热膨胀系数的测量装置的制作方法

本实用新型涉及集成电路制造领域，特别涉及一种热膨胀系数的测量装置。

背景技术：

对于测量材料的热膨胀系数，两个基本参数需要精确测量，即温度和材料受热时的尺寸变化。其中，材料的受热所产生的尺度变化的精确测量最具挑战性。主要原因是由于热膨胀导致的伸缩尺寸及其微小，如SiO2材料，其膨胀系数只有1×10^-6/K。因此对于厚度为10微米的SiO2薄膜材料，每一度的温度变化所导致的尺寸变化仅为0.01纳米的尺寸变化。传统的热膨胀测量方法要求测试样品尺寸在毫米级或以上，而对于薄膜材料就难以实现热膨胀系数的分析和测量。

技术实现要素：

本实用新型提供一种热膨胀系数的测量装置，从而解决现有技术中难以分析和测量毫米级以下材料的热膨胀系数的问题。

为解决上述技术问题，本实用新型提供一种热膨胀系数的测量装置，包括：原位加热台，用于承载并加热样品；工作台，位于原位加热台一侧；微观悬臂，一端设置于所述工作台的顶部，另一端通过纳米探针与样品的表面接触，并且，所述微观悬臂表面涂覆有反射层；激光源，用于向所述微观悬臂投射激光束；激光反射放大模组，用于接收所述微观悬臂上反射的激光束，放大后反射出去；以及信号接收和处理系统，包括光敏二极管阵列和信号处理系统，所述光敏二极管阵列用于接收放大后的激光束信号并传递给信号处理系统，所述信号处理系统对激光束信号进行处理，从而获取样品的热膨胀系数。

作为优选，所述激光反射放大模组至少设置有2组。

作为优选，所述原位加热台中设置有温度控制和记录系统，且所述温度控制和记录系统与所述信号处理系统连接。

作为优选，所述工作台为压电样品台。

作为优选，所述激光反射放大模组包括：二极管激光器和激光反射镜。

本实用新型还提供一种热膨胀系数的测量方法，采用所述的测量装置，包括：

将样品放置在原位加热台上，同时将微观悬臂的一端通过纳米探针与样品表面接触；

激光源发出激光束，激光束经微观悬臂表面反射和激光反射模组的反射放大后由光敏二极管阵列接收；

原位加热台加热样品同时记录加热温度，样品表面膨胀使纳米探针以及微观悬臂的一端高度发生变化；

激光源发出激光束，再次经微观悬臂表面反射和激光反射模组的反射放大后由光敏二极管阵列接收；

信号处理系统前后两次接收光敏二极管阵列的信号并结合加热温度参数，计算获取样品的热膨胀系数。

与现有技术相比，本实用新型利用激光反射放大模组，将样品热膨胀导致的微小的纳米级的尺寸变化有效放大，利用信号接收和处理系统有效探测所放大的尺寸变化。从而达到精确测量材料热膨胀系数的目的。

附图说明

图1为本实用新型的热膨胀系数的测量装置的结构示意图。

图2为本实用新型的热膨胀系数的测量原理示意图。

图中所示：10-原位加热台、20-工作台、30-微观悬臂、40-纳米探针、50-激光源、60-激光反射放大模组、70-光敏二极管阵列、80-信号处理系统。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。需说明的是，本实用新型附图均采用简化的形式且均使用非精准的比例，仅用以方便、明晰地辅助说明本实用新型实施例的目的。

如图1所示，本实用新型提供一种热膨胀系数的测量装置，包括：原位加热台10、工作台20、带有纳米探针40的微观悬臂30、激光源50、激光反射放大模组60以及信号接收和处理系统。

所述原位加热台10用于承载样品100，所述原位加热台10内设置有温度控制和记录系统，用于对所述样品100进行精确加热并使样品100保持恒温，同时记录样品100的温度，以便于后续计算。通常，所述温度控制和记录系统采用带有数据采集和存储功能的恒温控制设备。

