一种旋涂薄膜膜厚演化与分布的在线测试装置

1.本发明属于旋涂薄膜在线测试技术领域，具体涉及一种旋涂薄膜膜厚演化与分布的在线测试装置。


背景技术：

2.旋涂技术是一种原理简单、可控性好、重复性高的薄膜制备技术。薄膜器件的膜厚与厚度均匀性决定了器件性能、精度与效率，是旋涂技术的重要评价指标。通过在线测试掌握涂胶过程中薄膜膜厚演化与分布的情况，对旋涂技术的理论研究具有重要意义。干涉法是目前薄膜测试领域中一种简单且易于实现的方法。旋涂膜厚演化在不同区域的规律不同，使最终膜厚分布特征不同。由于旋涂过程时间短、转速高以及对高平稳性要求的特点，目前的光干涉法仅适用于旋转中心单点测试或固定半径周向上的膜厚测试。该方法单次测试中获取的膜厚信息有限，仅限于反映某一点或某一半径位置处的膜厚变化。进行局部区域或全局的膜厚演化测试时，需要通过多次重复测试并整合数据，尤其在大面积基板的测试中效率低下。因此，亟需一种能够实现旋涂过程中对局部区域或全局膜厚演化与分布实时测试的装置。


技术实现要素：

3.为解决现有技术存在的上述问题，本发明要提供一种旋涂薄膜膜厚演化与分布的在线测试装置，不仅可以精确定位到基板覆膜区域的任意位置，而且可以在保证旋涂转台高速平稳运行的前提下对基板上某区域膜厚演化进行在线测试，进一步的反映旋涂过程中薄膜分布情况。
4.为了实现上述功能，本发明的技术方案如下：
5.一种旋涂薄膜膜厚演化与分布的在线测试装置，包括旋涂成膜单元和测试与定位单元。
6.所述旋涂成膜单元包括旋涂转台与基板。所述基板固定于旋涂转台的旋转中心，基板表面旋涂薄膜，基板表面旋涂薄膜区域即覆膜区域；所述旋涂单元用于设置不同的角速度ω以提供不同转速下的膜厚演化样本。
7.所述测试与定位单元包括光学测试模块与定位模块；
8.所述光学测试模块包括ccd相机、显微镜头、单色光同轴光源和调焦架托，所述ccd相机为带有无线传输或内置存储功能的高帧率相机，并且与显微镜头的目镜端连接；所述单色光同轴光源与显微镜头的物镜端连接；所述显微镜头与调焦架托连接。所述光学测试模块利用单色光干涉原理，连续记录指定局部区域的干涉图像演化。
9.所述定位模块包括同步罩、电动丝杠导轨组、配重块、传动齿轮组与环形滑轨；所述同步罩包括面板和圆筒，所述面板与圆筒的上端固定连接，所述面板上设置透明薄板，所述透明薄板的面积大于基板面积且完全覆盖基板；所述面板沿圆周边缘均匀设置安装孔；所述同步罩的下端与环形滑轨滑动连接；
10.所述电动丝杠导轨组包括两台丝杠导轨、三个锥齿轮组成的齿轮组和一台驱动电机；所述两台丝杠导轨同轴水平对称放置，两台丝杠导轨的丝杠内端分别与两个锥齿轮连接；所述驱动电机的输出轴与中心锥齿轮连接；所述驱动电机通过中心锥齿轮同时带动两侧的锥齿轮旋转进而带动两侧的丝杠旋转，驱使两侧丝杠导轨上的滑块同时向外侧或内侧移动；所述丝杠导轨的外端通过螺栓与面板上的安装孔固定连接。
11.所述光学测试模块安装于丝杠导轨组的一侧的滑块上，所述配重块安装于动丝杠导轨组的另一侧的滑块上，保证定位模块的质量平衡。
12.所述定位模块通过丝杠导轨组实现光学测试模块的径向移动，并且移动距离大于基板中心至边缘的最大距离。
13.所述旋涂成膜单元和测试与定位单元通过传动齿轮组连接，并且保持同步转动。所述传动齿轮组包括安装于旋涂转台主轴上的主动轮、安装于同步罩内侧的内齿圈和若干偶数个中间齿轮，并且齿比分配保证旋涂转台与同步罩的转速相同。
14.进一步地，所述基板为边数n大于等于3的多边形或圆形。
15.进一步地，所述面板沿圆周边缘均匀分布36个安装孔。
16.进一步地，所述旋涂薄膜膜厚演化与分布的在线测试装置的工作方法包括以下步骤：
17.a、根据目标观测区域选择面板上合适的安装孔安装丝杠导轨组并固接，所述目标观测区域在覆膜基板上的任意位置；
18.b、丝杠导轨组带动光学测试模块移动，使ccd相机视野从基板中心的初始区域移动至基板边缘，边缘区域即为零级条纹标定区域，记录边缘坐标位置，标定从中心至边缘坐标位置为有效测试区域；
