阵列光束薄膜应力测量装置制造方法及图纸

本发明专利技术揭示了一种阵列光束薄膜应力测量装置，其包括多光束图形发生器和光束位置探测器。所述多光束图形发生器包括激光器、倒置望远准直光学系统、分束器和准直透镜。所述分束器可产生阵列光束，所述阵列光束由阵列排布的复数个相互平行的单束平行光束组成。故而，本发明专利技术构建的阵列光束薄膜应力测量装置可以测量微区薄膜应力分布，消除环境振动干扰带来的应力测量误差，提高薄膜应力测量精度。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及光电测量领域的一种薄膜应力测量装置，尤其涉及一种阵列光束薄膜应力测量装置。
技术介绍
薄膜材料与技术已广泛应用于大规模集成电路、电子元器件、平板显示、信息记录与存储、MEMS、太阳能电池、光通信和半导体照明等高新技术产业的各个领域。在薄膜制备过程中，薄膜与衬底热膨胀系数、晶格常数的不匹配会导致生长的薄膜存在应力，同时薄膜生长过程中微观结构的变化也会产生应力。过大的薄膜应力会导致薄膜开裂、卷曲甚至脱落现象发生。可以说，薄膜应力的大小直接影响着产品的成品率、稳定性、可靠性以及使用寿命等指标，薄膜应力测量装置对薄膜质量的控制和评价显得尤为重要。激光束偏转法是应用最广泛的薄膜应力测量方法，它利用激光束照射到具有微小弯曲的样品表面会使光束反射方向发生改变的特性，通过在较远处测量反射光斑位置的偏移来测量基片曲率变化，然后根据材料力学和弹性力学理论建立薄膜应力与衬底宏观形变量的关系，进而计算薄膜应力的大小。激光束偏转法更加灵敏、测量精度更高，并且测量过程中与样品表面不存在接触，测量装置可以放在离样品较远的位置，测量结果对薄膜生长设备产生的强电磁场以及高温环境不敏感，可以安装在薄膜沉积设备或材料外延设备外部，用于实时监测薄膜沉积过程中的应力变化。在激光束偏转法中，如图I所示，镀膜前、后衬底曲率变化与光斑位置变化之间的关系满足 cosdf SdK-Kq =—2L a0其中a为入射光束与衬底法线间的夹角，L为被测样品A与图像传感器B间的距离’ Sd为距离被测衬底表面L处反射光光斑位置的变化量，d0为薄膜沉积前距离被测衬底表面L处光斑的间距。在激光束偏转法中，单光束激光束偏转法因其容易受环境振动干扰影响而难以应用于在线薄膜应力测量，随后有学者提出采用双光束和多光束的方法加以改进。在多光束实现方法中，法布里-珀罗标准具利用光束在平片上下表面多次反射实现一维多光束分束功能，而达曼光栅是一种二元相位衍射光学元件，它是通过改变两种相位象元的占比和空间分布来实现多光束分束功能。然而，法布里-珀罗标准具和达曼光栅在设计和实现上具有一定的限制。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有激光束偏转法薄膜应力测量的问题，提出一种阵列光束薄膜应力测量装置，其可以测量微区薄膜应力分布，并可消除环境振动干扰带来的应力测量误差。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案一种阵列光束薄膜应力测量装置，包括多光束图形发生器和光束位置探测器，所述多光束图形发生器包括激光器、倒置望远准直光学系统、分束器和准直透镜，其特征在于所述分束器可产生阵列光束，所述阵列光束由阵列排布的复数个相互平行的单束平行光束组成。此外，本专利技术还提出如下附属技术方案 所述分束器具有衍射光栅结构。所述分束器为数字微镜器件。所述分束器为液晶空间光调制器。所述阵列光束的排布方式为四方排列。所述阵列光束的排布方式为六方排列。所述阵列光束的排布方式为蜂窝排列。所述阵列光束中的相邻光束中心之间的间距为0. 5 5mm。与现有技术相比，本专利技术的优点在于本专利技术的多光束图形发生器的分束器通过采用衍射光栅、数字微镜器件或液晶空间光调制器等光学器件来产生阵列光束，进而搭建了阵列光束薄膜应力测量装置，其可以测量微区薄膜应力分布，消除了环境振动干扰带来的应力测量误差，提高了薄膜应力测量精度。附图说明图I是薄膜应力测量原理图。图2是对应于本专利技术阵列光束薄膜应力测量装置的光路结构示意图。