CN1971248A - 高精度薄膜应力实时测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高精度薄膜应力实时测量装置及测量方法，该装置由He－Ne激光器、反射镜、光电位敏探测器、A/D数据采集卡和计算机组成。整个装置可以方便地安装在任一镀膜机上，He－Ne激光器、光电位敏探测器、A/D数据采集卡和计算机均在镀膜机外，激光器光束通过镀膜机观察窗口进入镀膜室，通过反射镜调整方向射到基片上，反射光束再通过反射镜调整方向后从观察窗口出来，光电位敏探测器探测反射光束的偏转位移，数据采集卡采集光电位敏探测器的模拟信号并转化为数字信号给计算机。通过计算机对信号进行处理就可以实时监控薄膜的应力变化。本发明具有结构简单、精确度高、数据处理简便、与镀膜机兼容性强等特点。

Description

高精度薄膜应力实时测量装置及测量方法

技术领域

本发明与薄膜相关，特别是一种高精度薄膜应力实时测量装置及测量方法。

技术背景

薄膜应力是薄膜的一个重要力学参数，几乎所有薄膜都处在某种应力状态之中，如果压应力过大会使薄膜起皱，张应力过大会使薄膜开裂，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有着极其不利的影响。在强激光系统中，应力引起的基底变形不仅引起光学性能和机械性能的改变，更重要的是薄膜在激光辐照下，由于预应力的存在，加速了薄膜的热力偶合作用，使其成为薄膜破坏的敏感因素。迄今为止由于对薄膜应力的了解还不够深入，特别是对薄膜生长过程的应力变化了解较少。

为研究薄膜生长过程中的应力变化提供一种直接的测量工具是十分重要的工作。

发明内容

本发明的目的就是要为研究薄膜生长过程中的应力变化提供一种高精度薄膜应力实时测量装置及测量方法，该装置应具有结构简单、精确度高、数据处理简便及与镀膜机兼容性强等特点。

本发明的解决方案如下：

一种高精度薄膜应力实时测量装置，特征在于该装置由He-Ne激光器、第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜、光电位敏探测器、A/D数据采集卡和计算机组成，其位置关系如下：在任一镀膜机的真空室的观察窗口外设置所述的He-Ne激光器、光电位敏探测器、A/D数据采集卡和计算机，在镀膜机的真空室内设置所述的第一反射镜、第二反射镜、第三反射镜，并安设镀膜基片，使He-Ne激光器发出的激光由观察窗口入射到第一反射镜上，依次经第一反射镜、镀膜基片、第二反射镜、第三反射镜反射再由观察窗口输出照射在所述的光电位敏探测器上，该光电位敏探测器的输出端经数据采集卡与所述的计算机输入端相连。

所述的高精度薄膜应力实时测量装置进行薄膜应力的测量方法，其特征在于包括下列步骤：

①上述的高精度薄膜应力实时测量装置各元器件的位置关系安装各元器件和待测的薄膜基片；该薄膜基片采取一端固定的方式设置，调整光路；

②在镀膜开始前，先在计算机的采集控制程序的主界面上设定薄膜基片的弹性模量、泊松比、厚度、长度、反射光程以及采样间隔时间；开启He-Ne激光器，调整光电位敏探测器的位置，使初始的位置信号为零；

③在镀膜开始时，点击主界面的开始按钮，计算机开始数据采集，所述的光电位敏探测器探测激光光束的位移，输出相应于薄膜基片应力的信号，数据采集卡采集所述的光电位敏探测器的模拟信号Δx＝αΔI/∑I并转化为数字信号后给计算机，薄膜基片的应力由计算机按下式计算确定：

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s{t_s}^2\mathrm{\Δx}}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)\mathrm{Ld}}=\frac{E_s{t_s}^2\mathrm{\α\ΔI}}{6\left({1-\mathrm{\γ}}_s\right)\mathrm{Ld\ΣI}}$

