Устройство для измерения внутренних напряжений в тонких пленках

(12) НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ВНУТРЕННИХ НАПРЯЖЕНИЙ В ТОНКИХ ПЛЕНКАХ(71) Заявитель Белорусский национальный технический университет(72) Авторы Фролов Игорь Станиславович Иващенко Сергей Анатольевич Плахотнюк Василий Иванович Макаревич Евгений Владимирович(73) Патентообладатель Белорусский национальный технический университет(57) 1. Устройство для измерения внутренних напряжений в тонких пленках, содержащее источник когерентного света, измерительный экран, отличающееся тем, что содержит выполненный с возможностью консольного закрепления подложки поворотный держатель с реверсивным приводом, защитный кожух с окном для установки подложки, электрически связанные между собой и с измерительным экраном записывающее устройство и электронную систему обработки сигнала и управления реверсивным приводом, при этом измерительный экран снабжен светочувствительной линейкой, источник когерентного света установлен под углом к измерительному экрану и горизонтальной плоскости, проходящей через точку закрепления подложки. 6176 1 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что угол между источником когерентного света и измерительным экраном определен исходя из требуемой чувствительностив соответствии с выражением где А - расстояние между поверхностью подложки и измерительным экраном- длина подложки- угол между источником когерентного света и измерительным экраном- угол между источником когерентного света и нормалью к поверхности подложки. 3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что угол между источником когерентного света и измерительным экраном удовлетворяет соотношению 090. 4. Устройство по любому из пп. 1-3, отличающееся тем, что оно снабжено дополнительными источником когерентного света и измерительным экраном, расположенным в вертикальной плоскости, проходящей через точку закрепления подложки.(56)1226048 , 1986.2097686 1, 1997.2117241 1, 1998.0641991 2, 1995.03051729 , 1989.01/11311 1, 2001.2000009553 , 2000.5134303 , 1992. Изобретение относится к исследованию напряжений в тонких пленках оптическими методами и может быть использовано в микроэлектронике, а также различных областях машиностроения при изучении процессов получения тонких пленок. Известно устройство для измерения внутренних напряжений в тонких пленках 1, содержащее источник когерентного света, измерительный экран и консольно закрепленную подложку. Недостатками данного устройства являются относительно низкая чувствительность и невозможность управления ею в процессе работы вследствие установки источника когерентного света по нормали к поверхностям измерительного экрана и подложки, большая трудоемкость и низкая точность определения напряжений из-за необходимости повторного измерения после снятия пленки, а также отсутствие возможности измерения внутренних напряжений в двух плоскостях. Прототипом заявляемого устройства является устройство для измерения внутренних напряжений в тонких пленках 2, содержащее источник когерентного света, полупрозрачное выпуклое зеркало, измерительный экран, плоское зеркало, консольно закрепленную подложку и фотоприемник для определения толщины пленки, причем измерительный экран и подложка выполнены из оптически прозрачного материала. Недостатками данного устройства являются невозможность управления чувствительностью из-за необходимости направлять излучение источника когерентного света нормально к поверхностям полупрозрачного выпуклого зеркала и измерительного экрана, затруднительность использования устройства в условиях потоков высокоионизированной плазмы или нейтральных частиц с большими температурами из-за размещения в вакуум 2 6176 1 ной камере отражательных и оптических элементов, применение подложек только из оптически прозрачного материала, а также невозможность измерения напряжений в двух плоскостях. Задачей, решаемой изобретением, является расширение функциональных возможностей и управление чувствительностью устройства при измерении внутренних напряжений в тонких пленках. Поставленная задача достигается тем, что заявляемое устройство, содержащее источник когерентного света и измерительный экран, содержит выполненный с возможностью консольного закрепления подложки поворотный держатель с реверсивным приводом, защитный кожух с окном для установки подложки, электрически связанные между собой и с измерительным экраном записывающее устройство и электронную систему обработки сигнала и управления реверсивным приводом. При этом измерительный экран снабжен светочувствительной линейкой, источник когерентного света установлен под углом к измерительному экрану и горизонтальной плоскости, проходящей через точку закрепления подложки. Угол между источником когерентного света и измерительным экраном определяется исходя из требуемой чувствительности Н в соответствии с выражением где А - расстояние между поверхностью подложки и измерительным экраном- угол между источником когерентного света и измерительным экраном- угол между источником когерентного света и нормалью к поверхности подложки. Угол между источником когерентного света и измерительным экраном удовлетворяет соотношению 090. Устройство может