CN212363110U - 一种检测薄膜膜厚的台阶仪 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种检测薄膜膜厚的台阶仪，驱动金刚石压头下压，获取金刚石压头压合薄膜样品的压力值；驱动第一CCD镜头测量所述金刚石压头对样品薄膜上金刚石压痕的对角线长度，获取金刚石压痕的对角线长度；获取的金刚石压痕的对角线长度和金刚石压头压合薄膜样品的压力值进行计算，获得金刚石压头压合薄膜的硬度；获取的金刚石压头压合薄膜的硬度与标准压痕长度进行计算，得出触针压头在当前薄膜样品下，触针压头压合薄膜样品的压力值。方案通过触针压头旁增设金刚石压头，检测自动算出金刚石压头对不同薄膜下压时，压痕的区域对角线长度，逆算计算出触针最佳的下压力大小，提高了薄膜厚度量测的准确性以及减少触针压头的损坏率。

Description

一种检测薄膜膜厚的台阶仪

技术领域

本实用新型涉及台阶仪技术领域，尤其涉及一种检测薄膜膜厚的台阶仪。

背景技术

台阶仪属于接触式表面形貌测量仪器，根据使用传感器的不同，接触式台阶测量可以分为电感式、压电式和光电式3种。其测量原理是：当触针沿被测表面轻轻滑过时，由于表面有微小的峰谷使触针在滑行的同时，还沿峰谷作上下运动。触针的运动情况就反映了表面轮廓的情况。

传感器输出的电信号经测量电桥后，输出与触针偏离平衡位置的位移成正比的调幅信号。经放大与相敏整流后，可将位移信号从调幅信号中解调出来，得到放大了的与触针位移成正比的缓慢变化信号。再经噪音滤波器、波度滤波器进一步滤去调制频率与外界干扰信号以及波度等因素对粗糙度测量的影响。

台阶仪在量测工件时，触针是沿着工件表面滑过，所以需要给触针有个向下的作用力，针对不同的薄膜，硬度不一样，如果使用相同大小的作用力，则硬度小的薄膜受到作用力容易向基板方向下凹陷，硬度大的薄膜受到相同作用力时，容易导致触针压变形或者报废，触针采用陶瓷结构，造价高，更换过程复杂，位置调试困难；

在薄膜制程中，不同膜质对应薄膜的硬度也大不相同，现有技术的台阶仪只能根据一种薄膜的固定特性，给出相应的作用力，这就导致在薄膜调试中，膜质的差异导致硬度的差异，直接造成台阶仪在量测薄膜时的厚度不准确。

实用新型内容

为此，需要提供一种检测薄膜膜厚的台阶仪，提高测量精确度。

为实现上述目的，本申请提供了一种检测薄膜膜厚的台阶仪的计算方法，所述检测薄膜膜厚的台阶仪还包括：驱动单元；所述驱动单元用于执行如下方法步骤：

驱动金刚石压头下压，并在薄膜样品表明形成金刚石压痕，获取金刚石压头压合薄膜样品的压力值；

驱动所述金刚石压头抬升；

驱动第一CCD镜头测量所述金刚石压头对样品薄膜上金刚石压痕的对角线长度，获取金刚石压痕的对角线长度；

将获取得到的金刚石压痕的对角线长度和金刚石压头压合薄膜样品的压力值进行计算，获得金刚石压头压合薄膜的硬度；

将获取得到的金刚石压头压合薄膜的硬度与标准压痕长度进行计算，得出触针压头在当前薄膜样品下，触针压头压合薄膜样品的压力值。

进一步地，所述标准压痕长度为：0.1x10^-6um至0.3x10^-6um。

进一步地，所述标准压痕长度为：0.22x10^-6um。

进一步地，金刚石压头压合薄膜的硬度通过如下公式得到：

HV₁＝0.1891(F₁/d₁ ²)

