CN2167365Y - 表面和亚表面状态检测装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种利用表面吸附效应，无损检测 材料光滑、超光滑表面显微粗糙度、表面附着物、亚表 面损伤和应力缺陷的表面测试装置。它主要由密封 罩、产生饱和蒸汽的储液槽、均热工作台、致冷器、湿 度计、测温探头、显微镜和照相或记录装置构成。使 用时，样品在饱和蒸汽气氛下冷却结露或霜，然后据 此测试对应的表面形貌、附着物和亚表面缺陷等状 态。是一种重复性好，可对比，又能迅速获得测试结 果的表面和亚表面在线测量装置。

Description

本实用新型是一种利用表面吸附效应，无损检测材料光滑、超光滑表面显微粗糙度、表面附着物、亚表面损伤和应力缺陷的表面检测装置，属材料表面无损测试。

光滑、超光滑材料表面的检测通常有三种方法。第一种为接触表面测量法；第二种为光学反射及干涉测量法；第三种是利用热辐射等特性表征表面状态的测量方法。在第一种表面测量方法中，用轮廓仪测量表面能对台阶类表面不平整有很高的测量精度。但是，轮廓仪对表面微小的凹凸不灵敏，也不能探测亚表面的缺陷，而且测量中具有一定的破坏性。第二种测量方法中，采用的显微镜、相衬显微镜、魔镜、积分全散仪可对表面进行较精确的测试，但不能检测亚表面的缺陷。按第三种方法，采用热波法测量表面，可同时得到表面与亚表面状态信息，但所用仪器以及测量过程颇为复杂。综上所述，表面测量方法中的各种仪器在表面测量中各有优点和特点，但也存在不足之处。特别，使用这些仪器测量表面存在着一个共同的问题：测量结果重复性差，可比性差。为了能无损检测材料表面和亚表面状态，本实用新型发展，制成了一种简单、迅速、方便的无损检测表面缺陷微观状态和缺陷宏观分布的检测装置。

本实用新型的目的是利用材料表面的吸附效应，通过在表面结露或结霜，采用显微镜观察结露或结霜过程以及记录、测定结露或结霜温度和露珠或霜的分布、形态，从而检测表面和亚表面状态。

本实用新型表面和亚表面状态检测装置主要由饱和蒸气室、温度计、样品位置三维调整、样品致冷、样品温度测量、观察显微镜和记录照相等部分组成。其中，饱和蒸气室座落在底座架上，由两侧可套置密封橡皮手套操作孔的密封罩，密封罩上可开关的密封操作窗、密封罩中的盛液槽、备用样品架、隔绝密封罩的密封皮老虎和密封罩中的湿度计构成。饱和蒸气室中的均热样品台上固定设置测温探头。均热样品台上方观察样品表面的显微镜和记录、照相物镜镜头封置在密封罩内，目镜和记录、照相镜筒外伸在密封罩外，以便随时观察、照相、记录。样品台下的致冷器用以冷却样品。致冷器可采用半导体致冷器、磁致冷器或氟利昂致冷器。致冷器的散热片紧邻致冷器，但设在密封饱和蒸气室外，其下方配置冷却风扇或水冷螺管或其它冷却装置。整个均热样品台和致冷器安装在一个上下、左右、前后可调的工作架上，工作架固定在底座架的底座上。此外，均热样品台制成与样品相应的形状，以保持与样品接触良好。同时，根据不同形状设计的各种样品台还可互换。使用本实用新型表面和亚表面状态检测装置测试样品表面时，将样品置于一定温度TO的，根据不同材料表面特性选择的一种液体蒸气（如水蒸气或酒精蒸气或油蒸气或其它液体蒸气）的饱和气氛中，并以确定的速率V冷却均热样品台上的样品。当样品冷却到温度TK时，样品表面将结露或结霜。由于结露与结霜包括成核与生长两个过程，这两个过程又取决于材料表面的成核中心和表面温度场，所以材料表面的结露或结霜必然直接与材料表面和亚表面状态相关。在使用本实用新型检测装置测试样品中，定义ΔT＝TO－TK为过冷度。适时用显微镜从高倍到低倍观察样品表面结露与结霜过程，并测定上述定义的过冷度ΔT，结合对露珠或霜的大小分布、位置分布，形态的记录，便可重复，比较测量材料的表面状态，从而迅速获得材料表面形貌、表面附着物，亚表面缺陷等检测结果。

本实用新型的优点是，检测中能同时得到材料表面和亚表面的状态测试结果，还可建立对应过冷度ΔT的表面显微粗糙度测量关系，因而可得到表面微观缺陷的状态和缺陷的宏观分布。此外，使用本实用新型检测装置检测样品表面，方法简便，迅速，且对材料表面无损伤。因此，是一种实用、方便、快速的在线检测装置。

附图说明：

图1是本实用新型表面和亚表面状态检测装置外形图。其中。1是照相机或其它记录装置；2是显微镜目镜；3是密封罩；4是湿度计；5是冷却风扇；6是底座架；7是底座；8是三维可调工作架；9是密封罩二侧可安装密封橡皮手套的操作孔。

