薄膜应力监测装置及其使用方法与流程

1.本发明涉及薄膜装置技术领域，特别是涉及薄膜应力监测装置及其使用方法。


背景技术：

2.用通常方法加工的各种零件是在良好的热平衡状态下制造的。即使如此，仍然会存在一定程度的残余应力。与此相对，多数薄膜不是在热平衡状态下制造的，而是从岛状构造开始合成一体生产而成的。各个岛或是固体，或是液体，都不是在热平衡状态下充分地合成一体的，合成一体后也不可能是充分退火态的。在真空中制成的薄膜，可以肯定会残留一定的应力。它的大小因制作工艺条件的不同而不同。产生应力的原因很复杂，主要有两种：一是由于薄膜和基底的热膨胀不同引起的，成为热应力；一种是薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的，称为内应力。为了更好的研究薄膜生长过程中的应力变化，在薄膜制备过程中全覆盖式实时测量应力是非常必要的。现有的薄膜应力监测装置结构较为复杂，容易在监测过程中产生较大偏差，操作繁琐。


技术实现要素：

3.基于此，有必要针对上述问题，提供一种结构简单，操作便捷的薄膜应力监测装置及其使用方法。
4.一种薄膜应力监测装置，包括安装件、发射件、滤光件和接收件，所述安装件内形成有安装腔；所述发射件安装在所述安装腔的一侧内壁上，所述发射件用于发射激光，与所述发射件相对的另一侧内壁上用于设置待测件；所述滤光件设置在所述发射件和所述待测件之间，所述发射件发射的激光能够通过所述滤光件到所述待测件上，所述待测件能够反射激光至所述滤光件上，所述滤光件能够折射所述激光形成折射激光；所述接收件设置在安装有所述发射件的一侧内壁上，所述接收件能够接收所述折射激光。
5.在一个实施例中，所述发射件发射的激光能够垂直射入所述滤光件，所述待测件反射的激光呈锐角或钝角射入所述滤光件。
6.在一个实施例中，所述滤光件的折射率大于或等于95％。
7.在一个实施例中，所述薄膜应力监测装置还包括数据采集件，所述数据采集件和所述接收件电性连接，所述接收件接收所述折射激光后能够生成激光信息，所述数据采集件用于存储激光信息。
8.在一个实施例中，所述薄膜应力监测装置还包括信息处理件，所述信息处理件和所述数据采集件电性连接，所述信息处理件能够将所述激光信息转换为数字信息。
9.在一个实施例中，所述发射件安装在所述安装腔的一侧内壁的中心点上，所述接收件设置在所述发射件的一侧并紧贴所述发射件设置。
10.一种薄膜应力监测装置的使用方法，包括以下步骤：
11.启动发射件，并调整接收件，使其能够接收到滤光件折射后的激光得到初始激光信息；
12.对待测件进行镀膜，所述发射件发射的激光通过滤光件照射到镀膜上，并反射会滤光件上，所述滤光件对反射的激光进行折射后，折射激光被接收件感知得到镀膜激光信号；
13.信息处理件对初始激光信号和镀膜激光信号进行比对得到应力信息。
14.在一个实施例中，所述启动发射件，之前包括：
15.在所述信息处理件上设置所述待测件的弹性模量、泊松比、厚度、长度、反射光程以及所述接收件的采样间隔时间。
16.在一个实施例中，启动发射件，之前还包括：
17.测量安装腔的一侧内壁的中心点；
18.安装所述发射件在所述中心点上；
19.将所述接收件紧贴所述发射件设置；
20.将所述待测件对应所述发射件设置，所述发射件发射的激光能够照射在所述待测件上；
21.安装所述滤光件位于所述发射件和所述待测件之间，以使所述激光能够穿过所述滤光件达到所述待测件上，所述待测件反射的激光能够穿过所述滤光件达到所述接收件上。
22.在一个实施例中，信息处理件对初始激光信号和镀膜激光信号进行比对得到应力信息，之后包括：
23.结束镀膜，关闭发射件、接收件和信息处理件，应力检测结束；或
24.结束镀膜，在一段结束时间后，关闭发射件、接收件和信息处理件，应力检测结束。
25.上述薄膜应力监测装置及其使用方法，将发射件设置在安装件的安装腔内，并位于安装腔的一侧内壁上。接收件设置在安装有发射件的同一侧内壁上。待测件也设置在安装腔内位于发射件相对的一侧内壁，并位于发射件的激光照射范围内。进一步将滤光件设置在发射件和待测件之间，发射件发射的激光能够穿过滤光件达到待测件上，然后待测件反射激光，反射的激光穿过滤光件被接收件接收，得到了待测件镀膜后的镀膜激光信号。进而将初始激光信号和镀膜激光信号进行比对得到应力信息。薄膜应力监测装置的结构简单，操作方便快捷，通过对激光信息进行比对得到应力信息，也更加准确可靠，避免了结构复杂带来的测量偏差。
附图说明
26.构成本技术的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
27.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为一实施例中的薄膜应力监测装置的结构示意图。
29.图中各元件标记如下：
30.10、薄膜应力监测装置；100、安装件；110、安装腔；200、发射件；300、滤光件；400、
接收件；500、待测件；600、数据采集件；700、信息处理件。
具体实施方式
31.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
