專利名稱：一種薄膜應(yīng)力在線測試系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種薄膜應(yīng)力在線測試系統(tǒng)，屬于物理領(lǐng)域里的光學(xué)分領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
薄膜應(yīng)力是薄膜制備過程中的普遍現(xiàn)象，幾乎所有的薄膜都處于某種應(yīng)力之中。 應(yīng)力的存在對各種微電子電路、薄膜電子元器件、薄膜光學(xué)元器件及薄膜磁介質(zhì)的成品率、 穩(wěn)定性、可靠性以及使用壽命等都有極其不利的影響。薄膜制備工藝過程中對薄膜應(yīng)力的 掌控是薄膜領(lǐng)域中的重大課題，其中對薄膜應(yīng)力的測試極其關(guān)鍵。 目前用于測量薄膜應(yīng)力的方法主要有基片變形法、X射線衍射法、Raman光譜法 等。但由于受衍射強度偏低、衍射峰畸變、寬化等因素的限制，X射線衍射法用于測定厚度 小于幾十納米薄膜應(yīng)力時有很大的困難。而用Raman光譜法測定薄膜應(yīng)力時，應(yīng)力因子得 到的結(jié)果并不統(tǒng)一，因此根據(jù)波譜位移量計算出的應(yīng)力結(jié)果不一致。此外X射線衍射法要 用到X射線管和Raman光譜法要用到氣體激光器，這些設(shè)備都比較昂貴，不利于產(chǎn)品推廣。
基片變形法由于其簡單和非破壞性的特點，而被廣泛用于薄膜的測量。傳統(tǒng)的基 片變形法主要采用基于激光器的應(yīng)力儀對已鍍膜基板的表面變形量進行測量，然后將變形 量值代入應(yīng)力與變形量的關(guān)系式中，得到待測薄膜的應(yīng)力值。這樣不僅不能很好地監(jiān)控薄 膜應(yīng)力與膜厚的變化關(guān)系，而且由于鍍膜機振動造成較大誤差，因此要求設(shè)計復(fù)雜測試系 統(tǒng)以降低誤差，并對鍍膜系統(tǒng)設(shè)備要求高。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)測量誤差大，對測試系統(tǒng)的環(huán)境和復(fù)雜程度要求 高的缺點，提供一種精確、簡單的薄膜應(yīng)力在線測試系統(tǒng)。 本發(fā)明的薄膜應(yīng)力在線測試系統(tǒng)包含鍍膜機、應(yīng)力儀、晶控儀和計算機，其中
1)鍍膜機包括樣品支架、晶控儀探頭、工件架、真空室、電子槍和坩堝。樣品支架、 晶控儀探頭、工件架、電子槍和坩堝都置于真空室中；電子槍和坩堝置于工件架下方，樣品 支架和晶控儀探頭安裝在工件架上；樣品支架位于應(yīng)力儀正下方，晶控儀探頭與晶控儀相 連。鍍膜機的作用是將膜料沉積到樣品表面。 2)應(yīng)力儀包括自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)和哈特曼傳感器。其中自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)由分光棱 鏡、物鏡、中繼透鏡構(gòu)成，用于將圖像精確地成像到CMOS接收器感光面。哈特曼傳感器由哈 特曼透鏡陣列、CMOS接收器構(gòu)成，代替?zhèn)鹘y(tǒng)應(yīng)力儀中的激光器對鍍膜樣品的形變量進行測 量。哈特曼透鏡陣列選用一批焦距、口徑相同的平凸透鏡制作而成；CM0S接收器采用高分 辨率感光面，感光面位于哈特曼透鏡陣列的焦距處，接收來自樣品的發(fā)射光，并將每個像素 的灰度值存入已分配好的動態(tài)內(nèi)存中；CMOS接收器的輸出端與計算機相連，通過計算機中 的數(shù)據(jù)采集與處理模塊將存入CMOS接收器的光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C中進行 處理。 3)晶控儀對鍍膜樣品的膜厚變化進行監(jiān)測，其輸入端連接晶控儀探頭，輸出端與計算機相連。 4)計算機對應(yīng)力儀和晶控儀中的數(shù)據(jù)進行采集處理。計算機中設(shè)計的數(shù)據(jù)采集與 處理模塊用一個一維數(shù)組記錄每個像素的位置，考慮到雜散光的影響，設(shè)定某個灰度值作 為閾值，將小于閾值的像素通過一個邏輯判斷去掉，將大于這個閾值的像素的橫縱坐標(biāo)和 所對應(yīng)的灰度值代入質(zhì)心公式得到質(zhì)心坐標(biāo)，并造成事實上的去噪。質(zhì)心公式為
