專利名稱：一種薄膜殘余應力成分的分析裝置的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種薄膜殘余應力成分的分析裝置。
背景技術：
光學薄膜有廣泛的應用，光學系統(tǒng)中所用的分束鏡、截止濾光片和帶通濾 光片等是由光學薄膜來實現(xiàn)；此外光纖通信、激光光學中也用到大量的薄膜器 件；薄膜還廣泛應用于信息存儲、半導體器件、光電顯示等領域。但幾乎所有 薄膜都存在著巨大的應力，它對薄膜的性能，特別是牢固性產(chǎn)生很大威脅。因 此研究薄膜中的應力有重大意義。從組成來說，薄膜中的應力主要由本征應力 (也稱內(nèi)應力)、外應力和熱應力組成。本征應力與薄膜的化學成分、微結構 和晶相有關，很大程度上受到鍍膜工藝的影響；外應力是指外界因素的影響所 產(chǎn)生的應力改變，如水吸收，或者薄膜材料氧化等；熱應力是由于鍍膜過程中 的沉積溫度與周圍環(huán)境的溫度間存在溫差，而薄膜與基板的熱膨脹系數(shù)不同， 導致薄膜與基板形成熱應力，可用公式(1)表示，其中Td為沉積溫度，L為測 量溫度。通常，計算薄膜的熱應力時都采用大塊狀材料的力學系數(shù)，但是由于 薄膜結構的原因，膜狀材料的力學常數(shù)與塊狀材料有很大差異，因此研究薄膜 材料的力學常數(shù)對分析薄膜應力性能具有重要的意義。
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發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是克服現(xiàn)有技術的不足，提供一種薄膜殘余應力成分的分析
它包括繼電器式溫度控制儀、加熱片驅(qū)動電路、基板夾具、干涉儀、計算 機，繼電器式溫度控制儀依次與加熱片驅(qū)動電路、基板夾具、干涉儀、計算機 相連接，基板夾具包括第一銅片、第二銅片、鋁片、鐵夾片、樣品固定圓孔、 熱電阻、MCH加熱片，第一銅片背面固定有熱電阻和兩片MCH加熱片，第 一銅片兩側設有固定凹槽，第二銅片插入第一銅片兩側設有的固定凹槽內(nèi)，第 二銅片上端兩側固定有兩片鐵夾片，在兩片鐵夾片上夾有鋁片，鋁片上開有樣 品固定圓孔。
所述的加熱片驅(qū)動電路為第一電阻R1經(jīng)第一電容C1、第二二極管D2、 第二電阻R2、第三電阻R3、 LED接地，第二二極管D2正極經(jīng)穩(wěn)壓管Dl接地，第二二極管D2負極經(jīng)第二電容C2接地，比較器正極經(jīng)第六電阻R6、第 五電阻R5、第一可調(diào)電阻W1、第四電阻R4、第二可調(diào)電阻W2接電源，比 較器負極經(jīng)第八電阻R8、第二電阻R2、第二二極管D2、第一電容C1、第一 電阻R1、 二極管Q1接加熱片(12)，比較器的輸出經(jīng)U2接到加熱片，加熱 片經(jīng)第三二極管D3接地。
所述的干涉儀為激光器發(fā)出的光束經(jīng)光束擴束器到達分光鏡，分成二束 光，第一束光被反射且經(jīng)過PZT傳感器被反射后再次經(jīng)過分光鏡到達透鏡， 而第二束光則透過分光鏡、透鏡到達被測樣品后被反射與第一束光發(fā)生干涉， 干涉圖樣被CCD采集?；鍔A具外面套有高溫棉隔熱層?；鍔A具底部設有 垂直調(diào)節(jié)裝置。垂直調(diào)節(jié)裝置由兩個螺釘和一個微調(diào)底座組成。
本發(fā)明是一非破壞性檢測方法，具有操作方便、量測迅速、精密度高、可 同時測定多種參數(shù)和進行應力成分分析等優(yōu)點。它可以實現(xiàn)預測薄膜中應力的 組成成分，并從實驗結果中計算得到薄膜的力學參數(shù)和熱學參數(shù)，通過分析薄 膜的應力組成和力學、熱學性質(zhì)，有助于科研人員改進薄膜的鍍制工藝，控制 薄膜應力。


下面結合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。
