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一种跨尺度的薄膜应力测试系统及测试方法技术方案

技术编号:24796565 阅读:16 留言:0更新日期:2020-07-07 20:36
本发明专利技术设计了一种跨尺度的薄膜应力测试系统及测试方法,先将试样薄膜放置于试样板,通过氦氖激光经过不平整薄膜的反射光线,在阵线CCD的接受处理后光信号变成放大的电信号,计算机计算得到翘曲度,以及公式推导后得到薄膜宏观应力,确定需要进一步测量的区域。然后在不移动试样的情况下继续利用X射线衍射原理测量局部微观应力。X射线经过晶面反射得到若干束衍射线,利用X射线衍射条件得到晶面间变形,计算得到微观晶体受到应力。通过本发明专利技术的技术方法,可大大节省监测薄膜材料宏观翘曲状况和微观晶粒排列状态的时间与材料,并且根据测量结果实现对薄膜材料应力状态的检测。具有操作简单,快捷,节约时间成本,适用范围广泛的优点。

【技术实现步骤摘要】
一种跨尺度的薄膜应力测试系统及测试方法
本专利技术属于光测力学薄膜应力测量
,尤其涉及一种跨尺度的薄膜应力测试系统及测试方法。
技术介绍
多元化薄膜广泛应用在机载、星载和航天领域等科技领域。其与微电路的结合是薄膜领域中一个重要分支,称为薄膜电路。这是一种采用真空镀膜,溅射、电镀等成膜工艺,干、湿法刻蚀等成型技术制作芯片的多层互连电路结构。基于互连密度、线条精度高,薄膜技术可实现小孔金属化、制造无源电路集成元件、制造多层电路。由于所制作的元件参数范围广、精度高、集成度较高、尺寸小等突出特点,是高精领域很有竞争力的微波电路模块。薄膜的宏观失效过程,纳米级力学性能关联着材料寿命与微观结构状态性,所以定量检测薄膜材料应力状态有着重要的意义。曲率法测量薄膜应力:包括悬臂梁法、牛顿环法和干涉仪相位移式应力测量法。悬臂梁法是通过测量薄膜附着的基体弯曲变形程度获得薄膜宏观应力;牛顿环法利用镀膜后,薄膜产生的弯曲面与基体参考平面,产生干涉条纹这一现象。牛顿环间距与条纹数带入牛顿环应力公式,可求出应力值;干涉仪相位移式应力测量法运用CCD将薄膜曲面与参考平面干涉图形信号转换成数字信号得到薄膜曲率半径和其应力状态。X射线衍射方法:XRD(X-raydiffraction)方法是目前测量纳米级薄膜应力最常用的方法。以x射线衍射仪测量应力或应变,是来测定的。通过X射线衍射测量在应力作用下,测量晶格发生的畸变,利用Bragg衍射公式获得薄膜结构中微晶体晶面间距的变化得到薄膜微观应力值。目前常用薄膜应力测试方法只能测量或宏观或微观的一个尺度范围,且测定宏观尺度后追加测定点微观应力测量其定位易出现误差。缺少一个有效节省时间成本,同时测量多参量尺度的仪器。跨尺度的薄膜应力测试系统就是为了解决这些问题而专利技术的。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是,提供一种跨尺度的薄膜应力测试系统及测试方法,可实现省去跨尺度测量时定位步骤,快速原位测量,定位精度高、提高测量效率。本专利技术解决其技术问题所采用的技术方案是:首先提供一种跨尺度的薄膜应力测试系统,包含宏观测量模块与微观测量模块,分别为宏观与微观测量薄膜应变的应力测量途径模块,且宏观测量模块与微观测量模块组成部件空间交错布置,彼此检测光路互不影响,用于跨尺度同时定位连续测量式样指定区域应力状态。按上述技术方案,宏观测量模块中,宏观测量模块中,激光器发射、标准具在入射光路方向上顺序排列,线阵CCD、偏振器、接收器于反射光线路上顺序排列,使激光能被接收。经过外接计算机计算得到0.3-20m试样局部(80mm*80mm操作台)较大宏观应力(5MPa-50GPa)区域及平均应力值。激光器发射的激光经由标准具-线阵CCD-偏振器处理为若干束平行光束,被接收反射光,光强由于偏振而减弱,以免光电过饱和。按上述技术方案,微观测量模块中,发射器、主索勒狭缝、自动发散狭缝、射线罩依次排列在入射光路,使光线到达测角仪圆心轴伸出的样品盒,试样到探测器之间、衍射光路上依次排列狭缝-次索勒狭缝-防散射狭缝密封盒-单色器-探测器狭缝-探测器,使衍射光能被接收。发射器发出X射线入射光,经由主索勒狭缝-自动发散狭缝-射线罩三次限制高度和宽度方向发散,到达测角仪圆心轴伸出的样品盒,试样到探测器之间的衍射线经过狭缝-次索勒狭缝-防散射狭缝密封盒-单色器-探测器狭缝-探测器出理,对准Kα和限制发散和被接收。被接收的衍射信号录入外接计算机,获得衍射图谱得到衍射线位置、强度和线形数据,计算得到薄膜微观应力。按上述技术方案,所述激光器为氦氖激光器。按上述技术方案,探测器与试样台角速度比为2:1。本专利技术还提供一种跨尺度的薄膜应力测试方法,该方法包括如下步骤:步骤一,在宏观尺度测试薄膜的应力,将试样薄膜放置于试样板,利用光的干涉,氦氖激光经过不平整薄膜的反射光线,然后将光信号转变成放大的电信号;步骤二,通过计算机计算得到翘曲度,以及得到薄膜宏观应力,确定需要进一步测量的区域;步骤三,在微观尺度测试薄膜应力,在不移动试样的情况下继续利用X射线衍射测量局部微观应力,X射线经过晶面反射得到若干束衍射线;步骤四,利用X射线衍射条件得到晶面间变形,计算得到微观晶体受到应力。按上述技术方案,所述步骤一中,将光信号转变成放大的电信号具体通过阵线CCD进行处理。按上述技术方案,所述步骤二中,得到薄膜宏观应力具体为:式中,σf——所测薄膜的残余应力,Ms——基体杨氏模量,Mf——薄膜杨氏模量,hs——基体厚度,hf——薄膜厚度,ρ1——沉积薄膜前样品的曲率半径,ρ2——沉积薄膜后样品的曲率半径。按上述技术方案,所述步骤四中,得到微观晶体受到应力具体为:ψ——垂直平面与出入射线法线方向夹角,E——样品的杨氏模量,v——式样泊松比,dψ——不同ψ值时某晶面间距,d0——ψ=0时该晶面的晶面间距。本专利技术产生的有益效果是:通过本专利技术的技术方法,可大大节省监测薄膜材料宏观翘曲状况和微观晶粒排列状态的时间与材料,并且根据测量结果实现对薄膜材料应力状态的检测。本专利技术薄膜应力测试系统具有操作简单,快捷,节约时间成本,适用范围广泛的优点。附图说明下面将结合附图及实施例对本专利技术作进一步说明,附图中:图1是本专利技术实施例薄膜应力测试系统整体结构示意图;图2是本专利技术实施中宏观尺度曲率法测量平整薄膜应力原理;图3是本专利技术实施中宏观尺度曲率法测量弯曲薄膜应力原理;图4是本专利技术实施中微观尺度x射线衍射仪不同方位同族晶体晶面间距示意图;图5是本专利技术实施中微观尺度x射线衍射仪原理;图6是本专利技术实施例薄膜应力测试方法测试流程图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本专利技术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用以解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。本专利技术实施例中,如图1所示,包括X射线源1、主索勒狭缝2、自动发散狭缝3、防散射光栏4、样品盒5、接受狭缝7、次索勒狭缝8、防散射狭缝密封盒9、单色器10、探测器狭缝11、X探测器12、He-Ne激光器13、标准具14、偏振器15、线阵CCD16、测角仪17。氦氖激光器13发射的入射光被标准具14将分为若干束平行光束,随后发射于式样表面,线阵CCD16接收反射光。CCD图像传感器的功能是将光学信号转换为模拟电流信号,接下来放大和模数转换电流信号,光路图像经历了获取、存储、传输、处理和复现,最后计算机显示光斑的光强图象。应力使得试样微凹或微凸时,光斑的位置图象显示靠近或分开。光强由偏振器15只能通过振动方向与偏振片的相同的光而减弱,CCD不会光电过饱和。经过计算机计算可得试样局部宏观应力较大区域及平均应力值,以便进一步微观研究。X射线由发射器1发出,入射光路中主索勒狭缝2限制高度方向X射线发散,自动发散狭缝3限制宽度方向发散。防散射光栏4和11功能相同。测角仪17圆心轴向本文档来自技高网
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【技术保护点】
1.一种跨尺度的薄膜应力测试系统,其特征在于,包含宏观测量模块与微观测量模块,分别为宏观与微观测量薄膜应变的应力测量途径模块,且宏观测量模块与微观测量模块组成部件空间交错布置,彼此检测光路互不影响,用于跨尺度同时定位连续测量式样指定区域应力状态。/n