其中，F₁：为金刚石压头压合薄膜样品的压力值；

d₁：为金刚石压痕的对角线长度；

HV₁：为金刚石压头压合薄膜的硬度。

进一步地，步骤“将获取得到的金刚石压头压合薄膜的硬度与标准压痕长度进行计算，得出触针压头在当前薄膜样品硬度下，触针压头压合薄膜样品的压力值”通过如下公式获得：

HV₂＝0.1891(F₂/d₂ ²)；

HV₁＝HV₂；

F₁/d₁ ²＝F₂/d₂ ²；

其中，F₁：为金刚石压头压合薄膜样品的压力值；

d₁：为金刚石压痕的对角线长度；

HV₁：为金刚石压头压合薄膜的硬度；

F₂：为触针压头压合薄膜样品的压力值；

d₂：为标准压痕长度；

HV₂：为触针压头压合薄膜的硬度。

本申请还提供一种检测薄膜膜厚的台阶仪，包括：第一CCD镜头、触针压头、金刚石压头和压头升降机构，所述检测薄膜膜厚的台阶仪用于实现如本实用新型任意一项实施例所述方法的步骤。

本申请还提供一种检测薄膜膜厚的台阶仪，包括：第一CCD镜头、触针压头、金刚石压头和压头升降机构；

所述触针压头、金刚石压头置于所述压头升降机构上；所述第一CCD镜头置于所述压头升降机构的一侧，且所述第一CCD镜头设置于所述金刚石压头远离所述触针压头的一侧；所述第一CCD镜头用于检测所述金刚石压头所形成的压痕。

进一步地，还包括：第二CCD镜头；所述第二CCD镜头设置于所述压头升降机构的另一侧，且所述第二CCD镜头设置于所述触针压头远离所述金刚石压头的一侧。

进一步地，还包括驱动单元，所述驱动单元与所述第一CCD镜头、压头升降机构电连接。

区别于现有技术，上述技术方案通过触针压头旁边增设一套金刚石压头，通过检测自动算出金刚石压头对不同薄膜下压时，压痕的区域对角线长度，逆算计算出触针最佳的下压力大小，提高了薄膜厚度量测的准确性以及减少触针压头的损坏率。

附图说明

图1为所述一种检测薄膜膜厚的台阶仪结构图；

图2为金刚石压痕的对角线长度；

图3为触针压痕的对角线长度。

附图标记说明：

1、第一CCD镜头；2、触针压头；3、金刚石压头；4、压头升降机构；5、第二CCD镜头。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下结合具体实施例并配合附图详予说明。

请参阅图1至图3，本实施例提供了一种检测薄膜膜厚的台阶仪的计算方法，所述检测薄膜膜厚的台阶仪还包括：驱动单元；所述驱动单元用于执行如下方法步骤：驱动金刚石压头3下压，并在薄膜样品表明形成金刚石压痕，获取金刚石压头3压合薄膜样品的压力值；驱动所述金刚石压头3抬升；驱动第一CCD镜头1测量所述金刚石压头3对样品薄膜上金刚石压痕的对角线长度，获取金刚石压痕的对角线长度；将获取得到的金刚石压痕的对角线长度、金刚石压头3压合薄膜样品的压力值进行计算，获得金刚石压头3压合薄膜的硬度；将获取得到的金刚石压头3压合薄膜的硬度与标准压痕长度进行计算，得出触针压头2在当前薄膜样品硬度下，触针压头2压合薄膜样品的压力值。需要说明的是，在对不同的薄膜样品需要确定触针压头2合适的下压压力大小是不同的，即，触针压头2压合薄膜样品的压力值是不同的。所以触针压头2在滑动测试过程中，需要得到的最佳薄膜厚度，对薄膜样品下压的压痕面积效果也是固定的，根据量测的薄膜样品的硬度是不变的，所述金刚石压头3压合薄膜样品的压力值和对应的金刚石压痕的对角线长度平方的比值与触针压头2压合薄膜样品的压力值和对应的标准压痕长度平方的比值相等，从而进一步计算出触针的合适压力，即，触针压头2压合薄膜样品的压力值。需要进一步说明的是，计算触针压头2压合薄膜样品的压力值是根据维氏硬度测试原理，所使用的金刚石压头3为一个136度倒金字塔式四凌锥金刚石压头3，在薄膜表面形成压痕得到一个正方形图形，请参阅图2，触针压头2在薄膜表面形成压痕得到一个正方形图形，请参阅图3，利用压痕的对角线长度得到永久压痕的表面积，从而计算得到硬度测试公式如下：

