薄膜應(yīng)力測(cè)試方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，通過以下步驟分別測(cè)量鍍膜前、后的基片的曲率半徑：1）將基片放置在樣品臺(tái)上；2）使激光器產(chǎn)生的入射激光束，穿過半透鏡到達(dá)所述基片，經(jīng)基片反射回半透鏡，再由半透鏡反射至激光探測(cè)儀；3）驅(qū)動(dòng)所述樣品臺(tái)運(yùn)動(dòng)，并采集數(shù)據(jù)，記錄運(yùn)動(dòng)的距離、以及所述激光探測(cè)儀表面的激光光斑的對(duì)應(yīng)移動(dòng)距離；4）對(duì)于鍍膜前表面平直的基片，通過普通測(cè)量模式的計(jì)算式計(jì)算薄膜應(yīng)力；對(duì)于鍍膜前表面不平直的基片，通過原位測(cè)量模式的計(jì)算式計(jì)算薄膜應(yīng)力。該測(cè)試方法可以有效提高測(cè)量精度。
【專利說明】薄膜應(yīng)力測(cè)試方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及薄膜應(yīng)力測(cè)量技術(shù)，更具體地說，涉及一種薄膜應(yīng)力測(cè)試方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前薄膜技術(shù)廣泛應(yīng)用于微電子、信息、傳感器、光學(xué)、太陽能、機(jī)械防護(hù)等領(lǐng)域。例如，金屬材料可利用具有較好摩擦學(xué)性能和抗腐蝕性能的陶瓷薄膜作為防護(hù)膜。這類薄膜可以利用物理氣相沉積工藝(PVD)制備。沉積態(tài)薄膜內(nèi)一般都存在較高的殘余壓應(yīng)力，且它在厚度方向上的數(shù)值可能差別很大。隨著薄膜技術(shù)的廣泛應(yīng)用，薄膜的力學(xué)性能成為人們關(guān)注的焦點(diǎn)。其中殘余應(yīng)力、附著力和屈服強(qiáng)度是薄膜各項(xiàng)力學(xué)性能中導(dǎo)致薄膜失效的三個(gè)主要因素。
[0003]針對(duì)薄膜殘余應(yīng)力的測(cè)試技術(shù)，目前主流技術(shù)有X射線衍射法和基片彎曲法。
[0004]其中，利用X射線衍射法來測(cè)試薄膜應(yīng)力有些難以克服的缺陷，例如:(1)X射線只能測(cè)量晶體材料的應(yīng)力，而很多薄膜為非晶體材料；(2)晶體薄膜大多織構(gòu)現(xiàn)象嚴(yán)重，而織構(gòu)材料的X射線應(yīng)力測(cè)量問題至今仍未很好解決；(3)當(dāng)薄膜較薄時(shí)，為了增加衍射線的強(qiáng)度，有時(shí)不得不采用掠射法，此時(shí)有效Ψ角的變化范圍很窄，測(cè)量精度難以保證；(4)X射線應(yīng)力常數(shù)與材料的楊氏模量E有關(guān)，但薄膜的E難以測(cè)定，且其制備工藝及質(zhì)量對(duì)E影響很大。這些問題都嚴(yán)重阻礙了 X射線衍射法在薄膜應(yīng)力測(cè)試領(lǐng)域的應(yīng)用。
[0005]以基片彎曲法為基礎(chǔ)的薄膜應(yīng)力測(cè)試技術(shù)，是當(dāng)前應(yīng)用最廣泛的。在基片上沉積薄膜，通過薄膜沉積前后基片曲率的變化情況，應(yīng)用Stoney公式(式(I))計(jì)算薄膜應(yīng)力。因其通過基片的力學(xué)參數(shù)(楊氏模量與泊松比)替代了不穩(wěn)定的薄膜力學(xué)參數(shù)，進(jìn)行計(jì)算，且操作簡(jiǎn)單，得到廣泛應(yīng)用。該技術(shù)的關(guān)鍵在于精確地測(cè)量薄膜沉積前后基片的曲率變化。
【權(quán)利要求】
1.一種薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，其特征在于，通過以下步驟分別測(cè)量鍍膜前、后的基片的曲率半徑: 1)、將基片放置在樣品臺(tái)上； 2)、使激光器產(chǎn)生的入射激光束，穿過半透鏡到達(dá)所述基片，經(jīng)基片反射回半透鏡，再由半透鏡反射至激光探測(cè)儀； 3)、驅(qū)動(dòng)所述樣品臺(tái)運(yùn)動(dòng)，并采集數(shù)據(jù)，記錄運(yùn)動(dòng)的距離、以及所述激光探測(cè)儀表面的激光光斑的對(duì)應(yīng)移動(dòng)距離； 4)對(duì)于鍍膜前表面平直的基片，通過以下計(jì)算式計(jì)算薄膜應(yīng)力:
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，其特征在于，在所述步驟3)中，驅(qū)動(dòng)所述樣品臺(tái)沿著第一水平方向正向、以預(yù)定的步長(zhǎng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)動(dòng)預(yù)定的步長(zhǎng)后，采集數(shù)據(jù)。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，其特征在于，針對(duì)規(guī)則形狀的基片，采用自動(dòng)測(cè)量模式進(jìn)行測(cè)量，在自動(dòng)測(cè)量模式下，所述步驟3)采用下述各步驟分別測(cè)量鍍膜前、后的基片: