多探頭微機膜厚測控裝置的製作方法

2023-05-12 18:07:51 1

專利名稱：多探頭微機膜厚測控裝置的製作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種多探頭的簿膜厚度測控裝置。
薄膜厚度是薄膜研究和工業應用中的一個重要參數。薄膜的電阻率、電阻溫度係數、磁阻、霍爾係數、熱電係數、光學反射率、趨膚效應等參數均與薄膜厚度有密切的關係，測量這些參數必須知道薄膜的厚度。而且，人們在設計具有一定功能的薄膜時，對其厚度往往有比較嚴格的要求，這就需要在薄膜沉積過程中對膜厚進行實時的監控。
在真空系統中薄膜沉積時對膜厚進行實時監測的方法常用的主要有石英晶體振蕩法、光學法、反射高能電子衍射法等。其中，石英晶體振蕩法可用於監測光學膜、電學膜等多種膜的沉積；光學法主要用於光學膜的沉積；反射高能電子衍射法多用於分子束外延設備中，監測晶體材料的沉積，價格十分昂貴。目前，相應於上述方法的膜厚監控設備一般採用單片機，用數碼管顯示膜厚和薄膜沉積速率，不夠直觀。膜厚監測設備價格昂貴，使用的測量方法一般都是單一的(即多用石英晶體振蕩法)，而且，只能進行單探頭測量，在實際使用中具有很大的局限性。
本實用新型的目的在於設計一種使用微機控制、具有多探頭測量、操作方便、工作穩定、成本低廉的膜厚測控裝置。
本實用新型提出的微機膜厚測控裝置由主計算機、計算機接口卡、數據採集卡、石英晶體探頭、光探頭、擋板驅動器經電路連接構成。其數據採集卡由兩部分組成，一部分是對應於光探頭並與光探頭連接的光電數據採集器，它由光探頭電路、計數器、移位寄存器經電路連接構成；另一部分是對應於石英晶體探頭，並與石英晶體探頭連接的振蕩信號數據採集器，它由振蕩器、計數器、驅動器和繼電器、移位寄存器經電路連接構成。計算機接口卡(I/O接口卡)上設有清零、時基信號、移位信號、輸入埠、輸出埠。數據採集卡的各路計數器的一個端點與接口卡的清零點連結，用於對計數器清零。計數器的另一端點與接口卡的時基信號端連接。數據採信卡的移位寄存器的一個端點與接口卡的移位信號端連接，另一個埠分別與接口卡的輸入埠(D0和D1)連接。各個擋板驅動器分別與接口卡的輸出埠(C0和C1)連接。其結構框圖如