圖1是薄膜應力分析裝置的結構示意圖2是薄膜應力分析裝置中基片夾具的結構示意圖3是該裝置的光學電路圖4是加熱片驅(qū)動電路圖5是利用該裝置測量的氧化鉿(Hf02傅膜的應力-溫度曲線。
圖中繼電器式溫度顯示器1、加熱片驅(qū)動電路2、基板夾具3、 ZYGO
干涉儀4、計算機5、銅片6、銅片7、鋁片8、鐵夾片9、玻璃片10、熱電阻
11、 MCH加熱片12、激光器13、擴束器14、 PZT傳感器15、加熱器16、分
光器17、透鏡18、 CCD 19、樣品20、 LED 2具體實施例方式
如圖1、 2所示，分析薄膜應力的裝置包括繼電器式溫度控制儀1、加熱片 驅(qū)動電路2、基板夾具3、干涉儀4、計算機5，繼電器式溫度控制儀1依次與 加熱片驅(qū)動電路2、基板夾具3、干涉儀4、計算機5相連接，基板夾具3包括 第一銅片6、第二銅片7、鋁片8、鐵夾片9、樣品固定圓孔IO、熱電阻ll、 MCH加熱片12，第一銅片6背面固定有熱電阻11和兩片MCH加熱片12，第一銅片6兩側設有固定凹槽，第二銅片7插入第一銅片6兩側設有的固定凹 槽內(nèi)，第二銅片7上端兩側固定有兩片鐵夾片9，在兩片鐵夾片9上夾有鋁片 8，鋁片8上開有樣品固定圓孔10。所述的基板夾具3外面套有高溫棉隔熱層。 基板夾具3底部設有垂直調(diào)節(jié)裝置。垂直調(diào)節(jié)裝置由兩個螺釘和一個微調(diào)底座 組成。
如圖3所示，干涉儀4為激光器13發(fā)出的光束經(jīng)光束擴束器14到達分光 鏡17，分成二束光，第一束光被反射且經(jīng)過PZT傳感器15被反射后再次經(jīng) 過分光鏡17到達透鏡18，而第二束光則透過分光鏡17、透鏡18到達被測樣 品20后被反射與第一束光發(fā)生干涉，干涉圖樣被CCD19采集。
如圖4所示，加熱片驅(qū)動電路2為第一電阻R1經(jīng)第一電容C1、第二二 極管D2、第二電阻R2、第三電阻R3、 LED21接地，第二二極管D2正極經(jīng)穩(wěn) 壓管D1接地，第二二極管D2負極經(jīng)第二電容C2接地，比較器正極經(jīng)第六電 阻R6、第五電阻R5、第一可調(diào)電阻W1、第四電阻R4、第二可調(diào)電阻W2接 電源，比較器負極經(jīng)第八電阻R8、第二電阻R2、第二二極管D2、第一電容 Cl、第一電阻Rl、 二極管Ql接加熱片12，比較器的輸出經(jīng)U2接到加熱片12， 加熱片12經(jīng)第三二極管D3接地。
通過MCH加熱片給銅塊進行加熱，同時熱電阻將測定的銅片溫度傳輸給 溫度控制儀，由溫度控制儀顯示銅片溫度，通過溫度校正實驗，對比銅片溫度 與實驗樣品溫度的差別，制成溫度對照表，在實驗過程中，根據(jù)溫度對照表可 知基板的實際溫度。
它是利用溫度控制儀控制薄膜的溫度，測量出不同溫度下薄膜的應力，由 溫度-應力曲線可以求得薄膜的熱膨脹系數(shù)和彈性模量等參數(shù)，進而求得薄膜 的熱應力，當溫度達到100攝氏度以上時，薄膜中的水汽被解吸，此時，薄膜 應力只由內(nèi)應力和熱應力組成，再將薄膜的熱膨脹系數(shù)和彈性模量代入公式 (1)計算出熱應力，從而可以得到薄膜中內(nèi)應力的值。
設置基板溫度，通過調(diào)節(jié)電路中的電阻W2值使基片的溫度達到設定的溫 度，調(diào)節(jié)基片夾具裝置，得到干涉圖像，進行實驗數(shù)據(jù)處理。根據(jù)Stoney公式<formula>formula see original document page 5</formula>(1)
其中^為基板的楊氏模量(modulusofelasticity),!為薄膜的彈性模量，&為基板的厚度，tf為薄膜的厚度，i 為長條型彎曲薄片的曲率半徑。得出不同溫度 下的殘余應力。在兩種不同熱膨脹系數(shù)的基板上鍍制相同的薄膜材料，可以獲
