一种基于哈特曼传感器的薄膜应力测量装置 【技术领域】
本发明涉及一种基于哈特曼传感器的薄膜应力测量装置，属于物理领域里的光学分领域。
背景技术
薄膜应力是薄膜制备过程中的普遍现象，几乎所有的薄膜都处于某种应力之中。应力的存在对各种微电子电路、薄膜电子元器件、薄膜光学元器件及薄膜磁介质的成品率、稳定性、可靠性以及使用寿命等都有极其不利的影响。薄膜制备工艺过程中对薄膜应力的掌控是薄膜领域中的重大课题，其中对薄膜应力的测试极其关键。
目前用于测量薄膜应力的方法主要有：基片变形法、X射线衍射法、Raman光谱法等。但由于受衍射强度偏低、衍射峰畸变、宽化等因素的限制，X射线衍射法用于测定厚度小于几十纳米薄膜应力时有很大的困难。而用Raman光谱法测定薄膜应力时，应力因子得到的结果并不统一，因此根据波谱位移量计算出的应力结果不一致。此外X射线衍射法要用到X射线管和Raman光谱法要用到气体激光器，这些设备都比较昂贵，不利于产品推广。
基片变形法由于其简单和非破坏性的特点，而被广泛用于薄膜的测量。传统的基片变形法主要基于激光器，利用光的反射、干涉和衍射理论，对已镀膜基板的表面变形量进行测量，然后将变形量值代入应力与变形量的关系式中，得到待测薄膜的应力值。这不仅对镀膜环境提出了比较苛刻的要求，并当应力测量装置安装在镀膜机上时更要求设计复杂系统以减小由于镀膜机振动造成的测量误差。
【发明内容】
本发明的目的在于克服现有技术测量误差大，对镀膜系统设备要求高的缺点，提供一种基于哈特曼传感器的薄膜应力测量装置。该装置能够以自适应形式避免由于镀膜设备振动而造成的较大误差，测量精度高、操作简便、价格低廉并且在线、离线均能使用。
本发明的发明点为以哈特曼传感器代替传统激光器，运用在薄膜应力测量装置中。
本发明一种基于哈特曼传感器的薄膜应力测量装置包括自准直成像系统和哈特曼传感器。
1)自准直成像系统由分光棱镜、物镜、中继透镜构成。分光棱镜为消偏振分光直角棱镜，棱镜的；物镜和中继透镜均为双胶合透镜。其中分光棱镜的光接收面和光出射面镀制增透膜，棱镜位于物镜1倍焦距内，其主截面平行于入射光线，并且棱镜入射面垂直于光轴方向；物镜和中继透镜为共轭透镜，即物镜的像方焦点和中继透镜的物方焦点重合。外部高亮度光源位于物镜的等效焦距处。
2)哈特曼传感器由哈特曼透镜阵列、CMOS接收器构成。哈特曼透镜阵列由一批焦距、口径相同的平凸透镜通过粘连、切割等手段制作而成，透镜阵列位于中继透镜的像空间。CMOS接收器采用高分辨率感光面，感光面位于哈特曼透镜阵列的焦距处，接收来自样品的发射光，并将每个像素的灰度值存入已分配好的动态内存中。CMOS接收器的输出端与计算机的输入端相连，通过设计的计算机中的数据采集模块将存入CMOS接收器的光信号转换成数字信号并传输到计算机中进行处理。
本发明一种基于哈特曼传感器的薄膜应力测量装置的工作过程为：在所测量样品镀膜开始前，先将计算机的数据采集与处理模块初始化，然后设定采集数据阈值。外部高亮度光源发出的光从测量装置的光纤入射，经分光棱镜分光，通过物镜后垂直入射到样品表面，平行光被测量样品表面反射后，再经中继透镜转换成平行光，然后经哈特曼透镜阵列成像到CMOS接收器感光面，通过调节外部光源，使得光斑尽量落于CMOS感光面中心区域。镀膜开始时，软件系统实时将CMOS接收器动态内存中的数据读取入计算机，以其中心光斑的质心为参考点，计算出外侧的光斑质心距离此参考点的距离变化，再根据形变及应力公式计算出应力变化。如将该装置与晶控仪配合使用还可绘制出薄膜应力随膜厚的变化曲线。
有益效果：
