專利名稱：雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置及其測(cè)量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及光學(xué)薄膜，是一種雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置及其測(cè)量方法。
背景技術(shù)：
所有薄膜幾乎都處在某種應(yīng)力之中，它的存在會(huì)導(dǎo)致薄膜龜裂、巻曲甚至脫落， 從而限制了薄膜結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和功能。產(chǎn)生應(yīng)力的原因很復(fù)雜，主要有兩種 一是 由于薄膜和基底的熱膨脹不同引起的，稱為熱應(yīng)力； 一種是薄膜生長(zhǎng)過程中的非平 衡性或薄膜特有的微觀結(jié)構(gòu)引起的，稱為內(nèi)應(yīng)力。為了區(qū)分內(nèi)應(yīng)力和熱應(yīng)力，為了 能對(duì)應(yīng)力機(jī)理獲得更深入的研究，在薄膜鍍制過程中實(shí)時(shí)測(cè)量應(yīng)力是非常必要的。之前中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所提出了高精度薄膜應(yīng)力實(shí)時(shí)測(cè)量裝置 (申請(qǐng)?zhí)?006101184328，公開號(hào)1971248)，但該裝置仍有不足之處而本裝置較之有了三個(gè)方面的改進(jìn)。首先是利用了雙光束的原理，提高了系統(tǒng) 抗震動(dòng)等干擾的能力；第二是加入了晶控探頭，能實(shí)吋得到薄膜厚度的信息，從而 真lF.實(shí)現(xiàn)了應(yīng)力實(shí)時(shí)測(cè)量；最后是在軟件系統(tǒng)上，通過程序調(diào)節(jié)簡(jiǎn)化了光路調(diào)節(jié)， 操作人性化，界面友好，并且功能也更加豐富。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明是為了深入的研究薄膜鍍制過程中應(yīng)力變化而提出的一種雙光束在線實(shí) 時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置及其測(cè)量方法，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，操作方便，與鍍 膜機(jī)兼容性好，穩(wěn)定性強(qiáng)等特點(diǎn)。本發(fā)明的技術(shù)解決方案如下一種雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置，其特點(diǎn)是該裝置包括半導(dǎo)體激 光器、I-l:l分束鏡與第一反射鏡和第二反射鏡組合而成的雙光束分束準(zhǔn)直器、第三反射鏡、具有晶控探頭的品控儀、位敏光電探測(cè)器、A/I)采集卡和計(jì)算機(jī)，其位置關(guān)系如下在鍍膜機(jī)外設(shè)置所述的半導(dǎo)體激光器、雙光束分束準(zhǔn)直器、品控儀、位敏光電探測(cè)器、A/D采集卡和計(jì)算機(jī)，在真空室內(nèi)安設(shè)待測(cè)的鍍膜基片、所述的第三 反射鏡和晶控探頭，使所述的半導(dǎo)體激光器的出射光經(jīng)所述的雙光束分束準(zhǔn)直器后 變成兩束平行光，由鍍膜機(jī)真空室的觀察窗口照射到待測(cè)的鍍膜基片表面，其反射 光經(jīng)所述的第三反射鏡反射后從所述的觀察窗口出射到真空室外的位敏光電探測(cè)器 上，該位敏光電探測(cè)器探測(cè)的反射光位移偏轉(zhuǎn)量由A/D采集卡輸入到計(jì)算機(jī)；同時(shí) 所述的晶控探頭實(shí)時(shí)記錄鍍制光學(xué)薄膜過程中薄膜厚度和沉積速率的變化，由所述 的品控儀輸入所述的計(jì)算機(jī)。