薄膜应力测试仪的制作方法

薄膜应力测试仪的制作方法
【专利摘要】本实用新型涉及一种薄膜应力测试仪，用于测量镀膜后的基片上的薄膜应力，包括：用于放置基片的样品台；用于发射激光束的激光发射器，设置于所述样品台上方；激光探测仪，设置于所述样品台上方；用于将所述激光束反射到所述样品台上的基片的反光镜，设置于所述样片台上方，且相对于所述激光发射器发射的激光束的行进方向倾斜设置；以及用于接收所述基片反射的激光束、并将其反射到所述激光探测仪的半透镜，所述该半透镜位于所述样片台上方、反光镜下方且相对于所述激光束的行进方向倾斜设置；其中所述激光探测仪是激光光斑位敏探测仪。该薄膜应力测试仪可以提供较大的光程距离，激光探测仪分辨率达到30μm，有效提高测试精度。
【专利说明】薄膜应力测试仪
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及薄膜应力测量技术，更具体地说，涉及一种薄膜应力测试仪。
【背景技术】
[0002]目前薄膜技术广泛应用于微电子、信息、传感器、光学、太阳能、机械防护等领域。例如，金属材料可利用具有较好摩擦学性能和抗腐蚀性能的陶瓷薄膜作为防护膜。这类薄膜可以利用物理气相沉积工艺(PVD)制备。沉积态薄膜内一般都存在较高的残余压应力，且它在厚度方向上的数值可能差别很大。随着薄膜技术的广泛应用，薄膜的力学性能成为人们关注的焦点。其中残余应力、附着力和屈服强度是薄膜各项力学性能中导致薄膜失效的三个主要因素。
[0003]针对薄膜残余应力的测试技术，目前主流技术有X射线衍射法和基片弯曲法。
[0004]其中，利用X射线衍射法来测试薄膜应力有些难以克服的缺陷，例如:(I )X射线只能测量晶体材料的应力，而很多薄膜为非晶体材料；(2)晶体薄膜大多织构现象严重，而织构材料的X射线应力测量问题至今仍未很好解决；(3)当薄膜较薄时，为了增加衍射线的强度，有时不得不采用掠射法，此时有效Ψ角的变化范围很窄，测量精度难以保证；(4)X射线应力常数与材料的杨氏模量E有关，但薄膜的E难以测定，且其制备工艺及质量对E影响很大。这些问题都严重阻碍了 X射线衍射法在薄膜应力测试领域的应用。
[0005]以基片弯曲法为基础的薄膜应力测试技术，是当前应用最广泛的。在基片上沉积薄膜，通过薄膜沉积前 后基片曲率的变化情况，应用Stoney公式(式(I))计算薄膜应力。因其通过基片的力学参数(杨氏模量与泊松比)替代了不稳定的薄膜力学参数，进行计算，且操作简单，得到广泛应用。该技术的关键在于精确地测量薄膜沉积前后基片的曲率变化。
E-h2 f I l)η、
[0006]σ = —--—---------V I /
6(\^vs)-hf\R Rj
[0007]式中，O为薄膜应力，Es和Vs分别为基片的杨氏模量和泊松比，hs和hf分别为基片和薄膜的厚度，R0和R分别为基片在镀膜前、后的曲率半径。
[0008]为了精确测量基片的曲率半径，通常采用以下几种方法:光杠杆法、牛顿环法、反射云纹法等。
[0009]目前在售的美国的FSM128型，MOS型，韩国的RST型薄膜应力测试仪都采用了光杠杆的原理，日本FLX型薄膜应力采用了牛顿环干涉原理，北京光电技术研究所，也基于干涉原理，研制了“BGS型电子薄膜应力分布测试仪”。已有的几种光杠杆法应力仪，光程距离偏短，对基片平整度要求很高；光干涉原理测试曲率更是严重受限于薄膜(基片)表面的平整度，基本只能用于Si基片上功能薄膜的应力测试。对一些基片不平整、本身具有曲率(甚至曲率不规则)的基片表面的薄膜应力无法测试，如不锈钢表面的薄膜，合金钢表面的薄膜等。并且，现有的薄膜测试仪产品操作并不方便，以韩国的RST型应力仪为例，没有自动查找样品中心功能，样品长宽比和表面平整度限定严格，明显影响了薄膜应力测试范围和能力，特别是对于沉积于表面不够平整的不锈钢等基片上的薄膜应力，基本无法测量。[0010]图1是现有技术中采用光杠杆测试技术的薄膜应力测试仪的原理图。