專(zhuān)利名稱(chēng)：一種基于哈特曼傳感器的薄膜應(yīng)力測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種基于哈特曼傳感器的薄膜應(yīng)力測(cè)量裝置，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(guò)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(duì)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(guò)程中對(duì)薄膜應(yīng)力的 掌控是薄膜領(lǐng)域中的重大課題，其中對(duì)薄膜應(yīng)力的測(cè)試極其關(guān)鍵。 目前用于測(cè)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(qiáng)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(cè)定厚度 小于幾十納米薄膜應(yīng)力時(shí)有很大的困難。而用Raman光譜法測(cè)定薄膜應(yīng)力時(shí)，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(jì)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(jiǎn)單和非破壞性的特點(diǎn)，而被廣泛用于薄膜的測(cè)量。傳統(tǒng)的基 片變形法主要基于激光器，利用光的反射、干涉和衍射理論，對(duì)已鍍膜基板的表面變形量進(jìn) 行測(cè)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(cè)薄膜的應(yīng)力值。這不僅對(duì) 鍍膜環(huán)境提出了比較苛刻的要求，并當(dāng)應(yīng)力測(cè)量裝置安裝在鍍膜機(jī)上時(shí)更要求設(shè)計(jì)復(fù)雜系 統(tǒng)以減小由于鍍膜機(jī)振動(dòng)造成的測(cè)量誤差。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有技術(shù)測(cè)量誤差大，對(duì)鍍膜系統(tǒng)設(shè)備要求高的缺點(diǎn)，提 供一種基于哈特曼傳感器的薄膜應(yīng)力測(cè)量裝置。該裝置能夠以自適應(yīng)形式避免由于鍍膜設(shè) 備振動(dòng)而造成的較大誤差，測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉并且在線、離線均能使用。
本發(fā)明的發(fā)明點(diǎn)為以哈特曼傳感器代替?zhèn)鹘y(tǒng)激光器，運(yùn)用在薄膜應(yīng)力測(cè)量裝置 中。 本發(fā)明一種基于哈特曼傳感器的薄膜應(yīng)力測(cè)量裝置包括自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)和哈特 曼傳感器。 1)自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)由分光棱鏡、物鏡、中繼透鏡構(gòu)成。分光棱鏡為消偏振分光直角 棱鏡，棱鏡的；物鏡和中繼透鏡均為雙膠合透鏡。其中分光棱鏡的光接收面和光出射面鍍制 增透膜，棱鏡位于物鏡1倍焦距內(nèi)，其主截面平行于入射光線，并且棱鏡入射面垂直于光軸 方向；物鏡和中繼透鏡為共軛透鏡，即物鏡的像方焦點(diǎn)和中繼透鏡的物方焦點(diǎn)重合。外部高 亮度光源位于物鏡的等效焦距處。 2)哈特曼傳感器由哈特曼透鏡陣列、CMOS接收器構(gòu)成。哈特曼透鏡陣列由一批 焦距、口徑相同的平凸透鏡通過(guò)粘連、切割等手段制作而成，透鏡陣列位于中繼透鏡的像空 間。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(lái)自樣品
3的發(fā)射光，并將每個(gè)像素的灰度值存入已分配好的動(dòng)態(tài)內(nèi)存中。CMOS接收器的輸出端與計(jì) 算機(jī)的輸入端相連，通過(guò)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集模塊將存入CMOS接收器的光信號(hào)轉(zhuǎn) 換成數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。 本發(fā)明一種基于哈特曼傳感器的薄膜應(yīng)力測(cè)量裝置的工作過(guò)程為在所測(cè)量樣品 鍍膜開(kāi)始前，先將計(jì)算機(jī)的數(shù)據(jù)采集與處理模塊初始化，然后設(shè)定采集數(shù)據(jù)閾值。