专利名称：多探头微机膜厚测控装置的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种多探头的簿膜厚度测控装置。
薄膜厚度是薄膜研究和工业应用中的一个重要参数。薄膜的电阻率、电阻温度系数、磁阻、霍尔系数、热电系数、光学反射率、趋肤效应等参数均与薄膜厚度有密切的关系，测量这些参数必须知道薄膜的厚度。而且，人们在设计具有一定功能的薄膜时，对其厚度往往有比较严格的要求，这就需要在薄膜沉积过程中对膜厚进行实时的监控。
在真空系统中薄膜沉积时对膜厚进行实时监测的方法常用的主要有石英晶体振荡法、光学法、反射高能电子衍射法等。其中，石英晶体振荡法可用于监测光学膜、电学膜等多种膜的沉积；光学法主要用于光学膜的沉积；反射高能电子衍射法多用于分子束外延设备中，监测晶体材料的沉积，价格十分昂贵。目前，相应于上述方法的膜厚监控设备一般采用单片机，用数码管显示膜厚和薄膜沉积速率，不够直观。膜厚监测设备价格昂贵，使用的测量方法一般都是单一的(即多用石英晶体振荡法)，而且，只能进行单探头测量，在实际使用中具有很大的局限性。
本实用新型的目的在于设计一种使用微机控制、具有多探头测量、操作方便、工作稳定、成本低廉的膜厚测控装置。
本实用新型提出的微机膜厚测控装置由主计算机、计算机接口卡、数据采集卡、石英晶体探头、光探头、挡板驱动器经电路连接构成。其数据采集卡由两部分组成，一部分是对应于光探头并与光探头连接的光电数据采集器，它由光探头电路、计数器、移位寄存器经电路连接构成；另一部分是对应于石英晶体探头，并与石英晶体探头连接的振荡信号数据采集器，它由振荡器、计数器、驱动器和继电器、移位寄存器经电路连接构成。计算机接口卡(I/O接口卡)上设有清零、时基信号、移位信号、输入端口、输出端口。数据采集卡的各路计数器的一个端点与接口卡的清零点连结，用于对计数器清零。计数器的另一端点与接口卡的时基信号端连接。数据采信卡的移位寄存器的一个端点与接口卡的移位信号端连接，另一个端口分别与接口卡的输入端口(D0和D1)连接。各个挡板驱动器分别与接口卡的输出端口(C0和C1)连接。其结构框图如
图1所示。其中，仅给出石英晶体探头和光探头分别只有一路的线路框图，相应的数据采集卡、计算机接口卡的输入、输出端口也分别只有一路。相应的电原理图见图2所示。
本装置中，石英晶体探头和光探头可以多至16个，相应的数据采集卡的线路也可以多至16路，接口卡的输入端口、输出端口也分别有16个，对应的挡板驱动器也多至16个。
本装置中，数据采集卡和I/O接口卡之间采用多芯长屏蔽线连接，以实现二者之间的并行通信，采集卡和接口卡分开，可使微机与被测控镀膜机之间离有距离，例如10米，使在线测控比较方便、灵活。
本实用新型中，使用的石英晶体探头，对应于采用石英晶体振荡法。该方法利用压电石英晶体的厚度剪切模振荡的谐振基频与厚度有关这一性质。如果材料沉积到石英晶片的表面时就会改变谐振频率。测得谐振频率的改变量和改变的快慢就可知道沉积薄膜的厚度和速率。因此，本装置中就要测得石英晶体探头在薄膜沉积过程中振荡频率的变化。这里，首先由振荡电路产生振荡信号。计数器和移位寄存器实现频率的采集。图1中的时基信号用于控制计数器的门控方波，此信号为高电平时，计数器计数，采集探头的振荡信号；低电平时，计数器停止计数并将频率送入移位寄存器，接口卡发出移位信号，将频率按位移入接口卡，再送入计算机处理，最后接口卡发出计数器清零信号，准备下一次采集。这样，就完成了一次探头振荡频率的采集，经过微机实时处理，得到膜厚值和膜厚——时间曲线(如图3所示)。
本实用新型中使用的光探头，对应于采用光学法。该方法是通过监测薄膜的反射率或透射率的变化获知薄膜沉积的厚度。人们知道在光学薄膜沉积过程中，薄膜的反射率和透射率会随膜厚的增加而周期性地出现极大值和极小值。所以，只要适当地选择测量时的入射波长λ并控制薄膜沉积过程中出现极值的次数，即可使薄膜达到预定的厚度。在这里，关键是监测薄膜反射率或透射率的变化。我们采用一个半导体激光器，作为单色光源照射到薄膜表面，用一块光电池来接受反射光(也可是透射光)，随着薄膜沉积厚度的增加，反射光强(或透射光强)呈周期性变化，光电池的输出电压也随之变化。一般地，监测这个电压信号就可以了。但是，考虑到外界自然光和蒸发源发光的干扰，需要采取一定的降噪措施。本实用新型采用了降噪电路，它由滤波器、放大器、取绝对值、V-F转换电路连接组成。如图4所示。将该电路接于光探头与数据采集卡之间。使用该电路，可先滤去直流成份，得到幅度正比于光强的交流信号，再将交流信号放大，然后对交流部分取绝对值，输出直流电平，之后经过电压频率变换将直流电平变为振荡信号。这样，振荡频率就正比于反射光的光强了。关于振荡频率的采集与处理，与石英晶体探头的测量过程相似。