如图1所示，该薄膜应力测试仪包括激光发射器101、半透镜102、以及激光探测器103。在基片104的双面镀膜。对镀膜后的基片104进行单面薄膜腐蚀，单面薄膜腐蚀后的基片104因两面的薄膜应力不等而受力弯曲，形成拱形。将单面薄膜腐蚀后的基片104放置在测试平台上，激光发射器101发出的激光束经半透镜102后，到达基片104表面。之后，激光束被基片104反射，并到达半透镜102。半透镜102反射激光束，使得激光探测器103接收被基片104反射的激光束。移动基片104，被基片104反射的激光束也会随之发生偏转。记录基片104的移动步长和激光探测器103所接收的激光束的偏转角度，并进行计算，可以得到基片104的曲率半径。测量双面镀膜的基片104、以及被单面镀膜腐蚀后的基片104的曲率变化，从而计算薄膜的应力。
[0011]这种现有的薄膜应力测试仪的缺陷在于:基片样品端和激光探测器是分体式，每次使用前的校准对正工作十分复杂；采用四象限硅光电池制作的激光束探测仪，分辨率偏低，精度有待提高；没有自动查找样品中心功能，确定规则样品中心依靠手动调节，操作不便且精度不够；数据采集采用手动方式，操作过程繁琐，记录的数据点较少，精度偏低。
实用新型内容
[0012]本实用新型要解决的技术问题在于，针对现有技术中薄膜应力测试仪精度较低的缺陷，提供一种薄膜应力测试仪，可以提升测量精度。
[0013]本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是:构造一种薄膜应力测试仪，用于测量镀膜后的基片上的薄膜应力，包括:
[0014]用于放置基片的样品台；
[0015]用于发射激光束的激光发射器，设置于所述样品台上方；
[0016]激光探测仪，设置于所述样品台上方；
[0017]用于将所述激光束反射到所述样品台上的基片的反光镜，设置于所述样片台上方，且相对于所述激光发射器发射的激光束的行进方向倾斜设置；以及
[0018]用于接收所述基片反射的激光束、并将其反射到所述激光探测仪的半透镜，所述该半透镜位于所述样片台上方、反光镜下方且相对于所述激光束的行进方向倾斜设置；
[0019]其中所述激光探测仪是激光光斑位敏探测仪。
[0020]根据本实用新型所述的薄膜应力测试仪，所述薄膜应力测试仪还包括驱动所述样品台以预定步长移动的驱动装置、以及与所述驱动装置电连接的控制装置。
[0021]根据本实用新型所述的薄膜应力测试仪，所述驱动装置是步进电机。
[0022]根据本实用新型所述的薄膜应力测试仪，所述反光镜与所述激光束的行进方向呈45°夹角。
[0023]根据本实用新型所述的薄膜应力测试仪，所述预定步长是0.1_。
[0024]根据本实用新型所述的薄膜应力测试仪，所述激光探测仪是分辨率为30微米的激光光斑位敏探测仪。
[0025]根据本实用新型所述的薄膜应力测试仪，所述半透镜是透射率与反射率比例为4:6的单面镀膜的平面镜。
[0026]根据本实用新型所述的薄膜应力测试仪，所述薄膜应力测试仪还包括工作台，所述样品台设置在所述工作台上，所述激光探测仪固定在所述工作台上。
[0027]根据本实用新型所述的薄膜应力测试仪，所述工作台上固定设置有支架，所述反光镜和半透镜均固定在所述支架上。
[0028]实施本实用新型的薄膜应力测试仪，具有以下有益效果:提供了自动定位中心，自动测量，自动分析等功能，可以更简单的操作，经调节后的光路固定好，系统稳定，由于采用了高精度的激光光斑位敏探测器，可以得到更精确的结果。
【专利附图】

【附图说明】
[0029]下面将结合附图及实施例对本实用新型作进一步说明，附图中:
[0030]图1是现有技术中采用光杠杆测试技术的薄膜应力测试仪的原理图。
[0031]图2是本实用新型的薄膜应力测试仪的示意图。
[0032]图3是本实用新型的薄膜应力测试仪对镀膜前基片的曲率半径进行测量的应用实例。
[0033]图4是本实用新型的薄膜应力测试仪在普通测量模式下对镀膜前、后的不锈钢基片进行测量的应用实例。
