CN201173895Y - 双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置 - Google Patents

Abstract

一种双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置，该装置包括搭建在镀膜机真空室外的半导体激光器、双光束分束准直器、晶控仪、位敏光电探测器、A/D采集卡和计算机，以及安装在真空室内的第三反射镜，晶控探头。半导体激光光束经过双光束分束准直器分成两束平行光，通过镀膜机观察窗口进入镀膜室，调整入射光照射到待测基片上，两束反射光经反射镜调整方向后由观察窗口出来，被位敏光电探测器接收，计算机实时采集位敏光电探测器信号和晶控仪关于薄膜厚度和速率的信息，进行数据处理，即时显示光学薄膜应力的实时变化信息。本实用新型具有结构简单、操作方便、兼容和抗干扰能力强的特点，可以在线获得光学薄膜应力的信息。

Description

双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置

技术领域

本实用新型涉及光学薄膜，是一种双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置。

背景技术

所有薄膜几乎都处在某种应力之中，它的存在会导致薄膜龟裂、卷曲甚至脱落，从而限制了薄膜结构的稳定性和功能。产生应力的原因很复杂，主要有两种：一是由于薄膜和基底的热膨胀不同引起的，称为热应力；一种是薄膜生长过程中的非平衡性或薄膜特有的微观结构引起的，称为内应力。为了区分内应力和热应力，为了能对应力机理获得更深入的研究，在薄膜镀制过程中实时测量应力是非常必要的。

之前中国科学院上海光学精密机械研究所提出了高精度薄膜应力实时测量装置(申请号：2006101184328，公开号：1971248)，但该装置仍有不足之处

而本装置较之有了三个方面的改进。首先是利用了双光束的原理，提高了系统抗震动等干扰的能力；第二是加入了晶控探头，能实时得到薄膜厚度的信息，从而真正实现了应力实时测量；最后是在软件系统上，通过程序调节简化了光路调节，操作人性化，界面友好，并且功能也更加丰富。

发明内容

本实用新型是为了深入的研究薄膜镀制过程中应力变化而提出的一种双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置，该装置具有结构简单，操作方便，与镀膜机兼容性好，稳定性强等特点。

本实用新型的技术解决方案如下：

一种双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置，其特点是该装置包括半导体激光器、由分束镜与第一反射镜和第二反射镜组合而成的双光束分束准直器、第三反射镜、具有晶控探头的晶控仪、位敏光电探测器、A/D采集卡和计算机，其位置关系如下：在镀膜机外设置所述的半导体激光器、双光束分束准直器、晶控仪、位敏光电探测器、A/D采集卡和计算机，在真空室内安设待测的镀膜基片、所述的第三反射镜和晶控探头，使所述的半导体激光器的出射光经所述的双光束分束准直器后变成两束平行光，由镀膜机真空室的观察窗口照射到待测的镀膜基片表面，其反射光经所述的第三反射镜反射后从所述的观察窗口出射到真空室外的位敏光电探测器上，该位敏光电探测器探测的反射光位移偏转量由A/D采集卡输入到计算机；同时所述的晶控探头实时记录镀制光学薄膜过程中薄膜厚度和沉积速率的变化，由所述的晶控仪输入所述的计算机。

利用上述双光束在线实时测量光学薄膜应力装置进行光学薄膜应力的测量方法，包括下列步骤：

①上述的双光束在线实时测量光学薄膜应力装置中各元器件的位置关系安装各元器件和待测的镀膜基片；调整光路，使所述的半导体激光器的出射光经所述的双光束分束准直器后变成两束平行光，由镀膜机真空室的观察窗口照射到待测的镀膜基片表面的中心对称位置上，其反射光经所述的第三反射镜反射后从所述的观察窗口出射到真空室外的位敏光电探测器上；

②在镀膜开始前，先在计算机的软件系统主界面上点击初始化按钮，设定所述的镀膜基片的弹性模量、泊松比、厚度、入射的双光束的束宽、入射角度和反射光程，同时设置晶控仪的串口号；

③在镀膜开始时，点击主界面的开始按钮，计算机开始采集数据：一个是由USB接口获得的位敏探测器上光斑位置的信息，另一个是由串口获得的晶控仪上薄膜实时厚度和镀膜沉积速率的信息，在整个镀膜过程中，计算机根据下列公式进行数据处理

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s*t_s^2*\cos \mathrm{\α}}{12(1-{\mathrm{\γ}}_s)*t_f*L*D_0}*d,$