其中，HV为薄膜样品的硬度值；F为测试载荷，即，压力值；S为压痕的表面积；d为压痕对角线的算术平均数；d1为金刚石压痕对角线的算术平均数；d2为触针压头2对角线的算术平均数；θ为金刚石压头3的面夹角。上述技术方案通过触针压头2旁边增设一套金刚石压头3，通过检测自动算出金刚石压头3对不同薄膜下压时，压痕的区域对角线长度，逆算计算出触针最佳的下压力大小，提高了薄膜厚度量测的准确性以及减少触针压头2的损坏率。

需要进一步说明的是，所述标准压痕长度为：0.1x10^-6um至0.3x10^-6um，优选地，所述标准压痕长度为：0.22x10^-6um。当然，在某些实施例中d₂，也可以通过将所述触针压头2对薄膜样品施加压力，形成触针压头2压痕，并通过第二CCD镜头5识别压痕对角线长度，以测出最佳的触针压头2压合薄膜样品的压力值。

需要进一步说明的是，金刚石压头3压合薄膜的硬度为：HV₁＝0.1891(F₁/d₁ ²)其中，F₁：为金刚石压头3压合薄膜样品的压力值；d₁：为金刚石压痕的对角线长度；HV₁：为金刚石压头3压合薄膜的硬度。

需要进一步说明的是，步骤“将获取得到的金刚石压头3压合薄膜的硬度与标准压痕长度进行计算，得出触针压头2在当前薄膜样品硬度下，触针压头2压合薄膜样品的压力值”通过如下公式获得：HV₂＝0.1891(F₂/d₂ ²)；HV₁＝HV₂；F₁/d₁ ²＝F₂/d₂ ²其中，F₁：为金刚石压头3压合薄膜样品的压力值；d₁：为金刚石压痕的对角线长度；HV₁：为金刚石压头3压合薄膜的硬度；F₂：为触针压头2压合薄膜样品的压力值；d₂：为标准压痕长度；HV₂：为触针压头2压合薄膜的硬度。其中F₂即等于(F₁/d₁ ²)*d₂ ²。由于F₁、d₁ ²、d₂均是通过测量或者计算得到的已知数据，就可计算出F₂，即，最适触针压头2下压的压力值大小。本申请通过新增一套检测机构和计算方法，在台阶仪触针旁新增一套金刚石压头3或是金刚石顶针，在薄膜样品放入台阶仪后，传动机构给予金刚石顶针或者金刚石压头3一个固定的压力，在工件表面压出一定尺寸的正方形压痕，台阶仪本身具备的CCD镜头检测正方形压痕的对角长度，根据检测的参数，计算出合适的触针下压力。具体的，由于同一测试的样品薄膜的硬度不变，所以金刚石压头3压合薄膜的硬度HV₁＝0.1891(F₁/d₁ ²)触针压头2在工件薄膜上滑行压合的硬度，即，触针压头2压合薄膜的硬度HV₂＝0.1891(F₂/d₂ ²),HV₁＝HV₂，所以F₁/d₁ ²＝F₂/d₂ ²，为得到理想的陶瓷触针或是触针压头2在工件上划行的压合力，F₁可以根据金刚石施加的力可知；d₁可以根据CCD镜头下观察量测得知；d₂是台阶仪触针压头2理想滑行压合力作用下，一个理想的压痕面积，所以任何薄膜的理想压痕d₂是一个固定的值,d₂为0.1x10^-6um至0.3x10^-6um，优选为0.22x10^-6um；所以根据维氏硬度测试原理可以逆算得到一个合适的触针压头2的压力值。本申请根据维氏硬度测试原理，台阶仪系统可以检测出触针压头2对于不同特性薄膜的合适作用力，既可延长触针的使用寿命，又可以提高薄膜厚度量测的准确性。