[0034]图5是本实用新型的薄膜应力测试仪在原位测量模式下对镀膜前、后的不锈钢基片进行测量的应用实例。
[0035]图6是本实用新型的薄膜应力测试仪在原位测量模式下对镀膜前、后的不锈钢基片进行测量的另一个应用实例。
【具体实施方式】
[0036]为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
[0037]图2是本实用新型的薄膜应力测试仪200的示意图。本实用新型的薄膜应力测试仪200用于测量镀膜后的基片300上的薄膜残余应力、及其沿层深分布。在本实用新型的一个实施例中，对基片300双面镀膜。之后对双面镀膜的基片300上的薄膜采用化学腐蚀的方法进行单面剥离(只腐蚀溶解薄膜，不腐蚀基体，且对双面镀膜的基片进行单面保护)，采用薄膜应力测试仪200在相同的位置测量基片300在逐层剥离薄膜前、后的曲率半径，并计算得到基片300的曲率半径的变化量，进一步求得每层薄膜的残余应力。薄膜上的残余应力沿层深的分布通过逐层腐蚀薄膜，逐次测量实现。在本实用新型的另一个实施例中，在基片上单面沉积薄膜，采用薄膜应力测试仪200在相同的位置测量基片300在镀膜前、后的曲率半径，并进一步求得薄膜的残余应力。但在本实用新型的上下文中，将双面镀膜且单面剥离前、以及未镀膜的状态统称为“镀膜前”;将双面镀膜且单面剥离后、以及单面镀膜后的状态统称为“镀膜后”。本实用新型的薄膜应力测试仪200，不仅可以测量在未镀膜的基片上沉积薄膜的应力，也可以测量原本镀膜的基片继续镀膜后的新膜层的应力，即可用于多层膜的应力测量。
[0038]基片300在镀膜后，因两面的薄膜应力不等而受力弯曲，形成拱形，该拱形位于具有某曲率半径的大球面上。[0039]在本实用新型中，基片300的表面薄膜是可以产生镜面反射的表面薄膜，例如Si晶基片表面薄膜、玻璃表面薄膜等。若镀膜前的基片无镜片反射，可对其表面进行抛光处理(如不锈钢，合金等)，使得入射到基片300的光束可以被反射。样品台201由不反光的材料制成。
[0040]如图2所示，本实用新型的薄膜应力测试仪200包括:工作台206、设置在工作台206上的样品台201 ;用于发射激光束的激光发射器205，设置于工作台206和样品台201上方；设置于样片台201上方且固定在工作台206上的激光探测仪204 ;设置于样片台201上方且用于将激光束反射到样品台201上的基片300的反光镜202 ;以及用于接收基片300反射的激光束、并将其反射到激光探测仪204的半透镜203，该半透镜203位于样片台201上方、反光镜202下方且相对于激光束的行进方向倾斜设置。
[0041]具体而言，样品台201水平放置，将基片300放置在样品台201上。测量镀膜后的基片300时，使拱形朝上放置，且拱形所在球面的大圆与入射的激光束共面(理论认为双轴薄膜应力引起的基片弯曲使基片300表面呈规则球面)。将基片300的长轴方向定义为第一水平方向X。该薄膜应力测试仪200还包括驱动样品台201移动的驱动装置、以及与驱动装置电连接的控制装置。该驱动装置优选步进电机，可以以预定的步长来驱动样品台201沿着第一水平方向X移动，该步长可以是例如0.1mm,最低可设定为0.05mm,用64倍细分器，可控精度为8 μ m。
[0042]激光发射器205发射的激光束沿着水平方向行进。反光镜202相对于激光发射器205发射的激光束的行进方向(也就水平方向)倾斜设置，优选呈45°夹角，半透镜203设置在反光镜202的下方，与水平方向呈45°夹角。半透镜203是经单面镀膜加工的平面镜，优选透射率与反射率比例为4:6，其朝向反光镜202的一侧为未镀膜面，远离反光镜202的一侧为镀膜面。反光镜202将水平方向行进的激光束垂直向下反射、通过半透镜203后到达基片300上。基片3 00反射激光束到半透镜203，并经半透镜203的反射到达激光探测仪204。激光探测仪204安装在可水平调节的工作台上，且优选采用分辨率为30微米的激光光斑位敏探测仪，具有较高的精度，可更精确地探测激光光斑的移动距离。
