室。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本实施例提供一种高精度薄膜应力在线测试方法步骤为：
步骤1：光源覆盖波长为400—1600nm的宽光谱光源发射的光通过光纤传输到第一光纤布拉格光栅5(FBG)和第二光纤布拉格光栅6上，2个光纤布拉格光栅串联于一根光纤上；
步骤2：通过光纤光栅解调分析仪分别获得第一光纤布拉格光栅5和第二光纤布拉格光栅6的布拉格波长λB1和λB2；
步骤3：在薄膜沉积到承载梁的过程中，由于烘烤温度的变化以及薄膜应力的变化，通过光纤光栅解调分析仪分别获得第一光纤布拉格光栅5和第二光纤布拉格光栅6反射光谱上布拉格波长的变化量Δλ1和Δλ2；
步骤4：通过ΔT与Δλ1之间的线性关系，计算出基底的烘烤温度变化量ΔT；同时，Δλ2的变化一部分由于温度变化量ΔT引起的，另外一部分由于薄膜应力产生的形变引起，因此，薄膜应变引起的形变量Δε＝C·(Δλ2-Δλ1)/λB2，依据该应变量Δε，计算出薄膜的残余应力σ＝Δε·Es，Es为承载梁的弹性模量；
步骤5：依据Δλ2-Δλ1的正负特性判断薄膜应力为张应力还是压应力，若Δλ2-Δλ1＜0，则σ＜0，薄膜残余应力为压应力，Δλ2-Δλ1＞0，则σ＞0，薄膜残余应力为张应力。
本发明方法汇总，测试形变的第二光纤布拉格光栅6布拉格波长的变化量Δλ2中还包含温度引起的布拉格波长的变化量Δλ1，测试应变的第二光纤布拉格光栅6FBG2的布拉格波长的变化量Δλ2中减去温度引起的布拉格波长的变化量Δλ1。
一种高精度薄膜应力在线测试方法所用装置，如图1所示，包括光源1、光纤2、光纤耦合器3、承载梁4、2个光纤布拉格光栅、光纤光栅保护罩7和光纤光栅解调分析仪8和真空镀膜室9；所说的第一光纤布拉格光栅5和第二光纤布拉格光栅6，1个用于测试温度，1个用于测试形变；所说光纤耦合器3为1×2单模光纤耦合器；所说承载梁4为厚度20-100μm，宽度5-10mm的不锈钢片，且一端通过螺钉固定于光纤光栅保护罩7上。所说光源为卤钨灯包含布拉格波长的宽光谱光源；光纤光栅解调分析仪8，具有光谱分析、数据处理，以及温度和薄膜应力显示功能。
所述光纤光栅保护罩7设置于真空镀膜室9内，光纤光栅保护罩7下设置有一端固定的一端悬空的承载梁4，承载梁4固定端凹槽内设置有1个测温的第一光纤布拉格光栅5，第二光纤布拉格光栅6设置于承载梁4的悬空端，用于测试承载梁的形变，所述光纤光栅解调分析仪8通过光纤2和光纤耦合器3与真空镀膜室9的外部连接，用于读取两个光纤布拉格光栅的布拉格波长变化量，进而给出薄膜在沉积过程中所产生的应力。
以上所述仅是本发明的优选实施例，并非用于限定本发明的保护范围，应当指出，对本技术领域的普通技术人员在不脱离本发明原理的前提下，对其进行若干改进与润饰，均应视为本发明的保护范围。
Claims (5)
1.一种高精度薄膜应力在线测试方法所用装置，其在线测试方法包括以下步骤：
步骤1：光源发射的光通过光纤传输到2个光纤布拉格光栅上；
步骤2：通过光纤光栅解调分析仪分别获得第一光纤布拉格光栅和第二光纤布拉格光栅的布拉格波长λB1和λB2；
步骤3：在薄膜沉积到承载梁的过程中，通过光纤光栅解调分析仪分别获得2个光纤布拉格光栅反射光谱上布拉格波长的变化量Δλ1和Δλ2；
步骤4：通过ΔT与Δλ1之间的线性关系，计算出基底的温度变化量ΔT；同时得到薄膜形变引起的形变量Δε＝C·(Δλ2-Δλ1)/λB2，依据该形变量Δε，计算出薄膜的残余应力σ＝Δε·Es，Es为承载梁的弹性模量；
步骤5：判断薄膜残余应力，若Δλ2-Δλ1＜0，则σ＜0，薄膜残余应力为压应力，Δλ2-Δλ1＞0，则σ＞0，薄膜残余应力为张应力；
所述光源为宽光谱光源，其波长覆盖波长为400—1600nm；
所述2个光纤布拉格光栅串联于一根光纤上；
其特征在于：包括光源(1)、光纤(2)、光纤耦合器(3)、承载梁(4)、2个光纤布拉格光栅、光纤光栅保护罩(7)和光纤光栅解调分析仪(8)和真空镀膜室(9)；
所述光纤光栅保护罩(7)设置于真空镀膜室(9)内，光纤光栅保护罩(7)下设置有一端固定的一端悬空的承载梁(4)，承载梁(4)固定端凹槽内设置有1个光纤布拉格光栅，另一个光纤布拉格光栅设置于承载梁(4)的悬空端，所述光纤光栅解调分析仪(8)通过光纤(2)和光纤耦合器(3)与真空镀膜室(9)的外部连接。
2.根据权利要求1所述的一种高精度薄膜应力在线测试方法所用装置，其特征在于：所述2个光纤布拉格光栅，1个用于测试温度，1个用于测试形变。
3.根据权利要求1或2所述的一种高精度薄膜应力在线测试方法所用装置，其特征在于：所述光纤耦合器(3)为1×2单模光纤耦合器。
4.根据权利要求3所述的一种高精度薄膜应力在线测试方法所用装置，其特征在于：所述承载梁(4)为厚度20-100μm，宽度5-10mm的不锈钢片，且一端通过螺钉固定于光纤光栅保护罩(7)上。
5.根据权利要求4所述的一种高精度薄膜应力在线测试方法所用装置，其特征在于：所述光源为卤钨灯包含布拉格波长的宽光谱光源。
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| GR01 | Patent grant | ||
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