利用上述雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力裝置進(jìn)行光學(xué)薄膜應(yīng)力的測(cè)量方 法，包括下列歩驟① 上述的雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力裝置中各元器件的位置關(guān)系安裝各元器件和待測(cè)的鍍膜基片；調(diào)整光路，使所述的半導(dǎo)體激光器的出射光經(jīng)所述的雙 光束分束準(zhǔn)直器后變成兩束平行光，由鍍膜機(jī)真空室的觀察窗口照射到待測(cè)的鍍膜 基片表面的中心對(duì)稱位置上，其反射光經(jīng)所述的第三反射鏡反射后從所述的觀察窗 口出射到真空室外的位敏光電探測(cè)器上；② 在鍍膜開始甜，先在計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)主界面匕《擊初始化按鈕，設(shè)定所述 的鍍膜基片的彈性模量、泊松比、厚度、入射的雙光束的束寬、入射角度和反射光 程，同時(shí)設(shè)置品控儀的串口號(hào)；③ 在鍍膜開始時(shí)，點(diǎn)擊主界面的開始按鈕，計(jì)算機(jī)開始采集數(shù)據(jù) 一個(gè)是山USB 接口獲得的位敏探測(cè)器上光斑位置的信息，另一個(gè)是由串口獲得的晶控儀上薄膜實(shí) 時(shí)厚度和鍍膜沉積速率的信息，在整個(gè)鍍膜過程中，計(jì)算機(jī)根據(jù)下列公式進(jìn)行數(shù)據(jù) 處理<formula>formula see original document page 5</formula>并實(shí)時(shí)繪制光學(xué)薄膜應(yīng)力變化曲線和位移變化曲線，實(shí)時(shí)保存并顯示光束偏轉(zhuǎn)位移、 應(yīng)力大小、鍍膜時(shí)間、薄膜厚度和沉積速率；④ 鍍膜結(jié)束后，點(diǎn)擊軟件系統(tǒng)主界面上的退出按鈕，計(jì)算機(jī)即停止采集數(shù)據(jù)，并退出程序。所述計(jì)算機(jī)中包含該裝置的軟件系統(tǒng)，編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)薄膜實(shí)時(shí)厚度和光束偏 轉(zhuǎn)位移采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制光學(xué)薄膜應(yīng)力變化曲線，實(shí)時(shí)保存并顯示光束 位移量、鍍膜時(shí)間、薄膜厚度和沉積速率等信息，以便進(jìn)行下一步處理。本發(fā)明的技術(shù)效果1、 本發(fā)明采用光束偏轉(zhuǎn)法，利用雙光束原理在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力。搭建 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，而且雙光束系統(tǒng)穩(wěn)定性有了提高，抗干擾能力強(qiáng)。2、 本發(fā)明采用晶控儀采集鍍膜過程中薄膜厚度和沉積速率的實(shí)時(shí)信息，并通過 RS-232串口標(biāo)準(zhǔn)傳給計(jì)算機(jī)處理并保存。厚度信息的獲得才真正從測(cè)量薄膜總力的 范疇跳出，實(shí)現(xiàn)了薄膜應(yīng)力的測(cè)量。3、 本發(fā)明軟件系統(tǒng)采用Visual Basic6.0語(yǔ)言編寫，界面友好，功能豐富，提 供了各個(gè)需要參量初始化輸入，端口號(hào)設(shè)置，USB口和串口通信，并實(shí)時(shí)繪制光束 偏轉(zhuǎn)位移曲線和應(yīng)力測(cè)量曲線，同時(shí)保存鍍膜時(shí)問、薄膜實(shí)時(shí)厚度、沉積速率、應(yīng) 力值等信息。同時(shí)程序編寫規(guī)范化，有進(jìn)一歩擴(kuò)展空間。4、 本發(fā)明的主要設(shè)備在鍍膜室外面，便于搭建和維護(hù)。并且可以搭建到任一臺(tái) 鍍膜機(jī)上，裝置兼容性好。5、 本發(fā)明采用位敏光電探測(cè)器精度高，而且獲得的信號(hào)容易處理。


圖1是本發(fā)明雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置整體結(jié)構(gòu)示意圖。 圖2是本發(fā)明雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置的光路原理圖。 圖3是本發(fā)明雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置軟件系統(tǒng)流程圖。 圖4是本發(fā)明雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置軟件系統(tǒng)的界而示意圖。