请参阅图1，在某些实施例中，还提供了一种检测薄膜膜厚的台阶仪，包括：第一CCD镜头1、触针压头2、金刚石压头3和压头升降机构4；所述触针压头2、金刚石压头3置于所述压头升降机构4上；所述第一CCD镜头1置于所述压头升降机构4的一侧，且所述第一CCD镜头1设置于所述金刚石压头3远离所述触针压头2的一侧；所述第一CCD镜头1用于检测所述金刚石压头3所形成的压痕。在某些实施例中，还包括了驱动单元，所述驱动单元与所述第一CCD镜头1、压头升降机构4电连接。所述驱动单元用于控制金刚石压头3、触针压头2下压和抬升；并纪录二者的压力值大小。需要说明的是，提供一种检测薄膜膜厚的台阶仪，该台阶仪的第一CCD镜头1的作用是用于检测金刚石压头3对样品薄膜压痕对角线长度的量测以及触头滑过样品薄膜的图像；触针压头2左边的金刚石压头3的作用是给予薄膜样品压痕；压头升降机构4对金刚石压头3和触针压头2是可以单独进行控制的，可实现对金刚石压头3和触针压头2单独升降，单独给予作用力。在某些实施例中，还包括：第二CCD镜头5；所述第二CCD镜头5设置于所述压头升降机构4的另一侧，且所述第二CCD镜头5设置于所述触针压头2远离所述金刚石压头3的一侧。需要说明的是，所述第二CCD镜头5可以用于识别实际触针压头2下压后压痕的对角线长度，或是一同测试金刚石压头3造成的压痕的长度，通过计算平均值，减少计算后的误差；或者进行对比两金刚石压痕数据之间的差值，若相差过大则重新测量，若相差一定范围，可选取一个数据进行使用，或者使用其平均值。本申请目的是提供了一种检测薄膜膜厚的台阶仪，目的是消除由于薄膜硬度不同，触针压头2滑行下压薄膜表面时，要保证紧贴薄膜表面，但下压力大小无法确定，导致量测不准确或者触针压断的缺陷；本申请提高了薄膜厚度量测的准确性，延长了陶瓷触针的使用寿命；

需要说明的是，尽管在本文中已经对上述各实施例进行了描述，但并非因此限制本实用新型的专利保护范围。因此，基于本实用新型的创新理念，对本文所述实施例进行的变更和修改，或利用本实用新型说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，直接或间接地将以上技术方案运用在其他相关的技术领域，均包括在本实用新型的专利保护范围之内。

Claims (3)

1.一种检测薄膜膜厚的台阶仪，其特征在于，包括：第一CCD镜头、触针压头、金刚石压头和压头升降机构；

所述触针压头、金刚石压头置于所述压头升降机构上；所述第一CCD镜头置于所述压头升降机构的一侧，且所述第一CCD镜头设置于所述金刚石压头远离所述触针压头的一侧；所述第一CCD镜头用于检测所述金刚石压头所形成的压痕。

2.根据权利要求1所述一种检测薄膜膜厚的台阶仪，其特征在于，还包括：第二CCD镜头；所述第二CCD镜头设置于所述压头升降机构的另一侧，且所述第二CCD镜头设置于所述触针压头远离所述金刚石压头的一侧。

3.根据权利要求1所述一种检测薄膜膜厚的台阶仪，其特征在于，还包括驱动单元，所述驱动单元与所述第一CCD镜头、压头升降机构电连接。

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