[0043]优选地，在工作台206上，固定设置有支架207，反光镜202和半透镜203均固定在支架207上。
[0044]由于镀膜后的基片300具有曲率变化，样品台201沿着第一水平方向X的移动将带来激光束的偏转，激光探测仪204跟踪激光束的偏转。每次以运动步长I移动样品台201，激光探测仪204表面的激光光斑的对应移动距离为D，激光束的偏转角度与样品台201的水平移动距离存在线形关系，对应着测量点的曲率半径，如下式:
[0045]Λ = 2(Ι? —Af)---
AP⑴



KjL J
[0046]其中，R是基片300的曲率半径；I是样品台201沿着第一水平方向X移动的距离；D是激光探测仪204处的激光光斑的移动的距离出是样品台201到半透镜203中心的垂直距离与半透镜203中心到激光探测仪204表面的距离之和；hs是基片的厚度；H-hs代表光程长度。
[0047]根据镀膜前、后的基片300的曲率半径，可求得基片300的薄膜应力。[0048]若镀膜前的基片200为平直的基片，则测得的镀膜前的基片200的曲率半径为零。
[0049]由于所测量的基片300可能是规则形状的基片，也可能是不规则形状的基片，本实用新型的薄膜应力测试仪200特别设计了自动测量模式和半自动测量模式，其中自动测量模式针对规则形状的基片300设计，而半自动测量模式则针对不规则形状的基片300设计。
[0050]在自动测量模式下，按照如下步骤进行测量:
[0051]S1、控制装置控制驱动装置驱动样品台201沿着与第一水平方向X垂直的第二水平方向Y负向、以预定的步长持续运动一段距离。每运动预定的步长后，采集数据，记录运动的步长、以及激光探测仪204表面的激光光斑的对应移动距离D。由于基片300可反射激光束，最终到达激光探测仪204的激光光斑会具有对应的稳定坐标值；样品台201不反光，因此当激光束照射到样品台201时，激光探测仪204将无法接收到激光光斑，此时激光探测仪204所显示的坐标值是浮动的，不断变化，表明此时激光束已经离开样品台201。通过该方法，可以找到基片300在第二水平方向Y的左边缘。
[0052]S2、控制装置控制驱动装置驱动样品台201沿着第二水平方向Y正向、以预定的步长持续运动。每运动预定的步长后，采集数据，记录运动的步长、以及激光探测仪204表面的激光光斑的对应移动距离D。以与步骤SI类似的方法找到基片300在第二水平方向Y的右边缘。
[0053]S3、根据步骤S1、S2找到的基片300在第二水平方向的左边缘和右边缘，计算得到基片300的第一中心线，该第一中心线沿着垂直于第二水平方向Y的第一水平方向X延伸，第一中心线即是基片300的所在球面的大圆线，该大圆线沿着第一水平方向X延伸。
[0054]S4、沿着第一中心线，朝向第一水平方向X正向、以预定的步长持续运动。每运动预定的步长后，采集数据，记录运动的步长、以及激光探测仪204表面的激光光斑的对应移动距离D。以与步骤SI类似的方法找到基片300在第一水平方向X的前边缘。
[0055]S5、沿着第一中心线，朝向第一水平方向X负向、以预定的步长持续运动。每运动预定的步长后，采集数据，记录运动的步长、以及激光探测仪204表面的激光光斑的对应移动距离D。以与步骤SI类似的方法找到基片300在第一水平方向X的后边缘。
[0056]S6、根据步骤S4、S5找到的基片300在第一水平方向X的前边缘和后边缘，计算得到基片300的第二中心线。
[0057]S7、根据第一中心线和第二中心线，计算得到基片300的中心，SI?S7步骤可用来定位规则样品中心，实际测量中利用SI?S3步骤即可找到基片300所在球面的大圆线。
[0058]S8、使激光束位于大圆线的后边缘，并驱动样品台201带着基片300沿着第一水平方向X以预定的步长持续运动。每运动预定的步长后，采集数据，记录运动的步长1、以及激光探测仪204表面的激光光斑的对应移动距离D。根据运动的步长1、以及激光探测仪204表面的激光光斑的对应移动距离D计算得到基片300所在的大圆线的曲率半径。