32.参阅图1，一实施例中的薄膜应力监测装置10，包括安装件100、发射件200、滤光件300和接收件400，所述安装件100内形成有安装腔110；所述发射件200安装在所述安装腔110的一侧内壁上，所述发射件200用于发射激光，与所述发射件200相对的另一侧内壁上用于设置待测件500；所述滤光件300设置在所述发射件200和所述待测件500之间，所述发射件200发射的激光能够通过所述滤光件300到所述待测件500上，所述待测件500能够反射激光至所述滤光件300上，所述滤光件300能够折射所述激光形成折射激光；所述接收件400设置在安装有所述发射件200的一侧内壁上，所述接收件400能够接收所述折射激光。
33.将发射件200设置在安装件100的安装腔110内，并位于安装腔110的一侧内壁上。接收件400设置在安装有发射件200的同一侧内壁上。待测件500也设置在安装腔110内位于发射件200相对的一侧内壁，并位于发射件200的激光照射范围内。进一步将滤光件300设置在发射件200和待测件500之间，发射件200发射的激光能够穿过滤光件300达到待测件500上，然后待测件500反射激光，反射的激光穿过滤光件300被接收件400接收，得到了待测件500镀膜后的镀膜激光信号。进而将初始激光信号和镀膜激光信号进行比对得到应力信息。薄膜应力监测装置10的结构简单，操作方便快捷，通过对激光信息进行比对得到应力信息，也更加准确可靠，避免了结构复杂带来的测量偏差。
34.在一个实施例中，所述发射件200发射的激光能够垂直射入所述滤光件300。所述待测件500反射的激光呈锐角或钝角射入所述滤光件300。发射件200发射的激光垂直射入滤光件300内避免滤光件300使激光发生折射，影响激光照射至待测件500上的位置，也能保证接收件400的接受位置准确，保证接收信息的精度，使得接收数据更加稳定可靠。待测件500的反射角度可能会受到滤光件300的折射率影响，也可能会受到镀膜薄膜的影响。理想状态下待测件500反射的激光呈趋近于90
°
的角度射入滤光件300内。
35.在一个实施例中，所述发射件200安装在所述安装腔110的一侧内壁的中心点上，所述接收件400设置在所述发射件200的一侧并紧贴所述发射件200设置。以发射件200的位置为基点，继而确定接收件400、待测件500和滤光件300的安装位置。安装精度要求在
±
1nm内。
36.在一个实施例中，所述发射件200为半导体激光器。半导体激光器的光束光强应尽量大并且稳定。半导体激光发射器又称激光二极管，是用半导体材料作为工作物质的激光发射器。由于物质结构上的差异，不同种类产生激光的具体过程比较特殊。常用工作物质有砷化镓(gaas)、硫化镉(cds)、磷化铟(inp)、硫化锌(zns)等。激励方式有电注入、电子束激励和光泵浦三种形式。半导体激光器件，可分为同质结、单异质结、双异质结等几种。同质结激光器和单异质结激光器在室温时多为脉冲器件，而双异质结激光器室温时可实现连续工作。在其他实施例中，所述发射件200还可以为其他类型的发射件200，或者其他只要能够保
证光束强度和稳定性的激光器均可。
37.可选地，所述发射件200为氦氖气体激光器。氦氖激光器(helium-neon gas laser)通常在可见光频段工作，其他还有1.1523μm及3.3913μm。功率一般约数毫瓦，连续发光。因为制造方便、较便宜、可靠，所以使用较多。由于单色性好，相干长度可达数十米以致数百米。氦氖激光器结构分为内腔式、外腔式和半内腔式。氦氖激光器放电毛细管内充以氦氖混合气体，其气压比为5：1到10：1，总压强为133.3～266.6帕(1～2毫米汞柱)。激光工作物质是氖，起受激辐射作用，氦为辅助气体，起传递能量作用。放电管的阳极一般用钨棒制成，阴极为铝或钼圆筒。内腔式的氦氖激光器中放电管与谐振腔固定在一起，使用方便，无需调整谐振腔，反射镜和放电管之间没有窗片相隔，光能损失少，但因放电使管受热变形导致激光输出下降，稳定性变差，且管长度越长，稳定性越差。而相反外腔式的氦氖激光器中放电管与谐振腔完全分开，放电管两端固定两块呈一特殊倾角的窗片。反射镜安装在窗片外，可进行调整以适应多种实验的要求。腔体受温度影响较小，输出的激光为线偏振光。缺点是使用不方便，窗片与轴线的夹角不易调准，影响输出功率。半内腔式氦氖激光器中谐振腔中的一块反射镜与放电管固定在一起，另一块则与放电管分开，并综合上述两种结构的优点，是一种比较理想的激光器。氦氖激光器的输出功率和激光频率的稳定性容易控制，光束的单色性、相干性和方向性均好，器件寿命长，结构简单，价格较低，在工农业生产、科研和教学等方面的应用日趋广泛，尤其在精密计量、准直导向、流体的流速流量测量和全息照相等方面发挥着重要作用。
38.在一个实施例中，所述待测件500为晶圆。对晶圆进行镀膜后，然后通过激光对晶圆上的薄膜进行应力监测。
39.在一个实施例中，所述滤光件300的折射率大于或等于95％。避免滤光件300对激光的折射影响减小。进一步保证薄膜应力装置的准确性和可靠性。
40.在一个实施例中，所述安装腔110内设置有安装架，所述滤光件300设置在所述安装架上。安装架能够进一步保证滤光件300的安装稳定。滤光件300能够拆卸地安装在安装架上。安装架能够拆卸地设置在安装腔110内。进一步保证薄膜应力监测装置10的实用性。