图3是对应于本专利技术较佳实施例I的阵列光束分布示意图。图4是对应于本专利技术较佳实施例2的阵列光束分布示意图。具体实施例方式为使本专利技术的阵列光束薄膜应力测量装置更易于理解，以下结合两个较佳实施例及其附图对本专利技术技术方案作进一步非限制性的详细说明。参阅图2，一种阵列光束薄膜应力测量装置，包括多光束图形发生器13、光束位置探测器15以及光束位置分离器17，其中多光束图形发生器13与光束位置探测器15互相垂直排布。上述多光束图形发生器13包括激光器I、倒置望远准直光学系统19、分束器5以及准直透镜6。其中，倒置望远准直光学系统19包括两个透镜2、4和位于该两个透镜2、4之间的光阑3组成。进一步参照图3和图4，上述分束器5可为衍射光栅、也可以是数字微镜器件，还可以是液晶空间光调制器。该分束器5可产生阵列光束52(52')，所述阵列光束52(52')由阵列排布的复数个相互平行的单束平行光束54(54')组成。该阵列光束52(52')的排布方式为四方排列、六方排列或蜂窝排列中的任一种。而且，所述阵列光束中的相邻光束中心之间的间距为0. 5 5mm。分束器5的衍射光栅结构、或数字微镜器件每个像素的反射角度与停留时间、或液晶空间光调制器每个像素的相位值，由四方排列、六方排列、或蜂窝排列的阵列光束52(52')作为目标函数通过GS算法或杨-顾算法计算获得。这样，上述激光器I发出的单束激光21经所述倒置望远准直光学系统19进行束斑尺寸压缩后入射到所述分束器5上并经所述准直透镜6形成阵列光束52(52')。上述光束位置探测器15包括成像光学系统10和图像传感器11，用于探测反射光束的位置分布信息。由光束位置分离器17射出的光束经成像光学系统10在图像传感器11的焦平面上成像，对成像结果进行处理即可获得反射光束的位置分布信息。所述光束位置分离器17设置在多光束图形发生器13与光束位置探测器15之间，多光束图形发生器13产出的光束经过所述光束位置分离器17后被被测薄膜9的表面反射，然后再次通过所述光束位置分离器17反射至所述光束位置探测器15。该光束位置分离器17包括偏振分光棱镜7和1/4波片8。 这样，由激光器I发出的一束激光经倒置望远准直光学系统19压缩束斑尺寸后入射到分束器5上并经准直透镜6准直形成相互平行的阵列光束52(52')，该阵列光束52(52')中振动方向平行于入射面的偏振分量直接透过偏振分光棱镜7，通过1/4波片8变换为圆偏振光后照射到被测薄膜9的表面，被被测薄膜9的表面反射后再次经过1/4波片8并被变换为振动方向垂直于入射面的线偏振光,进而被偏振分光棱镜7反射,最终经成像光学系统10在图像传感器11的焦平面上成像，显示出反射阵列光束的光斑位置分布信肩、O利用薄膜沉积前后反射光光斑位置变化量和Stoney方程按照如下公式计算出薄膜应力O E h] I SdCr = -T;-Tl— ,6 (l_v) hf 2L d0其中E为杨氏模量，V为泊松比，hf为薄膜厚度，hs为衬底厚度，L为被测衬底表面与图像传感器间的距离，6 d为距离被测衬底表面L处反射光光斑位置的变化量，d0为薄膜沉积前距离被测衬底表面L处光斑的间距。在薄膜应力离线测量中、或在薄膜沉积设备中以及或在材料外延设备中可应用本专利技术所提出的可产生阵列光束的薄膜应力测量装置来测量薄膜应力。可见，本专利技术的多光束图形发生器的分束器通过采用衍射光栅、数字微镜器件或液晶空间光调制器等光学器件来产生阵列光束，进而搭建了阵列光束薄膜应力测量装置，其可以测量微区薄膜应力分布，消除了环境振动干扰带来的应力测量误差，提高了薄膜应力测量精度。以上仅是本专利技术的两个较佳应用范例，对本专利技术的保护范围不构成任何限制。实际上，本领域技术人员经由本专利技术技术方案之启示，亦可想到采用上述方案搭建的阵列本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：方运，王逸群，王玮，张永红，朱建军，张宝顺，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：