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合實(shí)施例和附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一歩說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù) 范圍。先請(qǐng)參閱圖1，圖1是本發(fā)明雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置整體結(jié) 構(gòu)示意圖。由圖可見，本發(fā)明雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置，包括半導(dǎo) 體激光器1、由分束鏡2與第一反射鏡3和第二反射鏡4組合而成的雙光束分束準(zhǔn) 直器、第三反射鏡5、具有晶控探頭7的晶控儀8、位敏光電探測(cè)器ll、 A/D采集卡 10和計(jì)算機(jī)9，其位置關(guān)系如下在鍍膜機(jī)外設(shè)置所述的半導(dǎo)體激光器l、雙光束 分束準(zhǔn)直器，品控儀8、位敏光電探測(cè)器ll、 A/D采集卡10和計(jì)算機(jī)9，在真空室 內(nèi)安設(shè)待測(cè)的鍍膜基片6、所述的第三反射鏡5和品控探頭7，使所述的半導(dǎo)體激光 器1的出射光經(jīng)所述的雙光束分束準(zhǔn)直器后變成兩束平行光，由鍍膜機(jī)真空室的觀 察窗口照射到待測(cè)的鍍膜基片6表面，其反射光經(jīng)所述的第三反射鏡5反射后從所 述的觀察窗口出射到真空室外的位敏光電探測(cè)器11上，該位敏光電探測(cè)器11探測(cè) 的反射光位移偏轉(zhuǎn)量由A/D采集卡10輸入到計(jì)算機(jī)9;同時(shí)所述的晶控探頭7實(shí)時(shí) 記錄鍍制光學(xué)薄膜過程中薄膜厚度和沉積速率的變化，由所述的晶控儀8輸入所述 的計(jì)算機(jī)9。圖2是本發(fā)明雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置的光學(xué)原理圖。如圖所 示，束寬為Z)。的兩束平行光照射到鍍膜基片6上，隨著基片在鍍膜過程中發(fā)生彎曲， 導(dǎo)致反射的兩平行光束的束寬發(fā)生了變化，由圖示變?yōu)榱薢)。+"。假設(shè)兩平行光朿 的入射角為a，反射光程為丄，兩反射光束的夾角為^，基片彎曲的曲率-卡徑為i ，則<formula>formula see original document page 0</formula>(1)<formula>formula see original document page 0</formula>(2)從而得到:<formula>formula see original document page 0</formula>(3)設(shè)基片的彈性模量為《，滬^應(yīng)力CT可以由下式確定基片厚度為/,薄膜厚度為〃，則薄膜<formula>formula see original document page 0</formula>(4)<formula>formula see original document page 3</formula>由位敏光電探測(cè)器ll獲得位移偏轉(zhuǎn)量d,該裝置采用PIN結(jié)構(gòu)，當(dāng)光束入射到 位敏光電探測(cè)器的光敏面內(nèi)時(shí)，產(chǎn)生電子一空穴對(duì)，達(dá)到P型層的載流子由器件兩 端的電極輸出，其輸出電流的大小與光入射光電位置到電極的距離成反比，由此可 以計(jì)算出光束入射的準(zhǔn)確位置d。該位置信息由A/D采集卡10通過USB接口送入到 計(jì)算機(jī)9。晶控儀8上關(guān)于薄膜厚度的數(shù)據(jù)通過串口，按照RS-232標(biāo)準(zhǔn)山計(jì)算機(jī)9 采集。所述計(jì)算機(jī)中包含該裝置的軟件系統(tǒng)，編寫程序?qū)崿F(xiàn)對(duì)薄膜實(shí)時(shí)厚度和光束偏 轉(zhuǎn)位移采集，并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，繪制光學(xué)薄膜應(yīng)力變化曲線，實(shí)時(shí)保存并顯示光束 位移量、鍍膜時(shí)間、薄膜厚度和沉積速率等信息，以便進(jìn)行下一歩處理。