41.在一个实施例中，所述接收件400为光电位敏探测器。光电位敏探测器为高精度的光电探测器。利用光速与时间的关系，达到期间对光点位置敏感的目的。光电探测器是一种对入射光敏面上的光点位置敏感的光电器件，其输出信号与光点在光敏面上的位置有关。它是一种基于横向光电效应的光电位置敏感探测器。除了具有光电二极管阵列和电荷耦合器件的定位性能外，还具有灵敏度高、分辩率高、响应速度快和电路配置简单等特点。光电探测器的发展趋势是高分辨率、高线性度、快响应速度及信号采集处理等多功能集成。
42.在一个实施例中，所述薄膜应力监测装置10还包括数据采集件600，所述数据采集件600和所述接收件400电性连接，所述接收件400接收所述折射激光后能够生成激光信息，所述数据采集件600用于存储激光信息。数据采集件600为多功能数据采集卡。多功能数据采集卡能够存储激光信息并将接收件400接收到的激光信号转换为数字信号。
43.在一个实施例中，所述薄膜应力监测装置10还包括信息处理件700，所述信息处理件700和所述数据采集件600电性连接，所述信息处理件700能够将所述激光信息转换为数字信息。信息处理件700为计算机，计算机将多功能数据采集卡中的数字信号进行处理后将薄膜应力显示出来，更加直观。
44.一种薄膜应力监测装置10的使用方法，包括以下步骤：
45.启动发射件200，并调整接收件400，使其能够接收到滤光件300折射后的激光得到初始激光信息；
46.对待测件500进行镀膜，所述发射件200发射的激光通过滤光件300照射到镀膜上，并反射会滤光件300上，所述滤光件300对反射的激光进行折射后，折射激光被接收件400感知得到镀膜激光信号；
47.信息处理件700对初始激光信号和镀膜激光信号进行比对得到应力信息。
48.将发射件200设置在安装件100的安装腔110内，并位于安装腔110的一侧内壁上。接收件400设置在安装有发射件200的同一侧内壁上。待测件500也设置在安装腔110内位于发射件200相对的一侧内壁，并位于发射件200的激光照射范围内。进一步将滤光件300设置在发射件200和待测件500之间。在发射件200发射激光前先记录激光的初始激光信号，发射件200发射的激光能够穿过滤光件300达到待测件500上，然后待测件500反射激光，反射的激光穿过滤光件300被接收件400接收，得到了待测件500镀膜后的镀膜激光信号。进而将初始激光信号和镀膜激光信号进行比对得到应力信息。薄膜应力监测装置10的结构简单，操作方便快捷，通过对激光信息进行比对得到应力信息，也更加准确可靠，避免了结构复杂带来的测量偏差。
49.在一个实施例中，所述启动发射件200，之前包括：
50.在所述信息处理件700上设置所述待测件500的弹性模量、泊松比、厚度、长度、反射光程以及所述接收件400的采样间隔时间。
51.根据上述信息计算出薄膜应力。
52.在一个实施例中，启动发射件200，之前还包括：
53.测量安装腔110的一侧内壁的中心点；
54.安装所述发射件200在所述中心点上；
55.将所述接收件400紧贴所述发射件200设置；
56.将所述待测件500对应所述发射件200设置，所述发射件200发射的激光能够照射在所述待测件500上；
57.安装所述滤光件300位于所述发射件200和所述待测件500之间，以使所述激光能够穿过所述滤光件300达到所述待测件500上，所述待测件500反射的激光能够穿过所述滤光件300达到所述接收件400上。
58.根据发射件200的位置，以此为基点安装其他部件，保证薄膜应力监测装置10的安装可靠性和便捷性，也进一步保证监测结果的精确度。
59.在一个实施例中，信息处理件700对初始激光信号和镀膜激光信号进行比对得到应力信息，之后包括：
60.结束镀膜，关闭发射件200、接收件400和信息处理件700，应力检测结束；或
61.结束镀膜，在一段结束时间后，关闭发射件200、接收件400和信息处理件700，应力检测结束。
62.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或
位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
63.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。
64.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
65.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
66.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“上”、“下”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的，并不表示是唯一的实施方式。
67.以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
68.以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。