式中E_s为基片弹性模量，γ_s为基片泊松比，t_s和d分别为基片厚度和长度，L为基片上的反射光到光电位敏探测器的反射光程，∑I和ΔI分别为光电位敏探测器的光强信号和位置信号，α为一校正系数，表示ΔI/∑I与实际位移的比例关系，随着镀膜过程中一系列光强信号∑I和位置信号ΔI的采集，该计算机对信号进行数据处理并实时显示出薄膜基片的应力及其变化曲线；

④镀膜结束后，点击停止按钮，计算机停止采集数据；点击退出按钮，即退出采集控制程序。

本发明的优点：

1、本发明采用几何法实时测量薄膜应力，光路结构简单，易于搭建。

2、本发明采用光电位敏探测器接收光斑位移，精度高，采集到的信号易处理。

3、本发明装置的主要部分都放在镀膜机真空室外，设备的调节和维护比较方便。

4、本发明数据采集卡用单一USB接口和计算机连接，可以即插即用，十分方便，不用专门配备计算机。

5、本发明的控制程序采用Windows2000系统下的Visual Basic6.0语言编写，界面友好，方便对程序功能的进一步扩展。

6、本发明除了可以实时监测薄膜生长的薄膜应力外，还可以用来监测基片在烘烤过程以及放气过程中的变形情况。

7、本发明兼容性强，可以方便的安装在任何一台镀膜机上。

附图说明

图1是本发明高精度薄膜应力实时测量装置整体构造示意图

图2是本发明高精度薄膜应力实时测量装置光路原理图

图3是本发明高精度薄膜应力实时测量装置基片几何关系图

图4时本发明高精度薄膜应力实时测量装置的采集控制程序主界面

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。

先请参阅图1，图1是本发明高精度薄膜应力实时测量装置整体构造示意图，由图可见，本发明高精度薄膜应力实时测量装置由He-Ne激光器1、第一反射镜3-1、第二反射镜3-2、第三反射镜3-3、光电位敏探测器5、A/D数据采集卡6和计算机7组成，其位置关系如下：在任一镀膜机的真空室8的观察窗口2外设置所述的He-Ne激光器1、光电位敏探测器5、A/D数据采集卡6和计算机7，在镀膜机的真空室8内设置所述的第一反射镜3-1、第二反射镜3-2、第三反射镜3-3，并安设镀膜基片4，使He-Ne激光器1发出的激光由观察窗口2入射到第一反射镜3-1上，依次经第一反射镜3-1、镀膜基片4、第二反射镜3-2、第三反射镜3-3反射再由观察窗口2输出照射在所述的光电位敏探测器5上，该光电位敏探测器5的输出端经数据采集卡6与所述的计算机7输入端相连。

图2是高精度薄膜应力实时测量装置的光路原理图，如图所示，矩形薄膜基片4一端固定，另一端为自由状态。AO₀为变形前的基片，AO₁是变形后的基片。设基片长度为d，基片变形后偏转了角度φ，则基片变形后反射光束偏转2φ。因为变形量很小，AO₀、AO₁都可以看作直线。因为Δh＜＜AO₀＝AO₁＝d，Δh近似等于弧长O₀O₁，所以有：

$\mathrm{\φ}=\frac{\mathrm{\Δh}}{d}---\left(1\right)$

设反射光到光电位敏探测器的光程为L，同理

$2\mathrm{\Φ}=\frac{\mathrm{\Δx}}{L}\⇒\mathrm{\Φ}=\frac{2x}{2L}---\left(2\right)$

设薄膜基片4曲率半径为R，又由图3得

$R=\frac{d}{2\mathrm{\φ}}=\frac{d}{\mathrm{\Δx}/L}=\frac{\mathrm{Ld}}{\mathrm{\Δx}}\⇒\frac{1}{R}=\frac{\mathrm{\Δx}}{\mathrm{Ld}}---\left(3\right)$

设薄膜基片的弹性模量为E_s，泊松比为γ_s，基片厚度为t_s，则应力σ可以由下式确定：

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s{t}_s^2\mathrm{\Δx}}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)\mathrm{Ld}}=\frac{E_s{t}_s^2\mathrm{\Δx}}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)\mathrm{Ld}}---\left(4\right)$