图2是本实用新型表面和亚表面状态检测装置构造图。其中，10是显微镜；11是显微镜物镜；12是密封隔离皮老虎；13是致冷器的散热片；14是储液槽；15是密封罩上的可开关密封操作窗；16是密封罩中的备用样品架；17是致冷器；18是均热样品台；19是测温探头；20是被测样品。

图3是经离子注入，退火处理后又局部背散射的抛光单晶硅片样品表面结露状态图。其中，21是抛光硅单晶片，22是经背散射的表面露珠；23是表面灰尘上结的大露珠，24是表面划伤所结的露珠白线。

下面结合附图详细说明本实用新型检测装置的实施例。

本实用新型表面和亚表面检测装置的密封罩3可用金属或玻璃或有机玻璃加工制成。本实施例中采用有机玻璃制成密封罩3。有机玻璃密封罩3上，两侧开有可安装密封橡皮手套的操作孔9，靠近储液槽14和备用样品架16的一边，密封罩3的壁上开有可开关的密封操作窗15，以便于加液和放入样品。另外，有机玻璃密封罩3上还有安装显微镜10的孔。有机玻璃密封罩3中的储液槽14是利用密封罩3内的空间加工做成，且在储液槽14的口边平伸延出备用样品台架16。放置在有机玻璃密封罩3下方的三维可调工作架8座落在底座7上。工作架8的升降杆上固定连接安装均热样品台18，均热样品台18下设置半导体致冷器17，半导体致冷器17下固定连接散热片13，散热片13下设置冷却风扇5。均热样品台18的上方为显微镜10的物镜11。显微镜10用密封橡皮圈紧固在密封罩3上，且目镜2和连接记录、照相的镜筒外伸出有机玻璃密封罩3外，以便随时观察、记录样品20的状态。密封罩3中的湿度计4挂置在有机玻璃罩壁上。为使有机玻璃罩3与外界隔绝，在半导体致冷器17下的散热片13上粘接隔离皮老虎12，密封隔离皮老虎12的另一边粘接在底座架6的上面。由于隔离皮老虎12的设置，一方面可使有机玻璃罩3与外界密封隔绝，另一方面由于皮老虎12的柔性，均热样品台18可通过工作架8的调节，作上下、左右、前后移动。使用本实用新型表面和亚表面检测装置测量经离子注入，退火处理后又局部背散射抛光单晶硅片20样品时，先通过密封罩3上的操作窗15，在有机玻璃密封罩3内的储液槽14中倒入水，随后将被测样品20和工具钳通过操作窗15放入有机玻璃密封罩3中的备用样品台架16上，再在有机玻璃密封罩3二侧的操作孔9上套装上密封操作橡皮手套，就可准备测量样品20。测量开始，密封有机玻璃罩3内为T0温度的水饱和蒸气气氛。这时，通过以确定的速率V（如1℃／分）将样品20冷却。当被测样品20被均热样品台18冷却到温度TK时，样品表面结露。冷却过程中适时用显微镜10从高倍到低倍观察样品表面结露过程，并测定TO和TK，即测定ΔT。同时照相记录下露珠的大小分布，位置分布和形态。测量结果如图3，对应背散射处理的为露珠尺寸较小，大小相差甚大的区域22，对应灰尘的为大露珠23以及对应表面划痕的为结露白线24。从图3中可清楚看到被测硅单晶抛光片21表面的形貌、附着物和亚表面缺陷。因此，本实用新型是一种迅速、重复性好、可比度高的表面和亚表面在线测量装置。

另外，需要说明的是，利用表面结霜效应测量表面和亚表面状态时，装置同上。但测量必须在TO温度较低的情况下（如TO接近0℃时），对样品进行快速冷却，才能得到被测表面的结霜结果，即测得样品表面的形貌、附着物和亚表面缺陷状态。

Claims (7)

1、一种表面和亚表面状态检测装置，包括密封罩、隔离皮老虎、湿度计、测温探头、三维可调工作架、致冷器、致冷器散热片、被测样品、显微镜和照相、记录装置，其特征在于密封罩内有一个产生饱和蒸气的储液槽和均热样品台。

2、根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于均热样品台可按不同材料表面特性和形状以确定的冷却速率降温。

3、根据权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于有可互换的测试不同样品的，不同形状的均热样品台。

4、根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于储液槽中产生饱和蒸气的液体，对应不同材料表面可以是水、酒精、油或其它液体。

5、根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于密封罩是一个两侧有套置密封橡皮手套操作孔的有机玻璃罩或玻璃罩或金属罩。

6、根据权利要求1或5所述的检测装置，其特征在于密封罩中设有备用样品台架。

7、根据权利要求1或2所述的检测装置，其特征在于均热样品台下的致冷器为半导体致冷器或磁致冷器或氟利昂致冷器，致冷器的冷却可以是风冷或水冷或自然冷却。

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