并实时绘制光学薄膜应力变化曲线和位移变化曲线，实时保存并显示光束偏转位移、应力大小、镀膜时间、薄膜厚度和沉积速率；

④镀膜结束后，点击软件系统主界面上的退出按钮，计算机即停止采集数据，并退出程序。

所述计算机中包含该装置的软件系统，编写程序实现对薄膜实时厚度和光束偏转位移采集，并进行数据处理，绘制光学薄膜应力变化曲线，实时保存并显示光束位移量、镀膜时间、薄膜厚度和沉积速率等信息，以便进行下一步处理。

本实用新型的技术效果：

1、本实用新型采用光束偏转法，利用双光束原理在线实时测量光学薄膜应力。搭建结构简单，而且双光束系统稳定性有了提高，抗干扰能力强。

2、本实用新型采用晶控仪采集镀膜过程中薄膜厚度和沉积速率的实时信息，并通过RS-232串口标准传给计算机处理并保存。厚度信息的获得才真正从测量薄膜总力的范畴跳出，实现了薄膜应力的测量。

3、本实用新型软件系统采用Visual Basic6.0语言编写，界面友好，功能丰富，提供了各个需要参量初始化输入，端口号设置，USB口和串口通信，并实时绘制光束偏转位移曲线和应力测量曲线，同时保存镀膜时间、薄膜实时厚度、沉积速率、应力值等信息。同时程序编写规范化，有进一步扩展空间。

4、本实用新型的主要设备在镀膜室外面，便于搭建和维护。并且可以搭建到任一台镀膜机上，装置兼容性好。

5、本实用新型采用位敏光电探测器精度高，而且获得的信号容易处理。

附图说明

图1是本实用新型双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置整体结构示意图。

图2是本实用新型双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置的光路原理图。

图3是本实用新型双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置软件系统流程图。

图4是本实用新型双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置软件系统的界面示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本实用新型作进一步说明，但不应以此限制本实用新型的保护范围。

先请参阅图1，图1是本实用新型双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置整体结构示意图。由图可见，本实用新型双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置，包括半导体激光器1、由分束镜2与第一反射镜3和第二反射镜4组合而成的双光束分束准直器、第三反射镜5、具有晶控探头7的晶控仪8、位敏光电探测器11、A/D采集卡10和计算机9，其位置关系如下：在镀膜机外设置所述的半导体激光器1、双光束分束准直器，晶控仪8、位敏光电探测器11、A/D采集卡10和计算机9，在真空室内安设待测的镀膜基片6、所述的第三反射镜5和晶控探头7，使所述的半导体激光器1的出射光经所述的双光束分束准直器后变成两束平行光，由镀膜机真空室的观察窗口照射到待测的镀膜基片6表面，其反射光经所述的第三反射镜5反射后从所述的观察窗口出射到真空室外的位敏光电探测器11上，该位敏光电探测器11探测的反射光位移偏转量由A/D采集卡10输入到计算机9；同时所述的晶控探头7实时记录镀制光学薄膜过程中薄膜厚度和沉积速率的变化，由所述的晶控仪8输入所述的计算机9。

图2是本实用新型双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置的光学原理图。如图所示，束宽为D₀的两束平行光照射到镀膜基片6上，随着基片在镀膜过程中发生弯曲，导致反射的两平行光束的束宽发生了变化，由图示变为了D₀+d。假设两平行光束的入射角为α，反射光程为L，两反射光束的夹角为θ，基片弯曲的曲率半径为R，则：

$\frac{\mathrm{\θ}}{2}=\frac{D_0}{\cos \mathrm{\α}*R}---\left(1\right)$

且θ＝d/L                     (2)

从而得到： $\frac{1}{R}=\frac{d*\cos \mathrm{\α}}{2*D_0*L}---\left(3\right)$

设基片的弹性模量为E_s，泊松比为γ_s，基片厚度为t_s，薄膜厚度为t_f，则薄膜应力σ可以由下式确定：

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s*t_s^2}{6*(1-{\mathrm{\γ}}_s)*t_f}(\frac{1}{R}-\frac{1}{R_0})---\left(4\right)$

则 $\mathrm{\σ}=\frac{E_s*t_s^2*\cos \mathrm{\α}}{12*(1-{\mathrm{\γ}}_s)*t_f*L*D_0}*d---\left(5\right)$