【技术特征摘要】
1.一种跨尺度的薄膜应力测试系统,其特征在于,包含宏观测量模块与微观测量模块,分别为宏观与微观测量薄膜应变的应力测量途径模块,且宏观测量模块与微观测量模块组成部件空间交错布置,彼此检测光路互不影响,用于跨尺度同时定位连续测量式样指定区域应力状态。


2.根据权利要求1所述的跨尺度的薄膜应力测试系统,其特征在于,宏观测量模块中,激光器发射、标准具在入射光路方向上顺序排列,线阵CCD、偏振器、接收器于反射光线路上顺序排列,使激光能被接收。


3.根据权利要求2所述的跨尺度的薄膜应力测试系统,其特征在于,微观测量模块中,发射器、主索勒狭缝、自动发散狭缝、射线罩依次排列在入射光路,使光线到达测角仪圆心轴伸出的样品盒,试样到探测器之间、衍射光路上依次排列狭缝-次索勒狭缝-防散射狭缝密封盒-单色器-探测器狭缝-探测器,使衍射光能被接收。


4.根据权利要求1或2所述的跨尺度的薄膜应力测试系统,其特征在于,所述激光器为氦氖激光器。


5.根据权利要求3所述的跨尺度的薄膜应力测试系统,其特征在于,探测器与试样台角速度比为2:1。


6.一种基于权利要求1-3任一项的跨尺度的薄膜应力测试方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:步骤一,在宏观尺度测试薄膜的应力,将试样薄膜放...

【专利技术属性】
技术研发人员:刘胜陈志文杨凡王晨阳马坤
申请(专利权)人:武汉大学
类型:发明
国别省市:湖北;42

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