所述工作台20采用压电样品台，位于原位加热台10一侧，用于承载所述微观悬臂30，所述微观悬臂30的大小在数十至数百微米，由硅或氮化硅构成，并且所述微观悬臂30表面涂覆有反射层，用于接收激光源50发出的激光束，并将之反射出去。

所述微观悬臂30的另一端通过纳米探针40与样品100的表面接触。当样品100受热膨胀时，纳米探针40的高度发生变化，进而使得微观悬臂30上激光束的反射角度发生变化。

所述激光反射放大模组60用于接收所述微观悬臂30上反射的激光束，并将之放大后反射出去。具体地，所述激光反射放大模组60包括：二极管激光器(Laser Diode)和激光反射镜。当样品受热膨胀时，其体积膨胀表现为高度的变化，导致微观悬臂30向上移动，从而使照射在微观悬臂30末端的激光束的反射光位置也会因为微观悬臂30的位移而改变，这就造成激光光斑位置偏移量的产生。依靠后续的光敏二极管阵列70将激光光斑的偏移量记录下并转换成电的信号，以供信号处理系统80作信号处理。

需要说明的是，样品热膨胀导致的激光束在微观悬臂30上反射角度的微小变化，可以通过激光反射放大模组60进行有效放大，而且放大的倍率可以通过调整激光反射放大模组60的数量来调节。而多重的激光反射放大模组60可以实现万倍级别的放大，即热膨胀导致的0.01纳米的尺寸变化可以放大到100纳米，这种放大后的尺寸变化就可以被信号接收和处理系统有效、精确的探测，从而达到热膨胀系数的精确测量。

本实施例以2组所述激光反射放大模组60为例，说明激光反射放大模组60的放大原理。如图2所示，当样品受热膨胀时，微观悬臂30向上移动，从而使照射在微观悬臂30末端的激光束的反射角度发生变化，进而使得投射到第一组激光反射放大模组60上的入射角度和光斑位置均发生移动，通过测量可以获取光斑的位置移动量D1，经过第一组激光反射放大模组60反射后的激光束，透射到第二组激光反射放大模组60上，并且投射在第二组激光反射放大模组60上的光斑的位置偏移量D2进一步增大，相对于样品的膨胀，可以实现万倍级别的放大。进一步的，上述的位置偏移量D1和D2，可以通过激光束的前后两次入射角以及两组激光反射放大模组60与微观悬臂30之间的位置关系，计算获得。

所述信号接收和处理系统包括光敏二极管阵列70和与所述光敏二极管阵列70连接的信号处理系统80。具体地，所述光敏二极管阵列70用于接收放大后的激光束，并将该激光束转换为电信号，并将电信号传递给信号处理系统80，所述信号处理系统80对电信号进行处理，结合温度控制和记录系统中记录的样品100温度数据，计算获取样品100的热膨胀系数。

请继续参照图1，本实用新型还提供一种热膨胀系数的测量方法，包括：

将待测的样品100放置在原位加热台10上，通常样品100的厚度在微米级。

将微观悬臂30的一端通过纳米探针40与样品100表面接触；

打开激光源50，激光源50发出激光束，激光束50经微观悬臂30表面反射和激光反射模组60的反射和放大后由光敏二极管阵列70接收；

原位加热台10加热样品100同时记录样品100的加热温度，样品100受热之后表面膨胀使纳米探针40的位置发生变化，纳米探针40位置的微小变化会导致微观悬臂30上的激光束的反射角度发生变化；

激光源50发出激光束，再次经微观悬臂30的表面反射(此次反射角度与加热前不同)，反射后的激光束再经激光反射模组60的反射放大后由光敏二极管阵列70接收；

信号处理系统80前后两次接收光敏二极管阵列70的信号并结合加热温度参数，计算获取样品100的热膨胀系数。

显然，本领域的技术人员可以对实用新型进行各种改动和变型而不脱离本实用新型的精神和范围。这样，倘若本实用新型的这些修改和变型属于本实用新型权利要求及其等同技术的范围之内，则本实用新型也意图包括这些改动和变型在内。