[0059]为了避免误差，可以从大圆线的后边缘预留少许间隙后，开始以预定的步长运动并采集数据。
[0060]对基片300上的单面薄膜进行剥离，以S1-S8的步骤(或SI?S3，S8步骤)，计算镀膜前、后的基片300所在的大圆线在相同位置的曲率半径。或者，对基片300进行单面镀膜，以S1-S8的步骤，计算镀膜前、后的基片300所在的大圆线在相同位置的曲率半径。[0061]S9、根据计算得到的镀膜前、后的基片300的曲率半径求得薄膜的残余应力。
[0062]在半自动测量模式下，由于基片300的形状不规则，不能像自动测量模式那样自动查找基片300的中心，在半自动测量模式，按照如下步骤进行测量:
[0063]Al、使激光束位于基片300在第一水平方向X的前边缘或者后边缘，控制装置控制驱动装置驱动样品台201，沿着第一水平方向X以预定的步长持续运动，直至激光束到达基片300的相对后边缘或前边缘。每运动预定的步长后，采集数据，记录运动的步长1、以及激光探测仪204表面的激光光斑的对应移动距离D。根据运动的步长1、以及激光探测仪204表面的激光光斑的对应移动距离D计算得到基片300对应位置的曲率半径。
[0064]查找边缘的方法与自动测量模式相同，在此不再赘述。
[0065]为了避免误差，可以从基片300的后边缘预留少许间隙后，开始以预定的步长运动并采集数据。
[0066]A2、控制装置控制驱动装置驱动样品台201，沿着第二水平方向Y运动预定的间隔。
[0067]A3、控制装置控制驱动装置驱动样品台201，沿着第一水平方向X以预定的步长持续运动，直至激光束到达基片300的相对后边缘或前边缘。每运动预定的步长后，采集数据，记录运动的步长1、以及激光探测仪204表面的激光光斑的对应移动距离D。根据运动的步长1、以及激光探测仪204表面的激光光斑的对应移动距离D计算得到基片300对应位置的曲率半径。
[0068]A4、重复以上步骤A2、A3，直至沿着具有预定间隔的至少三条线对基片300采集数据。并根据在至少三条线上计算得到的曲率半径，得到基片300所在球面的曲率半径。由于基片300虽然是不规则形状，但是基片300的表面处于球面上，因此通过计算基片300所在球面的曲率半径，也可以作为基片300的曲率半径。
[0069]A5、根据计算得到的基片300镀膜前、后的曲率半径求得每层薄膜的残余应力。
[0070]图3是本实用新型的薄膜应力测试仪200对镀膜前基片的曲率半径进行测量的应用实例。采用该薄膜应力测试仪200对北京光学仪器厂生产的表面曲率为4000_的光学玻璃圆台进行测量。该光学玻璃圆台的直径X厚度为:100x22.75mm，光程H长度1187.5mm。图3中显示的样品宽度57_是由于自动查找大圆线时，没有选在直径位置(执行步骤SI?S3，S8)，显示样品长度/直径20mm是由于本次实验，I运行值设定为20mm长。如图3所示，该薄膜应力测试仪200测得的基片的曲率半径为3933.0mm，误差约为1.6%。由此可见，本实用新型的薄膜应力测试仪200的精度是比较高的。
[0071 ] 由于在现有技术中，通常通过人工移动样品台，每次的移动距离为4cm，再进行数据采集，移动距离不能精确控制，数据采集点较少。本申请采用控制装置来控制驱动装置，并通过控制装置来驱动样品台201，可以以较小的步长来进行驱动，例如0.1mm，可精确控制移动距离，且密集地进行数据采集，提高计算的精度。可通过在薄膜应力测试仪200上设置与控制装置相连的选择按钮，来实现对上述的自动测量模式和半自动测量模式的选择。
[0072]自动测量模式和半自动测量模式下，根据计算得到的基片300镀膜前、后的曲率半径求得每层薄膜的残余应力，根据镀膜前基片的状态，细分为两种模式。以下将详细描述。