外部高亮 度光源發(fā)出的光從測(cè)量裝置的光纖入射，經(jīng)分光棱鏡分光，通過(guò)物鏡后垂直入射到樣品表 面，平行光被測(cè)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(guò)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。鍍 膜開(kāi)始時(shí)，軟件系統(tǒng)實(shí)時(shí)將CMOS接收器動(dòng)態(tài)內(nèi)存中的數(shù)據(jù)讀取入計(jì)算機(jī)，以其中心光斑的 質(zhì)心為參考點(diǎn)，計(jì)算出外側(cè)的光斑質(zhì)心距離此參考點(diǎn)的距離變化，再根據(jù)形變及應(yīng)力公式 計(jì)算出應(yīng)力變化。如將該裝置與晶控儀配合使用還可繪制出薄膜應(yīng)力隨膜厚的變化曲線。
有益效果 本發(fā)明以待測(cè)樣品表面的中心區(qū)域作為基準(zhǔn)，測(cè)量周?chē)鷧^(qū)域相對(duì)于基準(zhǔn)的變化 量，以自適應(yīng)形式避免了由于鍍膜設(shè)備振動(dòng)的影響而造成測(cè)量誤差，并能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)單層膜、 多層膜的應(yīng)力在線測(cè)量與在線控制，且可以搭建到任一臺(tái)鍍膜機(jī)上，裝置兼容性好。而在離 線狀態(tài)下，本發(fā)明還可以作為一臺(tái)高精度的表面形狀測(cè)試儀，分析工件在鍍膜前后表面變 形情況以及工件使用環(huán)境對(duì)膜層應(yīng)力的影響等。


圖1是本發(fā)明一種基于哈特曼傳感器的薄膜應(yīng)力測(cè)量裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，圖中， 1-物鏡、2-固定底板、3-調(diào)節(jié)底座、4-調(diào)節(jié)球、5-立板、6-三角板、7-物鏡筒、8-棱鏡座、 9-墊塊、10-光纖調(diào)節(jié)固定板、11-CM0S固定板、12-光纖調(diào)節(jié)架、13-中繼透鏡筒、14-像光 闌、15-像調(diào)節(jié)鏡筒、16-壓圈、17-中繼透鏡座、18-調(diào)節(jié)螺釘、19-CM0S調(diào)節(jié)底座、20_螺釘、 21-調(diào)節(jié)側(cè)板、22-CM0S接收器、23-哈特曼透鏡陣列、24-窗口玻璃、25-中繼透鏡、26-光纖 固定座、27-光纖頭、28-光纖、29， 30-物鏡光闌、31-壓片、32-分光棱鏡。
具體實(shí)施例方式
下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步說(shuō)明，但不應(yīng)以此限制本發(fā)明的保護(hù)范 圍。 本發(fā)明一種基于哈特曼傳感器的薄膜應(yīng)力測(cè)量裝置包括自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)、哈特曼 傳感器。其中自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)由分光棱鏡32、物鏡1、中繼透鏡25構(gòu)成；哈特曼傳感器由哈 特曼透鏡陣列23、CM0S22接收器構(gòu)成。本次測(cè)量的外部光源選擇由高亮度藍(lán)光聚光LED和 光纖組成，光源從光纖處入射，經(jīng)分光棱鏡分光，通過(guò)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 器感光區(qū)，最后CMOS接收器將接收到的光信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號(hào)后傳輸給計(jì)算機(jī)。
CMOS感光區(qū)域設(shè)定的分辨率為1280X768，將每個(gè)像素的灰度值存入已分配好的 動(dòng)態(tài)內(nèi)存中。用一個(gè)一維數(shù)組Array記錄每個(gè)像素的位置Array [x+1280*y]，其中x為像素 的橫坐標(biāo)，取值范圍0 u 1279， y為像素的縱坐標(biāo)，取值范圍0 U 767。這樣就得到了質(zhì)心 公式所必須的橫縱坐標(biāo)和對(duì)應(yīng)的灰度值。
以中心光斑的質(zhì)心為參考點(diǎn)，利用兩點(diǎn)間的距離公式分別計(jì)算出外側(cè)的光斑 質(zhì)心距離此參考點(diǎn)的距離Di。鍍膜過(guò)程中實(shí)時(shí)記錄距離變化AD二Dit-Di。。根據(jù)公式