該裝置的軟件系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了對(duì)于上述兩方面數(shù)據(jù)的采集和光學(xué)薄膜實(shí)時(shí)應(yīng)力的計(jì) 算與曲線繪制。該程序的流程圖見附圖3。所述激光器l為半導(dǎo)體激光器，內(nèi)含一個(gè)準(zhǔn)直系統(tǒng)，激光光束發(fā)散角小，準(zhǔn)直性好。利用所述的雙光束在線實(shí)吋測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力裝置進(jìn)行光學(xué)薄膜應(yīng)力的測(cè)量方 法，包括下列歩驟① 按所述的雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力裝置中各元器件的位青關(guān)系安裝各元器件和待測(cè)的鍍膜基片6;調(diào)整光路，使所述的半導(dǎo)體激光器l的出射光經(jīng)所述的雙光束分束準(zhǔn)直器后變成兩束平行光，由鍍膜機(jī)真空室的觀察窗口照射到待測(cè)的鍍膜基片6表面的中心對(duì)稱位置上，其反射光經(jīng)所述的第三反射鏡5反射后從所述的觀察窗n出射到真空室外的位敏光電探測(cè)器11上；② 在鍍膜丌始甜，先在計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)主界面上點(diǎn)擊初始化按鈕，設(shè)定所述 的鍍膜基片的彈性模量、泊松比、厚度、入射的雙光束的束寬、入射角度和反射光程，同時(shí)設(shè)置品控儀8的串口號(hào)；③ 在鍍膜丌始時(shí)，點(diǎn)擊主界面的汗始按鈕，計(jì)算機(jī)9丌始采集數(shù)據(jù) 一個(gè)是山USB接U獲得的位敏探測(cè)器11上光斑位置的信息，另一 個(gè)是由串U獲得的品控儀88上薄膜實(shí)時(shí)厚度和鍍膜沉積速率的信息，在整個(gè)鍍膜過程中，計(jì)算機(jī)根據(jù)下列公式 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理<formula>formula see original document page 9</formula>并實(shí)時(shí)繪制光學(xué)薄膜應(yīng)力變化曲線和位移變化曲線，實(shí)時(shí)保存并顯示光束偏轉(zhuǎn)位移、 應(yīng)力大小、鍍膜吋間、薄膜厚度和沉積速率； 鍍膜結(jié)束后，點(diǎn)擊軟件系統(tǒng)主界面上的退出按鈕，計(jì)算機(jī)9即停止采集數(shù)據(jù)， 并退出程序。所述反射鏡5是表面鍍制了反射薄膜的高質(zhì)量反射鏡。它固定在可以調(diào)節(jié)方向 的架子上，置于真空室內(nèi)部，從而調(diào)成出射光線照射到位敏光電探測(cè)器ll上。所述晶控頭7和品控儀8是在光學(xué)薄膜鍍制過程中實(shí)時(shí)獲得薄膜厚度信息的裝 置。只有得到厚度信息，才能實(shí)現(xiàn)薄膜應(yīng)力的在線測(cè)量。通過串口將薄膜厚度實(shí)時(shí) 傳給計(jì)算機(jī)9。由于軟件系統(tǒng)中加入了處理光斑位置的程序，所以調(diào)節(jié)光路時(shí)不用使出射光斑 照射到光敏面的中心位置，降低了光路調(diào)節(jié)工作的難度，操作更容易。實(shí)驗(yàn)表明，本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便，穩(wěn)定性好等特點(diǎn)，可以在線實(shí)時(shí) 測(cè)量在鍍制光學(xué)薄膜過程中應(yīng)力的變化。
權(quán)利要求
1、一種雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置，其特征在于該裝置包括半導(dǎo)體激光器(1)、由分束鏡(2)與第一反射鏡(3)和第二反射鏡(4)組合而成的雙光束分束準(zhǔn)直器、第三反射鏡(5)、具有晶控探頭(7)的晶控儀(8)、位敏光電探測(cè)器(11)、A/D采集卡(10)和計(jì)算機(jī)(9)，其位置關(guān)系如下在鍍膜機(jī)外設(shè)置所述的半導(dǎo)體激光器(1)、雙光束分束準(zhǔn)直器，晶控儀(8)、位敏光電探測(cè)器(11)、A/D采集卡(10)和計(jì)算機(jī)(9)，在真空室內(nèi)安設(shè)待測(cè)的鍍膜基片(6)、所述的第三反射