上式得出的薄膜应力为薄膜的总应力，只要知道反射光束在光电位敏探测器上的光斑位移Δx就可计算出薄膜应力。所以进行数据处理时，先设定好薄膜基片弹性模量E_s、泊松比γ_s、厚度t_s、长度d、反射光程L以及采样间隔时间。采样间隔时间为数据采集卡采集数据的间隔时间。光电位敏探测器5输出光强信号∑I和位置信号ΔI，光强信号∑I只随射到光电位敏探测器5感光窗口的光能量强弱变化而变化，而位置信号ΔI随光斑位置的变化而变化，当光斑位于光电位敏探测器5中间位置时，位置信号ΔI为0，当光斑偏移时，位置信号ΔI随偏移方向不同分别向正数和负数变化。其探测到的实际位移Δx＝αΔI/∑I，这样能够保证即使光束能量发生变化，其探测的的实际位移αΔI/∑I值不会发生改变，其中α为一校正系数，表示ΔI/∑I与实际位移的比例关系。所以有

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s{t}_s^2\mathrm{\Δx}}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)\mathrm{Ld}}=\frac{E_s{t}_s^2\mathrm{\α\ΔI}}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)\mathrm{Ld\ΣI}}---\left(5\right)$

数据采集卡6把光强信号∑I和位置信号ΔI采集出来，在计算机7的程序中进行式(5)的计算后就可以得到薄膜应力值。随着镀膜过程中一系列光强信号∑I和位置信号ΔI的采集，就可以得到整个镀膜过程中的应力变化曲线。

所述的He-Ne激光器1的光束发散角应尽量小。

所述第一反射镜3-1、第二反射镜3-2和第三反射镜3-3均为镀有反射膜的高质量反射镜，反射镜均固定在可调方向的支架上，从观察窗口进来的光束通过第一反射镜3-1反射后射到基片上4，经基片4反射后的光束经第二反射镜3-2、第三反射镜3-3反射后从观察窗口2出镀膜室8。

所述的薄膜基片4的厚度较薄，以便在薄膜应力下有较大的变形。

所述的光电位敏探测器5为高精度的光电探测器，其原理是利用半导体的“横向效应”，达到器件对光点位置敏感的目的。采用PN结构，当光束入射到器件的光敏面内时，产生电子-空穴对，达到P层的载流子由两端电极输出，其输出电流的大小与光入射位置到两端电极的距离成反比。由此可计算出光的入射位置，准确地测出目标的位置。其输出光强信号∑I和位置信号ΔI，其探测到的实际位移为αΔI/∑I。光电位敏探测器5接收观察窗口2出来的光束，随着光束位移的变化，光电位敏探测器5输出的信号发生相应的变化。

所述A/D数据采集卡6把接收到的光电位敏探测器5的模拟信号转换为数字信号并传给计算机7。利用其两个通道分别转换光强信号∑I和位置信号ΔI。

所述计算机7把数据进行处理后就可以把薄膜应力显示出来，还可以对采集到的数据保存，以便进一步编辑处理。

利用本发明高精度薄膜应力实时测量装置进行薄膜应力的测量方法，包括下列步骤：

①前述的高精度薄膜应力实时测量装置各元器件的位置关系安装各元器件和待测的薄膜基片4；该薄膜基片4采取一端固定的方式设置，调整光路；

②在镀膜开始前，先在计算机7的采集控制程序的主界面上，参见图4，设定薄膜基片4的弹性模量、泊松比、厚度、长度、反射光程以及采样间隔时间；开启He-Ne激光器1，调整光电位敏探测器5的位置，使初始位置信号为零；

③在镀膜开始时，点击主界面的“开始”按钮，计算机7开始数据采集，所述的光电位敏探测器5探测激光光束的位移，输出相应于薄膜基片4应力的信号，数据采集卡6采集所述的光电位敏探测器5的模拟信号Δx＝αΔI/∑I并转化为数字信号后给计算机7，薄膜基片4的应力由计算机7按下式计算确定：

