專利名稱：薄膜內應力隧道電流探針測量裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型屬于薄膜內應力測量裝置，主要用于薄膜及表面改性材料的表征評價技術及薄膜生長在線監控。
內應力是薄膜材料和表面改性的重要指標，它反映了基體與膜層間晶格失配程度、缺陷狀態等微觀結構信息。目前采用的薄膜內應力測量手段可分為兩類X射線衍射和樣品變形，前者不能用于在線測量，膜層也不能太薄(＞1000
)且靈敏度較差。后者是根據薄膜內應力使膜層與基體一起彎曲、變形，通過測量變形量計算出應力(實際上是應力隨鍍膜、變溫等過程的變化)。依照不同的原理測量變形量構成了不同特點的測量方法，但總起來現有測量方法的靈敏度不能滿足需要。在現有技術中有(1)光學測量方法，要將樣品拋成鏡面置于光路中，樣品制備、安裝較困難，且受光波長的限制測量靈敏度較差。
(2)電容法，將樣品作為極板構成電容器，電容的變化反映了樣品變形，其靈敏度很差。
(3)微天平法，用天平測量阻止樣品變形所需的力，樣品要用水晶絲與天平相連，安裝樣品是極精細困難的工作。
本實用新型的目的是提供一種測量精度和靈敏度高的、可在線使用、樣品制備簡便且易于操作的薄膜內應力測量裝置。
本實用新型的技術方案本實用新型利用電子的量子隧道效應，兩導體靠近到A的量級，其間的隧道電流隨其間距變化極為敏感，根據隧道電流測量樣品的變形可達到極高的靈敏度(依照同樣的原理制造的掃描隧道顯微鏡(STM)可實現0.2
的縱向分辨率)。本裝置的技術方案是用壓電陶瓷控制金屬探針探測流過樣品與探針間的隧道電流，隧道電流經控制電路放大形成對壓電陶瓷的施加電壓，從而使壓電陶瓷伸縮，以控制金屬探針與樣品間的距離，反過來影響隧道電流、構成隧道電流負反饋平衡，探針與樣品間距離不變，則樣品(探針所測點)的位移體現為壓電陶瓷的伸縮變化，對應于它被施加的電壓。通過該裝置樣品變形立即反映為輸出電壓的變化，經A／D轉換輸入到計算機可實現即時、全自動、在線測量。
本實用新型的內容包括有支架，其上裝有升降調節器及由它調節升降的壓電陶瓷器件，在壓電陶瓷器件前端裝有金屬探針，被測樣品裝在支架下端開口處內、處于金屬探針的下方。另有控制電路，其核心是兩級正相串聯的運算放大器，控制電路的輸入是通過電極流過金屬探針與樣品支間的電流；控制電路的輸出連到壓電陶瓷器件的電極上。
本實用新型可對照附圖
敘述如下附圖為本隧道電流探針測量裝置的結構示意圖。圖中①為支架，對安裝在上面的部件起支撐作用，并保證上下兩層間距離不變；支架①上安裝有螺旋升降調節器②，測量時旋轉調節器②可帶動壓電陶瓷器件③(伸縮量根據測量范圍選定)作上下運動；壓電陶瓷③的下端裝有金屬探針④，④的下方是被測樣品⑤；被測樣品⑤裝在支架①下端開口處內，⑤與電極⑩連接后要保證能導電(對于絕緣基體要在背面——沒有薄膜的面鍍導電膜)；⑥表示薄膜生長、表面改性的分子束、離子束等。壓電陶瓷器件③的兩個電極⑦、⑧分別接地和連接施加電壓；⑨為與金屬探針④相連的電極；(12)是控制電路，其核心是兩級開環正相串聯的運算放大器(前級為高阻型，后級為高壓型)；(11)、(13)是控制電路(12)的兩個差動輸入端，(11)與一參考電流源相連，(13)與電極⑩相連；(14)是控制電路(12)的輸出端，(15)是電壓表，(16)是A／D轉換及計算機系統，(14)同時連接電極⑧、電壓表(15)、計算機系統(16)。
測量時調整②使之帶動③連同④向上抬起，以便安放樣品⑤，并使樣品背面與⑩電導通。而后使控制電路(12)處于工作狀態，在⑨施加小電壓(～幾十毫伏)，流過④⑤間的隧道電流由⑩接到(13)。從(11)施加參考電流(其大小決定平衡時的隧道電流，μA量級)，與(13)的差經(12)放大輸出到(14)，通過(15)可觀察輸出電壓的大小。(14)的電壓接到⑧用來控制③的伸縮。
本實用新型的實施敘述如下細致調節②使④向⑤靠近，當(15)的指示隨②的調節穩定變化，說明已建立隧道電流平衡，在適當的位置鎖定②。設③為加電收縮工作方式(反之對換(13)與(11)的極性)，當隧道電流增大，(13)的電壓升高進而(14)、⑧電壓升高導致③收縮，使④⑤間距離增大，隧道電流減小，從而隧道電流負反饋平衡。因隧道電流對④⑤間距離異常敏感，隧道電流平衡時認為④⑤間距離不變，③的伸縮歸結為⑤的變形導致的位移，可根據(14)的電壓和③的參數得到。啟動⑥開始薄膜生長或表面改性等過程，同時(16)計錄下(14)電壓變化，就可計算出薄膜內應力的變化。
本實用新型薄膜內應力隧道電流探針測量裝置與現有技術相比具有以下特點(1)大大提高了薄膜內應力的測量靈敏度，表1，列出了該實用新型裝置與幾種典型的測量裝置對變形量靈敏度的比較。
表1.本實用新型裝置與幾種典型測量方法對變形量測量靈敏度的比較
(2)可實現薄膜內應力的即時、全自動測量，這對薄膜生長的在線監控有重要意義。
(3)樣品制備安裝簡單，易于操作。
權利要求1.一種薄膜內應力的隧道電流探針測量裝置，其特征在于支架①上方裝有升降調節器②和壓電陶瓷器件③，在壓電陶瓷器件③的前端裝有金屬探針④、在側面有電極⑦⑧，被測樣品⑤裝在支架①下端開口處內、并處于金屬探針④的下方；金屬探針④與電極⑨連通；被測樣品⑤通過電極⑩與控制電路(12)輸入端(13)相連；控制電路(12)的輸出(14)，一是與計算機系統相連，一是與電極⑧相連，以便通過施加電壓控制③的伸縮。
2.根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于升降調節器②可調節壓電陶瓷器件③的升降。
3.根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于控制電路(12)是兩級正相串聯的運算放大器，前級為高阻型，后級為高壓型。
4.根據權利要求1所述的測量裝置，其特征在于電極⑦接地。
專利摘要本實用新型為一種薄膜內應力測量裝置，其主要特征是在支架①上方裝有升降調節器②和壓電陶瓷器件③；在壓電陶瓷③的前端裝有金屬探針④，在其兩側有電極⑦、⑧；被測樣品⑤裝在支架①下端開口處于金屬探針④的下方；被測樣品⑤通過電極⑩與控制電路(12)的輸入端(13)相連；控制電路(12)的輸出端(14)與計算機系統(16)和電極⑧相連，通過對電極⑧施加電壓來控制③的伸縮，控制金屬探針與樣品間的距離，以便完成薄膜內應力測試。
文檔編號G01L1/16GK2123758SQ92202708
公開日1992年12月2日 申請日期1992年2月20日 優先權日1992年2月20日
發明者趙向榮, 朱靜 申請人:冶金工業部鋼鐵研究總院
專業數控銑床產品供應商
20年生產經驗，實力工廠，精工品質，質量有保障