圖1所示。其中，僅給出石英晶體探頭和光探頭分別只有一路的線路框圖，相應的數據採集卡、計算機接口卡的輸入、輸出埠也分別只有一路。相應的電原理圖見圖2所示。
本裝置中，石英晶體探頭和光探頭可以多至16個，相應的數據採集卡的線路也可以多至16路，接口卡的輸入埠、輸出埠也分別有16個，對應的擋板驅動器也多至16個。
本裝置中，數據採集卡和I/O接口卡之間採用多芯長屏蔽線連接，以實現二者之間的並行通信，採集卡和接口卡分開，可使微機與被測控鍍膜機之間離有距離，例如10米，使在線測控比較方便、靈活。
本實用新型中，使用的石英晶體探頭，對應於採用石英晶體振蕩法。該方法利用壓電石英晶體的厚度剪切模振蕩的諧振基頻與厚度有關這一性質。如果材料沉積到石英晶片的表面時就會改變諧振頻率。測得諧振頻率的改變量和改變的快慢就可知道沉積薄膜的厚度和速率。因此，本裝置中就要測得石英晶體探頭在薄膜沉積過程中振蕩頻率的變化。這裡，首先由振蕩電路產生振蕩信號。計數器和移位寄存器實現頻率的採集。圖1中的時基信號用於控制計數器的門控方波，此信號為高電平時，計數器計數，採集探頭的振蕩信號；低電平時，計數器停止計數並將頻率送入移位寄存器，接口卡發出移位信號，將頻率按位移入接口卡，再送入計算機處理，最後接口卡發出計數器清零信號，準備下一次採集。這樣，就完成了一次探頭振蕩頻率的採集，經過微機實時處理，得到膜厚值和膜厚——時間曲線(如圖3所示)。
本實用新型中使用的光探頭，對應於採用光學法。該方法是通過監測薄膜的反射率或透射率的變化獲知薄膜沉積的厚度。人們知道在光學薄膜沉積過程中，薄膜的反射率和透射率會隨膜厚的增加而周期性地出現極大值和極小值。所以，只要適當地選擇測量時的入射波長λ並控制薄膜沉積過程中出現極值的次數，即可使薄膜達到預定的厚度。在這裡，關鍵是監測薄膜反射率或透射率的變化。我們採用一個半導體雷射器，作為單色光源照射到薄膜表面，用一塊光電池來接受反射光(也可是透射光)，隨著薄膜沉積厚度的增加，反射光強(或透射光強)呈周期性變化，光電池的輸出電壓也隨之變化。一般地，監測這個電壓信號就可以了。但是，考慮到外界自然光和蒸發源發光的幹擾，需要採取一定的降噪措施。本實用新型採用了降噪電路，它由濾波器、放大器、取絕對值、V-F轉換電路連接組成。如圖4所示。將該電路接於光探頭與數據採集卡之間。使用該電路，可先濾去直流成份，得到幅度正比於光強的交流信號，再將交流信號放大，然後對交流部分取絕對值，輸出直流電平，之後經過電壓頻率變換將直流電平變為振蕩信號。這樣，振蕩頻率就正比於反射光的光強了。關于振蕩頻率的採集與處理，與石英晶體探頭的測量過程相似。
本實用新型中的接口卡設有兩個8位的輸入埠，可以接16個探頭。另外，還有兩個8位的輸出埠，可以把一個輸出埠設計成位控方式，讓每一位通過驅動器控制一個擋板(0代表關擋板，1代表開擋板)，而把另一個輸出埠設置成輸出8位數位訊號，輸出薄膜沉積速率，將其經數模轉換後反饋到溫度控制儀器，用溫度控制儀控制蒸發加熱裝置，從而實現對鍍膜的控制。
本實用新型使用多探頭，並採用微機控制，給膜厚測控帶來很多方便，可以用多個探頭監測多個蒸發源，掌握每個蒸發源的蒸發速率、沉積膜厚；在真空系統中不同位置放多個探頭，可以測量整個系統中的膜厚分布。而且，一塊接口卡可以接幾塊數據採集卡(只要相應的總數不超16個)，能夠同時監測幾臺鍍膜機。本裝置操作方便，工作穩定，成本低廉。
圖1為本實用新型結構框圖圖2為本實用新型電路原理圖圖3使用石英晶體探頭測控獲得的膜厚一時間曲線，其中(a)為鍍A1的結果，(b)為鍍MgF2的結果。
圖4為光探頭的降噪電路框圖。
實施例從本裝置的結構部件角度介紹，使用的各部件的型號參數，連接關係等。接口卡解碼電路由六非門14HCO4，雙四輸入與非門CD4082和雙四輸入與非門CD4012組成，振蕩器採用555時基振蕩電路，可變分頻器採用HC292，並行接口晶片使用兩片可編程並行接口晶片82C55，每片82C55都有三個8位I/O口，緩衝驅動器用CD4041。
數據採集卡中，計數器使用了二片八位二進位計數器。74HC4040構成一路24位的計數器，移位寄存器則由三片併入/串出移位寄存器CD4021構成一路24位的移位寄存器，振蕩器採用了非門振蕩器。數據採集卡與I/O接口卡之間採用10米長的多芯屏蔽線連接。按圖1和圖4所示進行電路連接，經調試即得本裝置。
權利要求1.一種多探頭微機膜厚測控裝置由主計算機、計算機接口卡、數據採集卡、石英晶體探頭、光探頭、擋板驅動器經電路連接構成，其特徵在於數據採集卡由兩部分組成，一部分為對應於光探頭並與之連接的光電數據採集器，它由光探頭電路、計數器、移位寄存器經電路連接構成；另一部分為對應於石英晶體探頭並與之連接的振蕩信號數據採集器，它由振蕩器、計數器、驅動器和繼電路、移位寄存器經電路連接構成；計算機接口卡上設有清零、時基信號、移位信號、輸入埠、輸出埠；數據採集卡的各路計數器的一個端點與接口卡的清零端連接，另一個端點與接口卡的時基信號端連接，移位寄存器的一個端點與接口卡的移位信號端連接，另一個端點分別與接口卡的輸入埠連接；各擋板驅動器分別與接口卡的輸出埠連接。
2.根據權利要求1所述的多探頭微機膜厚測控裝置，其特徵在於石英晶體探頭和光探頭數量可多到16個，相應的數據採集卡的線路也可多至16路，接口卡的輸入埠、輸出埠分別多至16個，擋板驅動器也多至16個。
3.根據權利要求1或2所述的多探頭微機膜厚測控裝置，其特徵在於數據採集卡和計算機接口卡之間採用多芯長屏蔽線連接以實現兩者之間的並行通信。
專利摘要本實用新型涉及一種多探頭的薄膜厚度測控裝置。它由主計算機、計算機接口卡、數據採集卡、石英晶體探頭、光探頭、擋板驅動器等經電路連接構成。數據採集卡有兩部分構成,分別對應石英晶體探頭和光探頭。探頭可以多至16個。數據採集卡與接口卡之間由長屏蔽線連接。本實用新型使用多探頭和微機測控,可以監測多個蒸發源,測量整個系統中的膜厚分布,並可同時監測風各鍍膜機。本裝置操作方便,工作穩定,成本低廉,易於推廣使用。
文檔編號G01B7/02GK2394194SQ9924023
公開日2000年8月30日 申請日期1999年11月9日 優先權日1999年11月9日
發明者陳國榮, 範智勇, 陳殿勇, 莫曉亮 申請人:復旦大學