[0073]若所采用的基片都是理想的平直形状，在未镀模时，样品台201沿着第一水平方向X移动的距离I不会使激光束产生偏转，对应的1-D曲线是水平线。已知在基片上镀膜，由于薄膜应力使得镀膜后的基片300的曲率发生变化，且受到薄膜应力的影响，样品台201沿着第一水平方向X移动的距离I与激光探测仪204处的激光光斑的移动的距离D之间呈线性关系，对应的1-D曲线呈倾斜的直线状。也就是，薄膜应力对1-D曲线的影响是线性的。
[0074]但在实际应用中，由所采用的基片可能有各种类型，其中一种是镀膜前表面平直的基片，例如玻璃板；这种基片本身不会对镀膜后基片300的曲率测量带来影响。在测试过程中，样品台201沿着第一水平方向X移动的距离I与激光探测仪204处的激光光斑的移动的距离D之间呈线性关系，1-D曲线呈倾斜的直线状。另一种是镀膜前本身并不平直、具有曲率的基片，例如不锈钢板等，这一种基片在镀膜前本身不平，1-D曲线呈曲线或者波浪形，对于镀膜后基片300的曲率半径的测试会具有不良影响。按照普通的测量方法，薄膜应力对1-D曲线的影响不再呈现为线性，导致测量结果产生误差。
[0075]本申请的薄膜应力测试仪200特别考虑了这两种类型的基片300，具有普通测量模式和原位测量模式。
[0076]在普通测量模式下，通过以上第(2)式计算各个测量点的曲率半径，然后通过镀膜前、后同一位置的曲率半径变化来计算薄膜应力，也就是:
[0077]
【权利要求】
1.一种薄膜应力测试仪，用于测量镀膜后的基片上的薄膜应力，其特征在于，包括: 用于放置基片的样品台； 用于发射激光束的激光发射器，设置于所述样品台上方； 激光探测仪，设置于所述样品台上方； 用于将所述激光束反射到所述样品台上的基片的反光镜，设置于所述样片台上方，且相对于所述激光发射器发射的激光束的行进方向倾斜设置；以及 用于接收所述基片反射的激光束、并将其反射到所述激光探测仪的半透镜，所述该半透镜位于所述样片台上方、反光镜下方且相对于所述激光束的行进方向倾斜设置； 其中所述激光探测仪是激光光斑位敏探测仪。
2.根据权利要求1所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述薄膜应力测试仪还包括驱动所述样品台以预定步长移动的驱动装置、以及与所述驱动装置电连接的控制装置。
3.根据权利要求2所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述驱动装置是步进电机。
4.根据权利要求1所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述反光镜与所述激光束的行进方向呈45°夹角。
5.根据权利要求2所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述预定步长是0.1mm。
6.根据权利要求1所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述激光探测仪是分辨率为30微米的激光光斑位敏探测仪。
7.根据权利要求1所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述半透镜是透射率与反射率比例为4:6的单面镀膜的平面镜。
8.根据权利要求1所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述薄膜应力测试仪还包括工作台，所述样品台设置在所述工作台上，所述激光探测仪固定在所述工作台上。
9.根据权利要求8所述的薄膜应力测试仪，其特征在于，所述工作台上固定设置有支架，所述反光镜和半透镜均固定在所述支架上。
【文档编号】G01L1/24GK203688116SQ201320839499
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年12月18日 优先权日:2013年12月18日
【发明者】赵升升, 程毓 申请人:深圳职业技术学院