^=!>'"簡>;17 + "*/|/5>^^ + "*/1，其中(i， j)為像素點坐標(biāo)，
,，/ '，乂 (X。， Y。)為選定感光區(qū)域質(zhì)心坐標(biāo)，a為感光面x方向的最大像素數(shù)；i取值范圍為 選定感光區(qū)域x方向像素值范圍，j取值范圍為選定感光區(qū)域y方向像素值范圍。
然后以中心光斑的質(zhì)心為參考點，計算出外側(cè)各個光斑的質(zhì)心與此參考點的距離 Di，實時記錄樣品鍍膜過程中距離變化AD = Dit-Di。，其中DiQ為初始時外側(cè)光斑質(zhì)心與參
考點距離，Dit為t時刻外側(cè)光斑質(zhì)心與參考點距離。根據(jù)形變量公式,=^^求得當(dāng)光
斑位置產(chǎn)生AD的偏移時樣品實際的形變量S ，其中^為物鏡焦距，&為中繼透鏡焦距，f3
為哈特曼透鏡焦距，a為對應(yīng)的樣品子單元的寬度。最后根據(jù)應(yīng)力公式" ，L求
得薄膜的應(yīng)力值，并繪制出應(yīng)力與膜厚變化的曲線圖，其中ts， Es， ns， Ds， tf分別為樣品的 厚度、楊氏模量、泊松比、樣品直徑和薄膜厚度。至此本發(fā)明完成。 本發(fā)明一種基于哈特曼傳感器的薄膜應(yīng)力測量裝置的工作過程為在所測量樣品 鍍膜開始前，先將計算機的數(shù)據(jù)采集與處理模塊初始化，然后設(shè)定閾值。當(dāng)外部高亮度光源 發(fā)出的光從應(yīng)力儀的光纖入射經(jīng)分光棱鏡分光，通過物鏡后垂直入射到樣品表面，平行光 被測量樣品表面反射后，再經(jīng)中繼透鏡轉(zhuǎn)換成平行光，然后經(jīng)哈特曼透鏡陣列成像到CMOS 接收器感光面，通過調(diào)節(jié)外部光源，使得光斑盡量落于CMOS感光面中心區(qū)域。當(dāng)電子槍轟 擊坩堝中的膜料，使其激發(fā)出膜料分子，膜料分子沉積到樣品表面，鍍膜開始。同時計算機 開始對應(yīng)力儀和晶控儀的數(shù)據(jù)進行采集(應(yīng)力儀實時將光信號轉(zhuǎn)換成的數(shù)據(jù)存儲入CMOS 接收器的動態(tài)內(nèi)存中；晶控儀實時測量樣品膜厚的數(shù)據(jù)變化)。這樣便實現(xiàn)了對薄膜應(yīng)力 變化的實時跟蹤，并能繪制出薄膜應(yīng)力隨膜厚的變化曲線。
有益效果 本發(fā)明以自適應(yīng)形式避免了由于鍍膜設(shè)備振動的影響而造成測量誤差，并能 夠?qū)崿F(xiàn)對單層膜、多層膜的應(yīng)力在線測量與在線控制。其中數(shù)據(jù)采集與處理模塊采用 C++builder 6. 0編寫，功能豐富，能對程序功能作進一步擴展。
圖1是本發(fā)明一種薄膜應(yīng)力在線測試系統(tǒng)的組成示意圖； 圖2是本發(fā)明一種薄膜應(yīng)力在線測試系統(tǒng)中應(yīng)力儀的機械結(jié)構(gòu)圖； 圖3是本發(fā)明一種薄膜應(yīng)力在線測試系統(tǒng)中計算機的數(shù)據(jù)采集與處理模塊軟件
界面示意圖，其中(Xi， Yi)， Di， Ti分別代表質(zhì)心坐標(biāo)、周圍點與中間參考點的距離以及計
算質(zhì)心時的閾值； 圖中，1 _物鏡，2-CM0S接收器，3-哈特曼透鏡陣列，4-中繼透鏡，5-分光棱鏡，6-應(yīng)力儀，7-樣品支架，S-晶控儀探頭，9-工件架，10-真空室，11-晶控儀，12-計算機， 13-電子槍，14-坩堝，15-鍍膜機。