本发明以待测样品表面的中心区域作为基准，测量周围区域相对于基准的变化量，以自适应形式避免了由于镀膜设备振动的影响而造成测量误差，并能够实现对单层膜、多层膜地应力在线测量与在线控制，且可以搭建到任一台镀膜机上，装置兼容性好。而在离线状态下，本发明还可以作为一台高精度的表面形状测试仪，分析工件在镀膜前后表面变形情况以及工件使用环境对膜层应力的影响等。
【附图说明】
图1是本发明一种基于哈特曼传感器的薄膜应力测量装置的机械结构图，图中，1-物镜、2-固定底板、3-调节底座、4-调节球、5-立板、6-三角板、7-物镜筒、8-棱镜座、9-垫块、10-光纤调节固定板、11-CMOS固定板、12-光纤调节架、13-中继透镜筒、14-像光阑、15-像调节镜筒、16-压圈、17-中继透镜座、18-调节螺钉、19-CMOS调节底座、20-螺钉、21-调节侧板、22-CMOS接收器、23-哈特曼透镜阵列、24-窗口玻璃、25-中继透镜、26-光纤固定座、27-光纤头、28-光纤、29，30-物镜光阑、31-压片、32-分光棱镜。
【具体实施方式】
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，但不应以此限制本发明的保护范围。
本发明一种基于哈特曼传感器的薄膜应力测量装置包括自准直成像系统、哈特曼传感器。其中自准直成像系统由分光棱镜32、物镜1、中继透镜25构成；哈特曼传感器由哈特曼透镜阵列23、CMOS22接收器构成。本次测量的外部光源选择由高亮度蓝光聚光LED和光纤组成，光源从光纤处入射，经分光棱镜分光，通过物镜后垂直入射到样品表面，平行光被样品表面反射后，再经中继透镜转换成平行光，然后经哈特曼透镜阵列成像到CMOS接收器感光区，最后CMOS接收器将接收到的光信号转换为数字信号后传输给计算机。
CMOS感光区域设定的分辨率为1280×768，将每个像素的灰度值存入已分配好的动态内存中。用一个一维数组Array记录每个像素的位置Array[x+1280*y]，其中x为像素的横坐标，取值范围：01279，y为像素的纵坐标，取值范围：0767。这样就得到了质心公式所必须的横纵坐标和对应的灰度值。
以中心光斑的质心为参考点，利用两点间的距离公式分别计算出外侧的光斑质心距离此参考点的距离Di。镀膜过程中实时记录距离变化：ΔD＝Dit-Di0。根据公式求得当光斑位置产生ΔD的偏移时样品实际的形变量δ。最后根据应力公式：求得薄膜的应力值。当利用上述膜应力测量装置进行在线测量薄膜应力时，薄膜厚度tf为晶控仪实时采集的薄膜厚度值；当利用上述膜应力测量装置进行离线测量薄膜应力时，tf必须为已知薄膜厚度值。
当实验所选取的光源的直径为50μm，哈特曼透镜尺寸为1.2mm×1.2mm，焦距为20mm，物镜焦距为210mm，中继透镜焦距为40mm，CMOS的像素尺寸为5.2μm×5.2μm时，该装置可使光斑质心的探测精度优于1/10CMOS像素尺寸，即Δx≤0.52μm。装置的面形测量精度为当衬底采用硅材料，衬底厚度ts＝250μm，薄膜厚度tf＝300nm，硅衬底杨氏模量Es＝155.8GPa，泊松比ηs＝0.2152，样品直径Ds＝31.5mm时，根据应力公式求得薄膜的应力值为0.86×106Pa，即本发明的应力测量装置灵敏度为0.86×106Pa。而在同样的试验参数下，林晓春等人发明的“基于自会聚多光束阵列的薄膜应力传感器”的灵敏度为2.5×106Pa。而国外Bicker等人发明的“利用双路光反射现场测量薄膜应力装置”的灵敏度为4.4×106Pa。