由位敏光电探测器11获得位移偏转量d，该装置采用PIN结构，当光束入射到位敏光电探测器的光敏面内时，产生电子-空穴对，达到P型层的载流子由器件两端的电极输出，其输出电流的大小与光入射光电位置到电极的距离成反比，由此可以计算出光束入射的准确位置d。该位置信息由A/D采集卡10通过USB接口送入到计算机9。晶控仪8上关于薄膜厚度的数据通过串口，按照RS-232标准由计算机9采集。

所述计算机中包含该装置的软件系统，编写程序实现对薄膜实时厚度和光束偏转位移采集，并进行数据处理，绘制光学薄膜应力变化曲线，实时保存并显示光束位移量、镀膜时间、薄膜厚度和沉积速率等信息，以便进行下一步处理。

该装置的软件系统实现了对于上述两方面数据的采集和光学薄膜实时应力的计算与曲线绘制。该程序的流程图见附图3。

所述激光器1为半导体激光器，内含一个准直系统，激光光束发散角小，准直性好。

利用所述的双光束在线实时测量光学薄膜应力装置进行光学薄膜应力的测量方法，包括下列步骤：

①按所述的双光束在线实时测量光学薄膜应力装置中各元器件的位置关系安装各元器件和待测的镀膜基片6；调整光路，使所述的半导体激光器1的出射光经所述的双光束分束准直器后变成两束平行光，由镀膜机真空室的观察窗口照射到待测的镀膜基片6表面的中心对称位置上，其反射光经所述的第三反射镜5反射后从所述的观察窗口出射到真空室外的位敏光电探测器11上；

②在镀膜开始前，先在计算机的软件系统主界面上点击初始化按钮，设定所述的镀膜基片的弹性模量、泊松比、厚度、入射的双光束的束宽、入射角度和反射光程，同时设置晶控仪8的串口号；

③在镀膜开始时，点击主界面的开始按钮，计算机9开始采集数据：一个是由USB接口获得的位敏探测器11上光斑位置的信息，另一个是由串口获得的晶控仪8上薄膜实时厚度和镀膜沉积速率的信息，在整个镀膜过程中，计算机根据下列公式进行数据处理

$\mathrm{\σ}=\frac{E_s*t_s^2*\cos \mathrm{\α}}{12(1-{\mathrm{\γ}}_s)*t_f*L*D_0}*d,$

并实时绘制光学薄膜应力变化曲线和位移变化曲线，实时保存并显示光束偏转位移、应力大小、镀膜时间、薄膜厚度和沉积速率；

④镀膜结束后，点击软件系统主界面上的退出按钮，计算机9即停止采集数据，并退出程序。

所述反射镜5是表面镀制了反射薄膜的高质量反射镜。它固定在可以调节方向的架子上，置于真空室内部，从而调成出射光线照射到位敏光电探测器11上。

所述晶控头7和晶控仪8是在光学薄膜镀制过程中实时获得薄膜厚度信息的装置。只有得到厚度信息，才能实现薄膜应力的在线测量。通过串口将薄膜厚度实时传给计算机9。

由于软件系统中加入了处理光斑位置的程序，所以调节光路时不用使出射光斑照射到光敏面的中心位置，降低了光路调节工作的难度，操作更容易。

实验表明，本实用新型具有结构简单、操作方便，稳定性好等特点，可以在线实时测量在镀制光学薄膜过程中应力的变化。

Claims (1)

1、一种双光束在线实时测量光学薄膜应力的装置，其特征在于该装置包括半导体激光器(1)、由分束镜(2)与第一反射镜(3)和第二反射镜(4)组合而成的双光束分束准直器、第三反射镜(5)、具有晶控探头(7)的晶控仪(8)、位敏光电探测器(11)、A/D采集卡(10)和计算机(9)，其位置关系如下：在镀膜机外设置所述的半导体激光器(1)、双光束分束准直器，晶控仪(8)、位敏光电探测器(11)、A/D采集卡(10)和计算机(9)，在真空室内安设待测的镀膜基片(6)、所述的第三反射镜(5)和晶控探头(7)，使所述的半导体激光器(1)的出射光经所述的双光束分束准直器后变成两束平行光，由镀膜机真空室的观察窗口照射到待测的镀膜基片(6)表面，其反射光经所述的第三反射镜(5)反射后从所述的观察窗口出射到真空室外的位敏光电探测器(11)上，该位敏光电探测器(11)探测的反射光位移偏转量由A/D采集卡(10)输入到计算机(9)；同时所述的晶控探头(7)实时记录镀制光学薄膜过程中薄膜厚度和沉积速率的变化，由所述的晶控仪(8)输入所述的计算机(9)。

Images