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s{t}_s^2\mathrm{\Δx}}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)\mathrm{Ld}}=\frac{E_s{t}_s^2\mathrm{\α\ΔI}}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)\mathrm{Ld\ΣI}}$

式中E_s为基片弹性模量，γ_s为基片泊松比，t_s和d分别为基片厚度和长度，L为基片上的反射光到光电位敏探测器的反射光程，∑I和ΔI分别为光电位敏探测器的光强信号和位置信号，α为一校正系数，表示ΔI/∑I与实际位移的比例关系，随着镀膜过程中一系列光强信号∑I和位置信号ΔI的采集，该计算机7对信号进行数据处理并实时显示出薄膜基片4的应力及其变化曲线；

④镀膜结束后，点击“停止”按钮，计算机7停止采集数据；点击“退出”按钮，即退出采集控制程序。

经试用表明，本发明装置具有结构简单、精确度高、数据处理简便及与镀膜机兼容性强等特点。

Claims (2)

1、一种高精度薄膜应力实时测量装置，其特征在于该装置由He-Ne激光器(1)、第一反射镜(3-1)、第二反射镜(3-2)、第三反射镜(3-3)、光电位敏探测器(5)、A/D数据采集卡(6)和计算机(7)组成，其位置关系如下：在任一镀膜机的真空室(8)的观察窗口(2)外设置所述的He-Ne激光器(1)、光电位敏探测器(5)、A/D数据采集卡(6)和计算机(7)，在镀膜机的真空室(8)内设置所述的第一反射镜(3-1)、第二反射镜(3-2)、第三反射镜(3-3)，并安设镀膜基片(4)，使He-Ne激光器(1)发出的激光由观察窗口(2)入射到第一反射镜(3-1)上，依次经第一反射镜(3-1)、镀膜基片(4)、第二反射镜(3-2)、第三反射镜(3-3)反射再由观察窗口(2)输出照射在所述的光电位敏探测器(5)上，该光电位敏探测器(5)的输出端经数据采集卡(6)与所述的计算机(7)输入端相连。

2、权利要求1所述的高精度薄膜应力实时测量装置进行薄膜应力的测量方法，其特征在于包括下列步骤：

①按权利要求1所述的高精度薄膜应力实时测量装置各元器件的位置关系安装各元器件和待测的薄膜基片(4)；该薄膜基片(4)采取一端固定的方式设置，调整光路；

②在镀膜开始前，先在计算机(7)的采集控制程序的主界面上设定薄膜基片(4)的弹性模量、泊松比、厚度、长度、反射光程以及采样间隔时间；开启He-Ne激光器(1)，调整光电位敏探测器(5)的位置，使初始位置信号为零；

③在镀膜开始时，点击主界面的开始按钮，计算机(7)开始数据采集，所述的光电位敏探测器(5)探测激光光束的位移，输出相应于薄膜基片(4)应力的信号，数据采集卡(6)采集所述的光电位敏探测器(5)的模拟信号Δx＝αΔI/∑I并转化为数字信号后给计算机(7)，薄膜基片(4)的应力由计算机(7)按下式计算确定：

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s{t_s}^2\mathrm{\Δx}}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)\mathrm{Ld}}=\frac{E_s{t_s}^2\mathrm{\α\ΔI}}{6(1-{\mathrm{\γ}}_s)\mathrm{Ld\ΣI}}$

式中E_s为基片弹性模量，γ_s为基片泊松比，t_s和d分别为基片厚度和长度，L为基片上的反射光到光电位敏探测器的反射光程，∑I和ΔI分别为光电位敏探测器的光强信号和位置信号，α为一校正系数，表示ΔI/∑I与实际位移的比例关系，随着镀膜过程中一系列光强信号∑I和位置信号ΔI的采集，该计算机(7)对信号进行数据处理并实时显示出薄膜基片(4)的应力及其变化曲线；

④镀膜结束后，点击停止按钮，计算机(7)停止采集数据；点击退出按钮，即退出采集控制程序。

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