5 = ^^求得當(dāng)光斑位置產(chǎn)生AD的偏移時(shí)樣品實(shí)際的形變量S。最后根據(jù)應(yīng)力公式 "二v/^、fw求得薄膜的應(yīng)力值。自禾」ffli:ai月莫lS力領(lǐng)Ufi^胃itfi^Et^則fi，月莫lS力
時(shí)，薄膜厚度tf為晶控儀實(shí)時(shí)采集的薄膜厚度值；當(dāng)利用上述膜應(yīng)力測(cè)量裝置進(jìn)行離線測(cè) 量薄膜應(yīng)力時(shí)，tf必須為已知薄膜厚度值。 當(dāng)實(shí)驗(yàn)所選取的光源的直徑為50iim，哈特曼透鏡尺寸為1.2mmX1.2mm，焦距為 20mm，物鏡焦距為210mm，中繼透鏡焦距為40mm， CMOS的像素尺寸為5. 2 y mX 5. 2 y m時(shí)，該 裝置可使光斑質(zhì)心的探測(cè)精度優(yōu)于1/10CM0S像素尺寸，即A x《0. 52 ii m。裝置的面形測(cè)
量精度為3 = :^=15'611111°當(dāng)襯底采用硅材料，襯底厚度偽=250iim，薄膜厚度tf =
300nm，硅襯底楊氏模量Es = 155. 8GPa，泊松比ns = 0. 2152，樣品直徑03 = 31. 5mm時(shí)，根
據(jù)應(yīng)力公式^ = ^^^求得薄膜的應(yīng)力值為0. 86Xl(fPa，即本發(fā)明的應(yīng)力測(cè)量裝置 3(1
靈敏度為0.86Xl(fPa。而在同樣的試驗(yàn)參數(shù)下，林曉春等人發(fā)明的"基于自會(huì)聚多光束陣 列的薄膜應(yīng)力傳感器"的靈敏度為2. 5X 106Pa。而國(guó)外Bicker等人發(fā)明的"利用雙路光反 射現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量薄膜應(yīng)力裝置"的靈敏度為4. 4X 106Pa。
權(quán)利要求
一種基于哈特曼傳感器的薄膜應(yīng)力測(cè)量裝置，其特征在于包括自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)和哈特曼傳感器，其中1)自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)由分光棱鏡、物鏡、中繼透鏡構(gòu)成；分光棱鏡為消偏振分光直角棱鏡；物鏡和中繼透鏡均為雙膠合透鏡；其中分光棱鏡的光接收面和光出射面分別鍍制增透膜，棱鏡位于物鏡1倍焦距內(nèi)，其主截面平行于入射光線，并且棱鏡入射面垂直于光軸方向；物鏡和中繼透鏡為共軛透鏡，即物鏡的像方焦點(diǎn)和中繼透鏡的物方焦點(diǎn)重合；外部高亮度光源位于物鏡的等效焦距處；2)哈特曼傳感器由哈特曼透鏡陣列、CMOS接收器構(gòu)成；哈特曼透鏡陣列包括一批焦距、口徑相同的平凸透鏡通過(guò)粘連、切割手段制作而成，透鏡陣列位于中繼透鏡的像空間；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(lái)自樣品的發(fā)射光，并將每個(gè)像素的灰度值存入已分配好的動(dòng)態(tài)內(nèi)存中；CMOS接收器的輸出端與計(jì)算機(jī)的輸入端相連，通過(guò)設(shè)計(jì)的計(jì)算機(jī)中的數(shù)據(jù)采集模塊將存入CMOS接收器的光信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)并傳輸?shù)接?jì)算機(jī)中進(jìn)行處理。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種基于哈特曼傳感器的薄膜應(yīng)力測(cè)量裝置，屬于物理領(lǐng)域里的光學(xué)分領(lǐng)域。該裝置包括自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)和哈特曼傳感器；自準(zhǔn)直成像系統(tǒng)由分光棱鏡、物鏡、中繼透鏡構(gòu)成。分光棱鏡為消偏振分光直角棱鏡，棱鏡的；物鏡和中繼透鏡均為雙膠合透鏡。哈特曼傳感器由哈特曼透鏡陣列、CMOS接收器構(gòu)成。哈特曼透鏡陣列由一批焦距、口徑相同的平凸透鏡通過(guò)粘連、切割等手段制作而成，透鏡陣列位于中繼透鏡的像空間。該裝置能夠以自適應(yīng)形式避免由于鍍膜設(shè)備振動(dòng)而造成的較大誤差，測(cè)量精度高、操作簡(jiǎn)便、價(jià)格低廉并且在線、離線均能使用。
文檔編號(hào)G01B11/16GK101726471SQ20091025001
公開(kāi)日2010年6月9日 申請(qǐng)日期2009年12月1日 優(yōu)先權(quán)日2009年12月1日
發(fā)明者冷健, 盧維強(qiáng), 張楠, 王華清, 薛唯 申請(qǐng)人:北京理工大學(xué)