[发明专利]小样品曲率半径和热膨胀实时测量系统和方法

说明书

测量样品曲率半径的系统和方法。该方法包括：从激光源朝着扩束器的方向发射光束；扩大从所述激光源发射的所述光束尺寸以产生宽的激光束；将所述宽的激光束反射离开样品的曲表面；通过使反射的宽的激光束穿过光栅掩模或双棱镜来产生多个不平行的激光束；使用所述多个不平行的激光束在相机图像传感器处产生干涉图样；通过所述相机图像传感器捕获第一图像；以及图像处理设备处理所述第一图像以确定所述样品的曲率半径。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2017年3月29日提交的美国临时专利申请序列号62/478,119的权利。该申请的全部内容通过引用合并于此。

技术领域

本公开通常涉及薄膜应力测量。更具体地，本方案实现了样品(小至5mm×5mm大小)曲率半径和热膨胀实时测量系统和方法。

背景技术

由于薄膜应力在薄膜制备和应用中的关键作用，因此对于商业和科学目的而言，薄膜的应力测量具有重要意义。薄膜的应力测量中通常使用斯通利数学公式(1)来确定样品的曲率半径和应力计算：

式中，σ_f为薄膜的应力，E为杨氏模量，ν为基底的泊松系数，t_s为基底厚度，t_f为薄膜厚度，R₀为应力引入前基底的曲率，以及R为应力引入后基底的曲率。对于已知厚度(在初始表面不平的情况下)的R和R₀的测量可以获得薄膜的应力。

有几种方法可以测量曲率半径R，如激光束偏转、激光干涉和其它光谱学方法。最基本地，曲率R的测量是通过探测来自曲表面的两个平行的反射的激光束的偏差并使用又如下数学公式(2)定义的简单的几何结构来确定：

式中，d₀为从样品曲表面106反射到达探测器108的两个激光束102和104之间的距离，Δd为所述d₀和所述d之间的距离，该距离d为由所述激光束102和104反射而获得的两个反射的激光束110和112之间的距离，L为所述探测器108和所述样品表面106之间的距离，δ为激光束反射角(如图1中所示)。美国专利5633718A、5760889A、5912738A和7391523B1中提出了一些基于此原理有更多复杂激光路径或元素的改进设计。这些设计中通过使用多于两个的激光束(多光束方法)和每对所述激光束的结果平均值来提高设计的精度。然而，射到样品表面的激光束数量受到细光束衍射传播限制。一个典型的装置可以使用的光束不超过12个。美国专利8154733B2描述了基于斐索(Fizeau)原理的一个装置。

对于薄膜中常规应力(约10⁸Pa)导致的相对较大R(大于50m)的测量，需要满足以下：(1)探测器与样品表面L之间的距离较大；(2)更大的样品尺寸d₀。关于此装置的设置，最新的商业和专利技术(美国专利号6608689B1)总是要求样品的直径大于50mm。但是，对实验室的研究，大多数薄膜沉积和表征设备是为小样品设计的。这些矛盾的要求使得对实验室研究样品进行应力测量尤为困难。尽管一种商用的技术(k-space MOS，美国专利7391523B1)可以用来测量小样品的曲率。但是该技术的光学设计复杂且测量精度不足。此外，在许多情况下，薄膜的生长和处理需要在接近或高于1000℃的温度下进行，并且需要在此高温下进行应力评价。现有的应力或曲率测量技术只能在最高500℃的温度下进行。

发明内容

本公开通常涉及样品曲率半径的测量系统和方法。该方法包括：从激光源朝着扩束器的方向发射光束；扩大从所述激光源发射的所述光束尺寸以产生宽的激光束；所述宽的激光束反射离开样品的曲表面；通过使反射的宽的激光束穿过光栅掩模或双棱镜来产生多个不平行的激光束；使用所述多个不平行的激光束在相机图像传感器处产生干涉图样；通过所述相机图像传感器捕获第一图像；由图像处理设备处理所述第一图像以确定所述样品的曲率半径。所述曲率半径可用于计算所述样品中的应力测量。