быть снабжено дополнительными источником когерентного света и измерительным экраном, расположенными в вертикальной плоскости, проходящей через точку закрепления подложки. Наличие поворотного держателя с реверсивным приводом, выполненного с возможностью консольного закрепления подложки, позволяет значительно расширить диапазон измерения растягивающих и сжимающих напряжений в тонких пленках, так как в случае выхода отраженного луча источника когерентного света за пределы измерительного экрана происходит поворот держателя в противоположную от направления изгиба подложки сторону до совмещения отраженного луча с начальной точкой измерительного экрана, после чего цикл измерения продолжается. Кроме того, наличие поворотного держателя с реверсивным приводом облегчает процесс настройки устройства на требуемую чувствительность. Оснащение устройства защитным кожухом с окном для установки подложки позволяет производить измерение напряжений непосредственно в процессе осаждения тонкой пленки при воздействии на подложку потоков высокоионизированной плазмы или нейтральных частиц, вызывающих рассеивание излучения источника когерентного света и нарушение работы оптических и отражательных элементов. Кроме того, защитный кожух предохраняет от запыления обратную сторону подложки, что повышает точность измерения напряжений в тонких пленках, а также допускает возможность регулирования температурного режима подложки. Расположение источника когерентного света под углом к измерительному экрану и горизонтальной плоскости, проходящей через точку закрепления подложки, позволяет упростить подготовку устройства к работе и устанавливать требуемую чувствительность измерительной системы. Последнее возможно вследствие того, что изменение углаот значения, при котором источник когерентного света перпендикулярен к измерительному экрану и указанной выше гори 3 6176 1 зонтальной плоскости (90), вызывает увеличение угла падения луча источника когерентного света на подложку, а, следовательно, и увеличение чувствительности измерительной системы. Оснащение измерительного экрана светочувствительной линейкой, а также наличие электрически связанных между собой и с измерительным экраном записывающего устройства и электронной системы обработки сигнала и управления реверсивным приводом, обеспечивает непрерывное получение временных диаграмм изгиба подложки с одновременной регистрацией параметров напыления тонкой пленки. При этом обеспечивается высокая точность показаний регистрирующей системы устройства и автоматизация процесса измерений. Применение в заявляемом устройстве дополнительных источника когерентного света и измерительного экрана, расположенных в вертикальной плоскости, проходящей через точку закрепления подложки, позволяет измерять напряжения в двух взаимно перпендикулярных плоскостях. Это дает возможность получать более полную картину распределения внутренних напряжений в тонких пленках, осаждаемых на подложку, определять их величину и знак, а также изменять геометрическую форму подложки. Все это позволяет обеспечить управление чувствительностью и значительно расширить функциональные возможности предлагаемого устройства для измерения внутренних напряжений в тонких пленках по сравнению с известными техническими решениями. При сравнении предложенного технического решения с объектами аналогичного назначения, обнаруженными в процессе поиска, установлено, что в известных устройствах отсутствуют признаки, сходные с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа. Следовательно, предложенное техническое решение обладает существенными отличиями. Сущность изобретения поясняется следующими чертежами на фиг. 1 изображена общая схема устройства для измерения внутренних напряжений в тонких пленках на фиг. 2- схема измерения посредством устройства внутренних напряжений в двух взаимно перпендикулярных плоскостях на фиг. 3 - схема для расчета угла изгибаи радиуса кривизныподложки на фиг. 4 - распределение сжимающих напряжений в пленкена подложке из стали 12 Х 18 Н 10 Т (1) и алюминиевого сплава Д 16 (2). Устройство для измерения внутренних напряжений в тонких пленках содержит источник когерентного света 1 (фиг. 1), измерительный экран 2 со светочувствительной линейкой 3, подложку 4, консольно закрепленную в поворотном держателе 5 с реверсивными приводом 6, и защитный кожух 7. Источник когерентного света 1 установлен под углом к измерительному экрану 2 и к горизонтальной плоскости, походящей через точку закрепления подложки 4. Устройство может снабжаться (фиг. 2) дополнительными источником когерентного света 1 и измерительным экраном 2, расположенными в вертикальной плоскости, проходящей через точку закрепления подложки 4. Подложка 4, поворотный держатель 5 и защитный кожух 7 расположены в вакуумной камере 11. Измерительный экран 2 со светочувствительной линейкой 3, электронная система обработки сигнала и управления реверсивным приводом 8, и записывающее устройство 9 представляют собой регистрирующую систему устройства и электрически связаны между собой, а также с измерительным экраном 2 и блоком управления процессом осаждения 10 пленки на подложку 4. Устройство работает следующим образом. Луч источника когерентного света 1 