具體實施例方式
下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護范 圍。 本發(fā)明一種薄膜應(yīng)力在線測試系統(tǒng)主要由鍍膜機15、應(yīng)力儀6、晶控儀11和計算 機12組成(如圖1)。鍍膜機包括樣品支架7、晶控儀探頭8、工件架9、真空室10、電子槍 13和坩堝14 ;應(yīng)力儀6(如圖2)包括自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)和哈特曼傳感器。
實驗用的外部光源選擇由高亮度藍光聚光LED和光纖組成，光源發(fā)出的光從應(yīng)力 儀的光纖入射，經(jīng)分光棱鏡分光，通過物鏡后垂直入射到樣品表面，平行光被樣品表面反射 后，再經(jīng)中繼透鏡轉(zhuǎn)換成平行光，然后經(jīng)哈特曼透鏡陣列成像到CMOS接收器感光面，最后 CMOS接收器將接收到的光信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號后傳輸給計算機，由計算機進行數(shù)據(jù)采集和 處理。 本實施例中，CMOS感光面設(shè)定的分辨率為1280X768，每個像素接收的光亮度值 分為256個等級，定義為像素的灰度值，并將每個像素的灰度值存入已分配好的動態(tài)內(nèi)存 中。用一個一維數(shù)組Array記錄每個像素的位置Array [x+1280*y]，其中x為像素的橫坐 標(biāo)，取值范圍0u 1279，y為像素的縱坐標(biāo)，取值范圍0u767。這樣就得到了質(zhì)心公式所 必須的橫縱坐標(biāo)和對應(yīng)的灰度值。 以中心光斑的質(zhì)心為參考點，利用兩點間的距離公式分別計算出外側(cè)的光斑質(zhì) 心距離此參考點的距離Di。鍍膜過程中實時記錄距離變化AD二Dit-Di。。根據(jù)公式
^ = ^^求得當(dāng)光斑位置產(chǎn)生AD的偏移時樣品實際的形變量S 。最后根據(jù)應(yīng)力公式
°~ = ^4￡/^,求得薄膜的應(yīng)力值，其中薄膜厚度tf力曰曰曰g^義^旨，^白勺，月莫j ^ft。 3(1- 7, )D// 利用本系統(tǒng)在線測量薄膜應(yīng)力時，包括以下步驟 ①將上述薄膜應(yīng)力測量裝置安裝在鍍膜機觀察窗外，通過調(diào)節(jié)樣品支架上的平衡 螺絲，使得光斑盡量位于CMOS感光面中心區(qū)域；在鍍膜開始前，先在計算機的數(shù)據(jù)處理軟 件的主界面(如圖3)上點擊"初始化圖像采集"按鈕，然后在閾值設(shè)定對話框輸入灰度閾 值，之后點擊"設(shè)定閾值"； ②在鍍膜開始時，點擊主界面的"圖像活動"按鈕計算機便開始實時采集數(shù)據(jù)，然 后點擊"坐標(biāo)跟蹤"按鈕，此時主界面會實時顯示各光斑的X、 Y坐標(biāo)，周圍光斑與中心光斑 的距離，采集次數(shù)以及計算機實時繪制的薄膜應(yīng)力隨膜厚的變化曲線，計算機還會將采集 的數(shù)據(jù)保存成Excel文檔，以便進行后期處理，此外在副界面還會直觀地顯示光斑的移動。
③鍍膜結(jié)束后，點擊"停止跟蹤"按鈕，計算機便停止采集數(shù)據(jù)，然后點擊"圖像活 動"按鈕便可停止程序。
權(quán)利要求
