小样品曲率半径和热膨胀实时测量系统和方法技术方案

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。

Real time measurement system and method of curvature radius and thermal expansion of small sample

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】小样品曲率半径和热膨胀实时测量系统和方法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。
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。
技术介绍
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，σf为薄膜的应力，E为杨氏模量，ν为基底的泊松系数，ts为基底厚度，tf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-spaceMOS，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。
技术实现思路
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。曲率半径由下确定：由所述图像处理设备执行操作，以基于所述第一图像的内容和第二图像的内容来确定a值，该第二图像是由在引起应力的处理前从平表面或者曲表面反射的光产生；使用所述a值确定激光束发散值；以及使用所述激光束发散值计算样品的曲率半径。在一些情况下，a值基于在所述第一图像和所述第二图像中包含的亮特征的位置来确定。更具体为，a值由下确定：提取所述第一图像中包含的每个亮特征的第一中心位置和所述第二图像中包含的每个亮特征的第二中心位置；在二维图上为每个所述第一中心位置分别绘制点，作为每个所述第二中心位置的函数；确定由这些点定义的直线的斜率。在其它情况下，a值基于所述第一图像和所述第二图像中包含的亮特征的空间频率变化来确定。a值由下确定：确定由包含在所述第一图像中的亮特征的亮度值生成的正弦信号的第一频率；确定所述第一频率与由包含在所述第二图像中的亮特征的亮度值生成的正弦信号的第二频率的比值。在其他情况下，所述光栅掩模包括周期性的孔和/或周期性的线。样品可以放置在高温炉内部。附图说明将参考以下附图描述实施例，在附图中，相同的标号表示相同的项目。图1为用于理解根据传统解决方案如何测量曲率半径的图示。图2A-2B(文中统称图2)为用于在室温下进行异位测量的系统简化示意图。图3为用于理解如何处理图像和计算曲率的图示。通过比较由凸表面和平表面产生的干涉图样的图像，可以提取反射的激光束发散的小变化，并计算出大的曲率半径。图3示出了当该半径远大于掩模与样品之间的距离且假设Z＝0时这一最典型的情况。图4所示为三种类型的1-d和2-d光栅掩模，以及所述掩模衍射效应产生多条不行的激光束形成干涉图样的示意图。图5为用于理解在实现本解决方案中如何形成衍射激光束干涉图样的示意图。从样品表面反射后扩展的激光束穿过掩模。衍射的激光束相互干涉，并在周期性的特定距离(产生图像的位置)上创建掩模的重复图像。对于曲表面，可以将反射光束视为来自距离F的焦点处的发散光束。图6为掩模可以被双棱镜代替的示意图(需要注意的是图像传感器可以被放置在阴影区域中的任何地方)。图7为使用图像处理来提取激光发散的两种方法的图示。在第一种方法中，提取每个特征(例如亮斑或线)的位置。通过绘制来自曲表面的每个特征(例如亮斑或线)的位置，作为来自平表面的每个特征位置的函数，可以计算出线性拟合的斜率a。在第二种方法中，使用快速傅里叶变换(FastFourierTransform，FFT)方法来计算亮特征(例如亮斑或线)的空间频率。来自平表面的频率与来自曲表面的频率之比即为a值。图8为从样品表面反射并分别通过线、方孔和圆孔掩模衍射的激光束的干涉图样。图9示出了使用具有七点二米(7.2m)的曲率半径的标准凸面镜和SiO2/Si样品来进行本方案测试的结果，其中SiO2中的应力以及SiO2和Si的厚度已知。图10示出了具有不同SiO2厚度tf的SiO2/SiC样品的测试结果。对于厚度超过25纳米(25nm)的SiO2膜，R与tf成反比，导致了恒定的压力。对于小于25纳米(25nm)的SiO2膜，薄膜应力随着薄膜厚度的减小而增加。这些结果符合理论预期。图11示出了在高温处理期间用于原位/实时测量的系统。图12为可以保持样品垂直的样品夹持器的设计示意图。图13为使用900℃、1000℃、1100℃的生长温度的硅氧化期间的测试结果图。所述R的变化在初始阶段较快，在较低温度下较慢。图14为测量样品应力和曲率的方法说明流程图。具体实施方式应当理解，如本文中总体上描述的以及在附图中所展示的实施例本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于测量样品曲率半径的方法，包括：/n从激光源向着扩束器的方向发射光束；/n扩大从所述激光源发射的所述光束的尺寸以产生宽的激光束；/n从样品的曲表面反射所述宽的激光束；/n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；/n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；/n通过所述相机图像传感器捕获第一图像；以及/n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。/n

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】20170329 US 62/478,1191.一种用于测量样品曲率半径的方法，包括：
从激光源向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的尺寸以产生宽的激光束；
从样品的曲表面反射所述宽的激光束；
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
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。


2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述曲率半径由下确定：
由所述图像处理设备执行操作，以基于所述第一图像的内容和第二图像的内容来确定a值，该第二图像是由从平表面反射的光产生；
使用所述a值确定激光束发散值；以及
使用所述激光束发散值计算所述样品的曲率半径。


3.根据权利要求2所述的方法，其中，所述a值的确定基于在所述第一图像和所述第二图像中包含的亮特征的位置。


4.根据权利要求3所述的方法，其中，所述a值由下确定：
提取所述第一图像中包含的每个亮特征的第一中心位置和所述第二图像中包含的每个亮特征的第二中心位置；
在二维图上为每个所述第一中心位置分别绘制点，作为每个所述第二中心位置的函数；
确定由这些点定义的直线的斜率。


5.根据权利要求2所述方法，所述a值由基于所述第一图像和所述第二图像中包含的亮特征的空间频率的变化来确定。


6.根据权利要求5所述方法，其中，所述a值由下确定：
确定使用包含在所述第一图像中的亮特征的亮度值生成的正弦信号的第一频率；
确定所述第一频率与使用包含在所述第二图像中的亮特征的亮度值生成的正弦信号的第二频率的比值。


7.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光栅掩模包括周期性的孔。


8.根据权利要求1所述的方法，其中，所述光栅掩模包括周期性的线。


9.根据权利要求1所述的方法，其中，所述样品放置在高温炉内部。


10.根据权利要求1所述的方法，还包括使用所述曲率半径计算所述样品的应力测量。


11.根据权利要求1所述的方法，其中，与应力相关的曲率半径由下确定：
由所述图像处理设备执行操作，以基于所述第一图像的内容和第二图像的内容来确定a值，该第二图像是由引起应力的处理前从平表面或者曲表面反射的光产生；
使用所述a值确定激光束发散值；以及
使用所述激光束发散值计算与应力相关的所述样品曲率半径并计算所述样品中的应力测量。


12.一种系统，包括：
光源，配置为发射光束；
扩束器，配置...

【专利技术属性】
技术研发人员：A·埃尔马科夫，李秀艳，E·加芬克尔，L·C·费尔德曼，T·古斯塔夫森，
申请(专利权)人：新泽西鲁特格斯州立大学，
类型：发明
国别省市：美国;US