S1、驅(qū)動(dòng)所述樣品臺(tái)沿著與所述第一水平方向垂直的第二水平方向負(fù)向、以預(yù)定的步長(zhǎng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)動(dòng)預(yù)定的步長(zhǎng)后，采集數(shù)據(jù)，記錄運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)、以及激光探測(cè)儀表面的激光光斑的對(duì)應(yīng)移動(dòng)距離，直到激光束到達(dá)所述基片在第二水平方向的左邊緣； S2、驅(qū)動(dòng)所述樣品臺(tái)沿著第二水平方向正向、以預(yù)定的步長(zhǎng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)動(dòng)預(yù)定的步長(zhǎng)后，采集數(shù)據(jù)，記錄運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)、以及激光探測(cè)儀表面的激光光斑的對(duì)應(yīng)移動(dòng)距離，直到激光束到達(dá)所述基片在第二水平方向的右邊緣； S3、根據(jù)步驟S1、S2找到的基片在第一水平方向的左邊緣和右邊緣，計(jì)算得到基片的第一中心線，所述第一中心線沿著垂直于第二水平方向的第一水平方向延伸； S4、沿著第一中心線，朝向第一水平方向正向、以預(yù)定的步長(zhǎng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)動(dòng)預(yù)定的步長(zhǎng)后，采集數(shù)據(jù)，記錄運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)、以及激光探測(cè)儀表面的激光光斑的對(duì)應(yīng)移動(dòng)距離，直到激光束到達(dá)所述基片在第一水平方向的前邊緣； S5、沿著第一中心線，朝向第一水平方向負(fù)向、以預(yù)定的步長(zhǎng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)動(dòng)預(yù)定的步長(zhǎng)后，采集數(shù)據(jù)，記錄運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)、以及激光探測(cè)儀表面的激光光斑的對(duì)應(yīng)移動(dòng)距離，直到激光束到達(dá)所述基片在第一水平方向的后邊緣； S6、根據(jù)步驟S4、S5找到的基片在第一水平方向的前邊緣和后邊緣，計(jì)算得到基片的第二中心線； .57、根據(jù)第一中心線和第二中心線，計(jì)算得到基片的中心，從而找到基片所在的大圓線.58、使激光束位于大圓線的后邊緣，并驅(qū)動(dòng)樣品臺(tái)帶著基片沿著第一水平方向以預(yù)定的步長(zhǎng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，每運(yùn)動(dòng)預(yù)定的步長(zhǎng)后，采集數(shù)據(jù)，記錄運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)、以及激光探測(cè)儀表面的激光光斑的對(duì)應(yīng)移動(dòng)距離。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，其特征在于，針對(duì)不規(guī)則形狀的基片，采用半自動(dòng)測(cè)量模式進(jìn)行測(cè)量，在半自動(dòng)測(cè)量模式下，所述步驟3)采用下述各步驟分別測(cè)量鍍膜前、后的基片: Al、使激光束位于基片在第一水平方向的前邊緣或者后邊緣，驅(qū)動(dòng)樣品臺(tái)沿著第一水平方向以預(yù)定的步長(zhǎng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至激光束到達(dá)基片的相對(duì)后邊緣或前邊緣，每運(yùn)動(dòng)預(yù)定的步長(zhǎng)后，采集數(shù)據(jù)，記錄運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)、以及激光探測(cè)儀表面的激光光斑的對(duì)應(yīng)移動(dòng)距離； A2、驅(qū)動(dòng)樣品臺(tái)沿著垂直于所述第一水平方向的第二水平方向運(yùn)動(dòng)預(yù)定的間隔； A3、驅(qū)動(dòng)樣品臺(tái)沿著第一水平方向以預(yù)定的步長(zhǎng)持續(xù)運(yùn)動(dòng)，直至激光束到達(dá)基片的相對(duì)后邊緣或前邊緣，每運(yùn)動(dòng)預(yù)定的步長(zhǎng)后，采集數(shù)據(jù)，記錄運(yùn)動(dòng)的步長(zhǎng)、以及激光探測(cè)儀204表面的激光光斑的對(duì)應(yīng)移動(dòng)距離； A4、重復(fù)以上步驟A2、A3，直至沿著具有預(yù)定間隔的至少三條線對(duì)基片采集數(shù)據(jù)，并根據(jù)下式計(jì)算在至少三條線上計(jì)算得到的曲率半徑，得到基片所在球面的曲率半徑，該球面的曲率半徑作為所述基片的曲率半徑。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4任一項(xiàng)所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，其特征在于，通過步進(jìn)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)所述樣品臺(tái)運(yùn)動(dòng)。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，其特征在于，所述預(yù)定的步長(zhǎng)是0.1mm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，其特征在于，所述激光探測(cè)儀是分辨率為30微米的激光光斑位敏探測(cè)儀。
8.根據(jù)權(quán)利要求3或4所述的薄膜應(yīng)力測(cè)試方法，其特征在于，當(dāng)激光探測(cè)儀所顯示的坐標(biāo)值浮動(dòng)時(shí)，表明激光束離開所述樣品臺(tái)， 借此找到所述基片的前、后、左、右邊緣。
【文檔編號(hào)】G01L1/24GK103630277SQ201310700453
【公開日】2014年3月12日 申請(qǐng)日期:2013年12月18日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月18日
【發(fā)明者】趙升升, 程毓 申請(qǐng)人:深圳職業(yè)技術(shù)學(xué)院