一種薄膜應(yīng)力在線測試系統(tǒng)，其特征在于包含鍍膜機、應(yīng)力儀、晶控儀和計算機，其中1)鍍膜機包括樣品支架、晶控儀探頭、工件架、真空室、電子槍和坩堝；樣品支架、晶控儀探頭、工件架、電子槍和坩堝都置于真空室中；電子槍和坩堝置于工件架下方，樣品支架和晶控儀探頭安裝在工件架上；樣品支架位于應(yīng)力儀正下方，晶控儀探頭與晶控儀相連；鍍膜機的作用是將膜料沉積到樣品表面；2)應(yīng)力儀包括自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)和哈特曼傳感器；其中自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)由分光棱鏡、物鏡、中繼透鏡構(gòu)成，用于將圖像精確地成像到CMOS接收器感光面；哈特曼傳感器由哈特曼透鏡陣列、CMOS接收器構(gòu)成；哈特曼透鏡陣列選用一批焦距、口徑相同的平凸透鏡制作而成；CMOS接收器采用高分辨率感光面，感光面位于哈特曼透鏡陣列的焦距處，接收來自樣品的發(fā)射光，并將每個像素的灰度值存入已分配好的動態(tài)內(nèi)存中；CMOS接收器的輸出端與計算機相連，通過計算機中的數(shù)據(jù)采集與處理模塊將存入CMOS接收器的光信號轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號傳輸?shù)接嬎銠C中進行處理；3)晶控儀對鍍膜樣品的膜厚變化進行監(jiān)測，其輸入端連接晶控儀探頭，輸出端與計算機相連；4)計算機對應(yīng)力儀和晶控儀中的數(shù)據(jù)進行采集處理；將大于閾值的像素的橫縱坐標(biāo)和所對應(yīng)的灰度值代入質(zhì)心公式得到質(zhì)心坐標(biāo)，并造成事實上的去噪；以中心光斑的質(zhì)心為參考點，實時記錄樣品鍍膜過程中外側(cè)光斑與參考點的距離變化ΔD；根據(jù)形變量公式求得樣品的形變量δ，最后根據(jù)應(yīng)力公式 <mrow><mi>σ</mi><mo>=</mo><mfrac> <mrow><mn>4</mn><msub> <mi>E</mi> <mi>s</mi></msub><msubsup> <mi>t</mi> <mi>s</mi> <mn>2</mn></msubsup><mi>δ</mi> </mrow> <mrow><mn>3</mn><mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <msub><mi>η</mi><mi>s</mi> </msub> <mo>)</mo></mrow><msub> <mi>D</mi> <mi>s</mi></msub><msub> <mi>t</mi> <mi>f</mi></msub> </mrow></mfrac> </mrow>求得薄膜的應(yīng)力值，并繪制出應(yīng)力與膜厚變化的曲線圖。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種薄膜應(yīng)力在線測試系統(tǒng)，屬于物理領(lǐng)域里的光學(xué)分領(lǐng)域。該系統(tǒng)包括鍍膜機、應(yīng)力儀、晶控儀和計算機；在所測量樣品鍍膜開始前，先將計算機的數(shù)據(jù)采集與處理模塊初始化并設(shè)定閾值。當(dāng)外部高亮度光源發(fā)出的光從應(yīng)力儀的光纖入射經(jīng)分光棱鏡分光，通過物鏡后垂直入射到樣品表面，平行光被測量樣品表面反射后，再經(jīng)中繼透鏡轉(zhuǎn)換成平行光，然后經(jīng)哈特曼透鏡陣列成像到CMOS接收器感光面，通過調(diào)節(jié)外部光源，使得光斑盡量落于CMOS感光面中心區(qū)域。當(dāng)電子槍轟擊坩堝中的膜料，使其激發(fā)出膜料分子，膜料分子沉積到樣品表面，鍍膜開始。同時計算機開始對應(yīng)力儀和晶控儀的數(shù)據(jù)進行采集，實現(xiàn)對薄膜應(yīng)力變化的實時跟蹤，繪制出薄膜應(yīng)力隨膜厚的變化曲線。
文檔編號G01B11/06GK101793675SQ200910224059
公開日2010年8月4日 申請日期2010年3月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月26日
發(fā)明者冷健, 盧維強, 張楠, 王華清, 薛唯 申請人:北京理工大學(xué)