专利名称：薄膜内应力隧道电流探针测量装置的制作方法
技术领域：
本实用新型属于薄膜内应力测量装置，主要用于薄膜及表面改性材料的表征评价技术及薄膜生长在线监控。
内应力是薄膜材料和表面改性的重要指标，它反映了基体与膜层间晶格失配程度、缺陷状态等微观结构信息。目前采用的薄膜内应力测量手段可分为两类X射线衍射和样品变形，前者不能用于在线测量，膜层也不能太薄(＞1000
)且灵敏度较差。后者是根据薄膜内应力使膜层与基体一起弯曲、变形，通过测量变形量计算出应力(实际上是应力随镀膜、变温等过程的变化)。依照不同的原理测量变形量构成了不同特点的测量方法，但总起来现有测量方法的灵敏度不能满足需要。在现有技术中有(1)光学测量方法，要将样品抛成镜面置于光路中，样品制备、安装较困难，且受光波长的限制测量灵敏度较差。
(2)电容法，将样品作为极板构成电容器，电容的变化反映了样品变形，其灵敏度很差。
(3)微天平法，用天平测量阻止样品变形所需的力，样品要用水晶丝与天平相连，安装样品是极精细困难的工作。
本实用新型的目的是提供一种测量精度和灵敏度高的、可在线使用、样品制备简便且易于操作的薄膜内应力测量装置。
本实用新型的技术方案本实用新型利用电子的量子隧道效应，两导体靠近到A的量级，其间的隧道电流随其间距变化极为敏感，根据隧道电流测量样品的变形可达到极高的灵敏度(依照同样的原理制造的扫描隧道显微镜(STM)可实现0.2
的纵向分辨率)。本装置的技术方案是用压电陶瓷控制金属探针探测流过样品与探针间的隧道电流，隧道电流经控制电路放大形成对压电陶瓷的施加电压，从而使压电陶瓷伸缩，以控制金属探针与样品间的距离，反过来影响隧道电流、构成隧道电流负反馈平衡，探针与样品间距离不变，则样品(探针所测点)的位移体现为压电陶瓷的伸缩变化，对应于它被施加的电压。通过该装置样品变形立即反映为输出电压的变化，经A／D转换输入到计算机可实现即时、全自动、在线测量。
本实用新型的内容包括有支架，其上装有升降调节器及由它调节升降的压电陶瓷器件，在压电陶瓷器件前端装有金属探针，被测样品装在支架下端开口处内、处于金属探针的下方。另有控制电路，其核心是两级正相串联的运算放大器，控制电路的输入是通过电极流过金属探针与样品支间的电流；控制电路的输出连到压电陶瓷器件的电极上。
本实用新型可对照附图
叙述如下附图为本隧道电流探针测量装置的结构示意图。图中①为支架，对安装在上面的部件起支撑作用，并保证上下两层间距离不变；支架①上安装有螺旋升降调节器②，测量时旋转调节器②可带动压电陶瓷器件③(伸缩量根据测量范围选定)作上下运动；压电陶瓷③的下端装有金属探针④，④的下方是被测样品⑤；被测样品⑤装在支架①下端开口处内，⑤与电极⑩连接后要保证能导电(对于绝缘基体要在背面——没有薄膜的面镀导电膜)；⑥表示薄膜生长、表面改性的分子束、离子束等。压电陶瓷器件③的两个电极⑦、⑧分别接地和连接施加电压；⑨为与金属探针④相连的电极；(12)是控制电路，其核心是两级开环正相串联的运算放大器(前级为高阻型，后级为高压型)；(11)、(13)是控制电路(12)的两个差动输入端，(11)与一参考电流源相连，(13)与电极⑩相连；(14)是控制电路(12)的输出端，(15)是电压表，(16)是A／D转换及计算机系统，(14)同时连接电极⑧、电压表(15)、计算机系统(16)。
测量时调整②使之带动③连同④向上抬起，以便安放样品⑤，并使样品背面与⑩电导通。而后使控制电路(12)处于工作状态，在⑨施加小电压(～几十毫伏)，流过④⑤间的隧道电流由⑩接到(13)。从(11)施加参考电流(其大小决定平衡时的隧道电流，μA量级)，与(13)的差经(12)放大输出到(14)，通过(15)可观察输出电压的大小。(14)的电压接到⑧用来控制③的伸缩。
本实用新型的实施叙述如下细致调节②使④向⑤靠近，当(15)的指示随②的调节稳定变化，说明已建立隧道电流平衡，在适当的位置锁定②。设③为加电收缩工作方式(反之对换(13)与(11)的极性)，当隧道电流增大，(13)的电压升高进而(14)、⑧电压升高导致③收缩，使④⑤间距离增大，隧道电流减小，从而隧道电流负反馈平衡。因隧道电流对④⑤间距离异常敏感，隧道电流平衡时认为④⑤间距离不变，③的伸缩归结为⑤的变形导致的位移，可根据(14)的电压和③的参数得到。启动⑥开始薄膜生长或表面改性等过程，同时(16)计录下(14)电压变化，就可计算出薄膜内应力的变化。
本实用新型薄膜内应力隧道电流探针测量装置与现有技术相比具有以下特点(1)大大提高了薄膜内应力的测量灵敏度，表1，列出了该实用新型装置与几种典型的测量装置对变形量灵敏度的比较。
表1.本实用新型装置与几种典型测量方法对变形量测量灵敏度的比较
(2)可实现薄膜内应力的即时、全自动测量，这对薄膜生长的在线监控有重要意义。
(3)样品制备安装简单，易于操作。
权利要求1.一种薄膜内应力的隧道电流探针测量装置，其特征在于支架①上方装有升降调节器②和压电陶瓷器件③，在压电陶瓷器件③的前端装有金属探针④、在侧面有电极⑦⑧，被测样品⑤装在支架①下端开口处内、并处于金属探针④的下方；金属探针④与电极⑨连通；被测样品⑤通过电极⑩与控制电路(12)输入端(13)相连；控制电路(12)的输出(14)，一是与计算机系统相连，一是与电极⑧相连，以便通过施加电压控制③的伸缩。
2.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于升降调节器②可调节压电陶瓷器件③的升降。
3.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于控制电路(12)是两级正相串联的运算放大器，前级为高阻型，后级为高压型。
4.根据权利要求1所述的测量装置，其特征在于电极⑦接地。
专利摘要本实用新型为一种薄膜内应力测量装置，其主要特征是在支架①上方装有升降调节器②和压电陶瓷器件③；在压电陶瓷③的前端装有金属探针④，在其两侧有电极⑦、⑧；被测样品⑤装在支架①下端开口处于金属探针④的下方；被测样品⑤通过电极⑩与控制电路(12)的输入端(13)相连；控制电路(12)的输出端(14)与计算机系统(16)和电极⑧相连，通过对电极⑧施加电压来控制③的伸缩，控制金属探针与样品间的距离，以便完成薄膜内应力测试。
文档编号G01L1/16GK2123758SQ92202708
公开日1992年12月2日 申请日期1992年2月20日 优先权日1992年2月20日
发明者赵向荣, 朱静 申请人:冶金工业部钢铁研究总院