得薄膜材料的熱膨脹系數(shù)和薄膜材料的^-。進一步可以求得高溫下薄膜的內(nèi)應
l一v
力。圖5為230度在k9基板上鍍帝ijHfO2薄膜的溫度-應力曲線。根據(jù)此曲線可以進 行進一步的計算。
權利要求
1. 一種薄膜殘余應力成分的分析裝置，其特征在于包括繼電器式溫度控制儀(1)、加熱片驅(qū)動電路(2)、基板夾具(3)、干涉儀(4)、計算機(5)，繼電器式溫度控制儀(1)依次與加熱片驅(qū)動電路(2)、基板夾具(3)、干涉儀(4)、計算機(5)相連接，基板夾具(3)包括第一銅片(6)、第二銅片(7)、鋁片(8)、鐵夾片(9)、樣品固定圓孔(10)、熱電阻(11)、MCH加熱片(12)，第一銅片(6)背面固定有熱電阻(11)和兩片MCH加熱片(12)，第一銅片(6)兩側設有固定凹槽，第二銅片(7)插入第一銅片(6)兩側設有的固定凹槽內(nèi)，第二銅片(7)上端兩側固定有兩片鐵夾片(9)，在兩片鐵夾片(9)上夾有鋁片(8)，鋁片(8)上開有樣品固定圓孔(10)。
2. 根據(jù)權利要求1所述的一種薄膜殘余應力成分的分析裝置，其特征在于 所述的加熱片驅(qū)動電路(2)為第一電阻R1經(jīng)第一電容C1、第二二極管D2、 第二電阻R2、第三電阻R3、 LED(21)接地，第二二極管D2正極經(jīng)穩(wěn)壓管Dl 接地，第二二極管D2負極經(jīng)第二電容C2接地，比較器正極經(jīng)第六電阻R6、 第五電阻R5、第一可調(diào)電阻W1、第四電阻R4、第二可調(diào)電阻W2接電源，比 較器負極經(jīng)第八電阻R8、第二電阻R2、第二二極管D2、第一電容C1、第一 電阻R1、 二極管Q1接加熱片(12)，比較器的輸出經(jīng)U2接到加熱片(12)， 加熱片(12)經(jīng)第三二極管D3接地。
3. 根據(jù)權利要求1所述的一種薄膜殘余應力成分的分析裝置，其特征在 于所述的干涉儀(4)為激光器(13)發(fā)出的光束經(jīng)光束擴束器(14)到達分 光鏡(17)，分成二束光，第一束光被反射且經(jīng)過PZT傳感器(15)被反射后 再次經(jīng)過分光鏡(17)到達透鏡(18)，而第二束光則透過分光鏡(17)、透鏡(18)到達被測樣品(20)后被反射與第一束光發(fā)生干涉，干涉圖樣被CCD(19) 采集。
4. 根據(jù)權利要求1所述的一種薄膜殘余應力成分的分析裝置，其特征在于 所述的基板夾具(3)外面套有高溫棉隔熱層。
5. 根據(jù)權利要求1所述的一種薄膜殘余應力成分的分析裝置，其特征在于 所述的基板夾具(3)底部設有垂直調(diào)節(jié)裝置。
6. 根據(jù)權利要求5所述的一種薄膜殘余應力成分的分析裝置，其特征在于 所述的垂直調(diào)節(jié)裝置由兩個螺釘和一個微調(diào)底座組成。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種薄膜殘余應力成分的分析裝置。它包括繼電器式溫度控制儀、加熱片驅(qū)動電路、基板夾具、干涉儀、計算機，繼電器式溫度控制儀依次與加熱片驅(qū)動電路、基板夾具、干涉儀、計算機相連接，基板夾具包括第一銅片、第二銅片、鋁片、鐵夾片、樣品固定圓孔、熱電阻、MCH加熱片，第一銅片背面固定有熱電阻和兩片MCH加熱片，第一銅片兩側設有固定凹槽，第二銅片插入第一銅片兩側設有的固定凹槽內(nèi)，第二銅片上端兩側固定有兩片鐵夾片，在兩片鐵夾片上夾有鋁片，鋁片上開有樣品固定圓孔。本發(fā)明是一非破壞性檢測方法，具有操作方便、量測迅速、精密度高、可同時測定多種參數(shù)和進行應力成分分析等優(yōu)點。
文檔編號G01N25/00GK101285772SQ20081006163
公開日2008年10月15日 申請日期2008年5月20日 優(yōu)先權日2008年5月20日
發(fā)明者沈偉東, 穎 王, 章岳光, 陳為蘭, 顧培夫, 黃文彪 申請人:浙江大學