[发明专利]测量真空离子镀和等离子体喷涂镀膜膜厚与均匀性的方法

摘要

本发明公开了一种测量真空离子镀和等离子体喷涂镀膜膜厚与均匀性的方法。该方法基于激光诱导击穿光谱技术结合激光诱导荧光技术测量真空离子镀膜技术及等离子体喷涂镀膜技术的沉积膜厚膜厚与均匀性。该发明是一种微损接近无损的检测方法，能够实现对镀膜样品膜厚10nm量级测量，镀膜表面均匀性μm量级分辨测量。尤其是该方法还是一种可以实时、原位、在线、无接触与主动式的测量方法，且不会对镀膜过程有干扰，易于操作，实时分析。本发明主要用于真空离子镀，比如真空离子镀物理、化学气相沉积、等离子体喷涂等领域，不排除应用于其它的、具有相近技术特征的薄膜或者涂层沉积技术领域。

主权项

1.测量真空离子镀和等离子体喷涂镀膜膜厚与均匀性的方法，包括以下步骤：(1)使用数据采集与分析计算机(B1)触发FPGA时序模块(B2)，同时设置光谱仪(B21)为外触发状态；(2)数据采集与分析计算机(B1)触发FPGA时序模块(B2)，接到触发信号后，按照已经设置好的时序分别触发超短脉冲烧蚀激光器(B3)与共振增强opo激光器(B4)、触发示波器(B11)开始采集数据、触发光谱仪(B21)采集瞬态激光等离子体发射光谱；(3)被触发的超短脉冲烧蚀激光器(B3)，经过激光扩束仪(B5)对激光束扩束；(4)被扩束的激光经由半波片(B6)与偏振立方体(B7)后分为两束，一束激光透过偏振立方体(B7)用于烧蚀沉积膜、另外一束激光被偏振立方体(B7)反射进入残余激光吸收器(B8)；其中，通过旋转半波片(B6)的角度调控透过偏振立方体(B7)的能量；(5)在透过偏振立方体(B7)的烧蚀激光光路中加入一片石英片(B9)，石英片(B9)把一小部分激光散射到光电二极管(B10)中，光电二极管(B10)将光信号转化为电信号后通过示波器(B11)呈现数据，以此达到对脉冲激光能量实时监控的目的，用于理论计算超短脉冲激光烧蚀率，得到沉积膜的厚度信息；透过石英片(B9)的烧蚀激光通过一块激光高反射镜(B12)反射烧蚀激光，再经由抛物面激光聚焦反射镜(B13)透过中心开孔非球面反射镜(B14)将激光聚焦到沉积膜(B15)上，通过改变抛物面激光聚焦反射镜(B13)控制激光的聚焦度实现不同的XY空间分辨率；(6)烧蚀激光聚焦到沉积膜(B15)上，形成第一次瞬态激光等离子体，再由共振增强opo激光器(B4)发出的第二束激光经过激光扩束仪(B18)以及抛物面反射镜(B19)对第一次瞬态激光等离子体进行空间共振激发，形成第二次瞬态激光等离子体；(7)在第二次瞬态激光等离子体(B17)冷却过程中，使用与烧蚀激光共轴的中心开孔非球面反射镜(B14)收集等离子体发射光谱，而后被收集到的发射光通过探测光纤(B20)耦合传输到光谱仪(B21)中；(8)使用步骤(1)‑(7)采集镀膜样品基底材料的发射光谱，并将光谱储存在数据采集与分析计算机(B1)，用于后续计算分析；(9)在镀膜过程中，重复步骤(1)‑(7)采集镀膜样品的发射光谱，采集到的光谱传输到数据采集与分析计算机(B1)使用已建立的模型和算法与步骤(8)中获得的光谱进行对比，由此判断沉积膜是否已经被激光完全烧蚀，得出是否需要再次烧蚀的指令，如没有烧蚀至基底，则重复步骤(1)‑(7)，若烧蚀至基底则输出烧蚀激光脉冲个数N与沉积膜厚度D；(10)沉积膜厚度可以两种方法得到：第一种方法不需要进行前期校正，但需要知道镀膜材料与基底材料，具体为通过查表得到被测材料的光学参数与烧蚀激光的参数，通过公式(6)计算脉冲激光烧蚀率，Z_v；Z_v＝α^‑1ln(F_l/F_th)  (6)其中α为材料吸收系数、F_l为激光能量密度、F_th为激光烧蚀材料阈值；脉冲激光烧蚀率Z_v与步骤(9)中得到的激光脉冲个数N的乘积即为沉积膜厚度D；第二种方法是使用膜厚测量仪离线对镀膜样品的膜厚D1进行精确测量，使用该样品重复步骤(1)‑(9)，得到烧蚀至基底所需要的激光脉冲个数N1，计算测得的膜厚D1与激光脉冲个数N1的比值得到激光脉冲烧蚀率Z_v1；随后在原位、在线测量沉积膜厚的过程中，使用步骤(9)中的激光脉冲个数N与测得的脉冲烧蚀率Z_v1的乘积即得到沉积膜厚度D。