направляют в вакуумную камеру 11 на подложку 4 под угломк измерительному экрану 2. Уголпредварительно определяется исходя из требуемой чувствительности при проведении измерений с использованием выражения (1),а также с учетом граничных условий, например, размеров смотрового окна вакуумной камеры 11. Совмещение отраженного луча с начальной точкой измерительного экрана 2 обеспечивается реверсивным приводом 6 поворотного держателя 5. Отраженный от подложки 4 луч попадает на со светочувствительную линейку 3 измерительного экрана 2,преобразующую световое излучение в электрические сигналы, которые поступают в электронную систему обработки сигнала и управления реверсивным приводом 8, где соответ 4 6176 1 ствующим образом преобразуются и усиливаются, и вместе с сигналами, поступившими от блока управления процессом осаждения 10 пленки, подаются на записывающее устройство 9. В случае выхода отраженного луча за пределы измерительного экрана 2 из-за значительного изгиба подложки 4 реверсивный привод 6 доворачивает поворотный держатель 5 с подложкой 4 до совмещения отраженного луча с начальной точкой измерительного экрана 2, что позволяет продолжить процесс измерения. Изгиб подложки 4, обусловленный возникающими в ней внутренними напряжениями при осаждении тонкой пленки, вызывает смещение на светочувствительной линейке 3 отраженного от подложки 4 луча источника когерентного света 1. Это ведет к изменению фототока, которое регистрируется блоком электронной системы обработки сигнала и управления реверсивным приводом 8 и после соответствующего преобразования фиксируется на ленте записывающего устройства 9 в виде функции угла изгиба подложки 4. Одновременно ведется запись параметров осаждения пленки. Получаемые временные диаграммы угла изгиба подложки 4 позволяют рассчитать радиус ее кривизны по формуле,2 ( / 2 )( / 2 ) где - длина подложки- угол между источником когерентного света и нормалью к поверхности подложки- угол изгиба подложки. Угол изгиба подложки определяется соотношением (фиг. 3)90. Величина внутренних напряжений в тонких пленках определяется по формуле 5/ 4 где Е 2 и 1 - модуль упругости соответственно подложки и пленки 2 и 1- толщина соответственно подложки и пленки.- радиус кривизны подложки. В качестве примера конкретной реализации устройства рассмотрим определение с его помощью внутренних напряжений в тонких пленках, наносимых ионно-плазменным методом в вакууме. Для этого заявляемое устройство было установлено в вакуумной камере установки УРМ 3.279.048, оснащенной реверсивным шаговым электроприводом подложкодержателя. В качестве источника когерентного света использовался гелий-неоновый лазер ЛГН-105. Светочувствительная линейка была выполнена из фотодиодов ФД-27 К,причем два крайних фотодиода служили для регистрации выхода отраженного луча за пределы измерительного экрана. Блок электронной системы обработки сигнала и управления реверсивным приводом был выполнен с использованием дифференциального усилителя мощности, а в качестве записывающего устройства применялся многоканальный самописец Н 338-4 П. Угол установки лазера относительно измерительного экрана был принят равным 80 исходя из габаритов смотрового окна вакуумной камеры и размеров подложек. В качестве подложек использовались призматические образцы с размерами 100100,8 мм, выполненные из стали 12 Х 18 Н 10 Т и алюминиевого сплава Д 16. Один из концов образца на длине 57 мм полировался для увеличения отражательной способности. С учетом конструкции поворотного держателя принято 90 мм, а расстояние между поверхностью подложки и измерительным экраном составляло А 240 мм. Исследовался процесс формирования внутренних напряжений в образцах при нанесении пленки . В результате были получены графики распределения сжимающих напряжений в пленке, представленные на фиг. 4. Таким образом заявляемое устройство по сравнению с прототипом обеспечивает расширение функциональных возможностей, так как оно позволяет проводить исследование внутрен 5 6176 1 них напряжений в процессе осаждения пленки при воздействии потоков высокоионизированной плазмы или нейтральных частиц с большими температурами обеспечивает использование как оптически прозрачных, так и непрозрачных подложек значительно расширяет диапазон измеряемых напряжений позволяет исследовать напряжения в двух плоскостях подложки и использовать подложки различной геометрической формы. Устройство обеспечивает возможность управления чувствительностью за счет установки источника когерентного света под углом к измерительному экрану и изменения этого угла в широких пределах. К дополнительным преимуществам устройства относятся повышение точности измерений уменьшение габаритов и упрощение конструкции устройства за счет уменьшения количества звеньев в измерительной цепи упрощение подготовки устройства к работе автоматизация процесса исследования внутренних напряжений в течение всего технологического цикла формирования тонкой пленки. Источники информации 1. Четвериков Н.И., Сержанитов , Черняев В.Н. Определение внутренних напряжений в пленках//Заводская лаборатория. - 1980. - Т. 46. -1. - С. 76-77. 2. А.с. СССР 1226048, МПК 01 11/16, 1986. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 6