本实用新型中的接口卡设有两个8位的输入端口，可以接16个探头。另外，还有两个8位的输出端口，可以把一个输出端口设计成位控方式，让每一位通过驱动器控制一个挡板(0代表关挡板，1代表开挡板)，而把另一个输出端口设置成输出8位数字信号，输出薄膜沉积速率，将其经数模转换后反馈到温度控制仪器，用温度控制仪控制蒸发加热装置，从而实现对镀膜的控制。
本实用新型使用多探头，并采用微机控制，给膜厚测控带来很多方便，可以用多个探头监测多个蒸发源，掌握每个蒸发源的蒸发速率、沉积膜厚；在真空系统中不同位置放多个探头，可以测量整个系统中的膜厚分布。而且，一块接口卡可以接几块数据采集卡(只要相应的总数不超16个)，能够同时监测几台镀膜机。本装置操作方便，工作稳定，成本低廉。
图1为本实用新型结构框图图2为本实用新型电路原理图图3使用石英晶体探头测控获得的膜厚一时间曲线，其中(a)为镀A1的结果，(b)为镀MgF2的结果。
图4为光探头的降噪电路框图。
实施例从本装置的结构部件角度介绍，使用的各部件的型号参数，连接关系等。接口卡译码电路由六非门14HCO4，双四输入与非门CD4082和双四输入与非门CD4012组成，振荡器采用555时基振荡电路，可变分频器采用HC292，并行接口芯片使用两片可编程并行接口芯片82C55，每片82C55都有三个8位I/O口，缓冲驱动器用CD4041。
数据采集卡中，计数器使用了二片八位二进制计数器。74HC4040构成一路24位的计数器，移位寄存器则由三片并入/串出移位寄存器CD4021构成一路24位的移位寄存器，振荡器采用了非门振荡器。数据采集卡与I/O接口卡之间采用10米长的多芯屏蔽线连接。按图1和图4所示进行电路连接，经调试即得本装置。
权利要求1.一种多探头微机膜厚测控装置由主计算机、计算机接口卡、数据采集卡、石英晶体探头、光探头、挡板驱动器经电路连接构成，其特征在于数据采集卡由两部分组成，一部分为对应于光探头并与之连接的光电数据采集器，它由光探头电路、计数器、移位寄存器经电路连接构成；另一部分为对应于石英晶体探头并与之连接的振荡信号数据采集器，它由振荡器、计数器、驱动器和继电路、移位寄存器经电路连接构成；计算机接口卡上设有清零、时基信号、移位信号、输入端口、输出端口；数据采集卡的各路计数器的一个端点与接口卡的清零端连接，另一个端点与接口卡的时基信号端连接，移位寄存器的一个端点与接口卡的移位信号端连接，另一个端点分别与接口卡的输入端口连接；各挡板驱动器分别与接口卡的输出端口连接。
2.根据权利要求1所述的多探头微机膜厚测控装置，其特征在于石英晶体探头和光探头数量可多到16个，相应的数据采集卡的线路也可多至16路，接口卡的输入端口、输出端口分别多至16个，挡板驱动器也多至16个。
3.根据权利要求1或2所述的多探头微机膜厚测控装置，其特征在于数据采集卡和计算机接口卡之间采用多芯长屏蔽线连接以实现两者之间的并行通信。
专利摘要本实用新型涉及一种多探头的薄膜厚度测控装置。它由主计算机、计算机接口卡、数据采集卡、石英晶体探头、光探头、挡板驱动器等经电路连接构成。数据采集卡有两部分构成,分别对应石英晶体探头和光探头。探头可以多至16个。数据采集卡与接口卡之间由长屏蔽线连接。本实用新型使用多探头和微机测控,可以监测多个蒸发源,测量整个系统中的膜厚分布,并可同时监测风各镀膜机。本装置操作方便,工作稳定,成本低廉,易于推广使用。
文档编号G01B7/02GK2394194SQ9924023
公开日2000年8月30日 申请日期1999年11月9日 优先权日1999年11月9日
发明者陈国荣, 范智勇, 陈殿勇, 莫晓亮 申请人:复旦大学