鏡(5)和晶控探頭(7)，使所述的半導(dǎo)體激光器(1)的出射光經(jīng)所述的雙光束分束準(zhǔn)直器后變成兩束平行光，由鍍膜機(jī)真空室的觀察窗口照射到待測(cè)的鍍膜基片(6)表面，其反射光經(jīng)所述的第三反射鏡(5)反射后從所述的觀察窗口出射到真空室外的位敏光電探測(cè)器(11)上，該位敏光電探測(cè)器(11)探測(cè)的反射光位移偏轉(zhuǎn)量由A/D采集卡(10)輸入到計(jì)算機(jī)(9)；同時(shí)所述的晶控探頭(7)實(shí)時(shí)記錄鍍制光學(xué)薄膜過程中薄膜厚度和沉積速率的變化，由所述的晶控儀(8)輸入所述的計(jì)算機(jī)(9)。
2、 利用權(quán)利要求1所述的雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力裝置進(jìn)行光學(xué)薄膜 應(yīng)力的測(cè)量方法，其特征在于包括下列歩驟① 按權(quán)利要求1所述的雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力裝置中各元器件的位 置關(guān)系安裝各元器件和待測(cè)的鍍膜基片(6);調(diào)整光路，使所述的半導(dǎo)體激光器(1) 的出射光經(jīng)所述的雙光束分束準(zhǔn)直器后變成兩束平行光，山鍍膜機(jī)真空室的觀察窗 口照射到待測(cè)的鍍膜基片(6)表面的中心對(duì)稱位置上，其反射光經(jīng)所述的第三反射鏡(5)反射后從所述的觀察窗口出射到真空室外的位敏光電探測(cè)器(11)上；② 在鍍膜開始前，先在計(jì)算機(jī)的軟件系統(tǒng)主界面上點(diǎn)擊初始化按鈕，設(shè)定所述 的鍍膜基片的彈性模量、泊松比、厚度、入射的雙光束的束寬、入射角度和反射光程，同時(shí)設(shè)置品控儀(8)的串口號(hào)；③ 在鍍膜丌始時(shí)，點(diǎn)擊主界面的開始按鈕，計(jì)算機(jī)(9)開始采集數(shù)據(jù) 一個(gè)是由USB接口獲得的位敏探測(cè)器(11)上光斑位置的信息，另一個(gè)是由串口獲得的晶 控儀(8)上薄膜實(shí)時(shí)厚度和鍍膜沉積速率的信息，在整個(gè)鍍膜過程中，計(jì)算機(jī)根據(jù)下列公式進(jìn)行數(shù)據(jù)處理12(l-,s)" 并實(shí)時(shí)繪制光學(xué)薄膜應(yīng)力變化曲線和位移變化曲線，實(shí)時(shí)保存并顯示光束偏轉(zhuǎn)位移、 應(yīng)力大小、鍍膜時(shí)間、薄膜厚度和沉積速率；④鍍膜結(jié)束后，點(diǎn)擊軟件系統(tǒng)主界面上的退出按鈕，計(jì)算機(jī)(9)即停止采集 數(shù)據(jù)，并退出程序。
全文摘要
一種雙光束在線實(shí)時(shí)測(cè)量光學(xué)薄膜應(yīng)力的裝置及其測(cè)量方法，該裝置包括搭建在鍍膜機(jī)真空室外的半導(dǎo)體激光器、雙光束分束準(zhǔn)直器、晶控儀、位敏光電探測(cè)器、A/D采集卡和計(jì)算機(jī)，以及安裝在真空室內(nèi)的第三反射鏡，晶控探頭。半導(dǎo)體激光光束經(jīng)過雙光束分束準(zhǔn)直器分成兩束平行光，通過鍍膜機(jī)觀察窗口進(jìn)入鍍膜室，調(diào)整入射光照射到待測(cè)基片上，兩束反射光經(jīng)反射鏡調(diào)整方向后由觀察窗口出來，被位敏光電探測(cè)器接收，計(jì)算機(jī)實(shí)時(shí)采集位敏光電探測(cè)器信號(hào)和晶控儀關(guān)于薄膜厚度和速率的信息，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，即時(shí)顯示光學(xué)薄膜應(yīng)力的實(shí)時(shí)變化信息。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操作方便、兼容和抗干擾能力強(qiáng)的特點(diǎn)，可以在線獲得光學(xué)薄膜應(yīng)力的信息。
文檔編號(hào)G01N21/17GK101251472SQ200810034820
公開日2008年8月27日 申請(qǐng)日期2008年3月19日 優(yōu)先權(quán)日2008年3月19日
發(fā)明者明 方, 葵 易, 朱冠超, 申雁鳴 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所