19.c、设定旋涂转台转速，在旋涂过程中光学测试模块移动至目标观测区域并打开单色光同轴光源，单色光同轴光源产生单色光，经过其内置的半透半反镜反射后垂直射向基板上的薄膜，光路经过薄膜上表面后反射产生上表面反射光，光路经过薄膜下表面后反射产生下表面反射光，上表面反射光与下表面反射光形成干涉光，干涉光透射通过半透半反镜到达ccd相机；ccd相机开始截取干涉图像并记录其坐标位置；当旋涂转台转动时，固接在旋涂转台上的主动轮同步转动，通过中间齿轮传递扭矩，带动内齿圈及同步罩与旋涂转台同步转动；
20.d、当旋涂转台停机后，将光学测试模块移动至基板边缘处，持续记录路径上的干涉图像，直到检测到边缘处的零级条纹图像后关闭ccd相机。
21.进一步地，步骤b中，若目标观测区域本身位于基板边缘则省略步骤d中的零级条纹标定。
22.与现有膜厚测试装置相比，本发明的有益效果是：
23.1、本发明基于单色光干涉原理，对某一指定局部区域的旋涂过程进行在线测试。通过测得的干涉图像演化计算出所述区域的膜厚演化过程。为探究旋涂成膜技术中薄膜不同位置区域膜厚演化机理、进一步地全平面膜厚演化提供了高效测试装置。
24.2、本发明充分考虑到旋涂成膜技术短时间、高转速与高平稳性要求的特点，通过采用同步罩与旋涂转台间接连接、即测试与定位单元通过传动齿轮组与旋涂转台连接，光学检测单元与被测薄膜同步转动。在保证旋涂转台高速且平稳运行的前提下对基板上某局
部区域干涉图像演化进行连续测试。
25.3、本发明通过控制单电机驱动的同轴对置丝杠导轨，使光学测试模块在移动的过程中同步罩也保持实时质量平衡；光学测试模块移动中能精确记录观测区域的在基板上的极坐标位置，建立膜厚演化过程与坐标位置的对应关系。规避了由被测物体与测试装置间相对移动所带来的坐标偏移。
附图说明
26.图1为本发明的结构示意图。
27.图2为电动丝杠导轨组的结构示意图。
28.图3为传动齿轮组结构示意图。
29.图4为光学测试模块的光路示意图。
30.图5为有效测试区域(矩形)标定示意图。
31.图中：1、旋涂转台，2、基板，3、同步罩，4、电动丝杠导轨组，5、ccd相机，6、显微镜头，7、单色光同轴光源，8、调焦架托，9、配重块，10、环形滑轨，11、传动齿轮组，12、透明薄板，13、主动轮，14、中间齿轮，15、内齿圈，21、初始区域，22、目标观测区域，23、零级条纹标定区域，24、有效测试区域，31、上表面反射光，32、下表面反射光，33、薄膜，34、半透半反镜。
具体实施方式
32.下面结合附图对本发明进行进一步地描述。如图1-5所示，一种旋涂薄膜膜厚演化与分布的在线测试装置，包括旋涂成膜单元和测试与定位单元。
33.所述旋涂成膜单元包括旋涂转台1与基板2。所述基板2固定于旋涂转台1的旋转中心，基板2表面旋涂薄膜33，基板2表面旋涂薄膜区域即覆膜区域；所述旋涂单元用于设置不同的角速度ω以提供不同转速下的膜厚演化样本。
34.所述测试与定位单元包括光学测试模块与定位模块；
35.所述光学测试模块包括ccd相机5、显微镜头6、单色光同轴光源7和调焦架托8，所述ccd相机5为带有无线传输或内置存储功能的高帧率相机，并且与显微镜头6的目镜端连接；所述单色光同轴光源7与显微镜头6的物镜端连接；所述显微镜头6与调焦架托8连接。所述光学测试模块利用单色光干涉原理，连续记录指定局部区域的干涉图像演化。
36.所述定位模块包括同步罩3、电动丝杠导轨组4、配重块9、传动齿轮组11与环形滑轨10；所述同步罩3包括面板和圆筒，所述面板与圆筒的上端固定连接，所述面板上设置透明薄板12，所述透明薄板12的面积大于基板2的面积且完全覆盖基板2；所述面板沿圆周边缘均匀设置安装孔；所述同步罩3的下端与环形滑轨10滑动连接；
37.所述电动丝杠导轨组4包括两台丝杠导轨、三个锥齿轮组成的齿轮组和一台驱动电机；所述两台丝杠导轨同轴水平对称放置，两台丝杠导轨的丝杠内端分别与两个锥齿轮连接；所述驱动电机的输出轴与中心锥齿轮连接；所述驱动电机通过中心锥齿轮同时带动两侧的锥齿轮旋转进而带动两侧的丝杠旋转，驱使两侧丝杠导轨上的滑块同时向外侧或内侧移动；所述丝杠导轨的外端通过螺栓与面板上的安装孔固定连接。
38.所述光学测试模块安装于丝杠导轨组的一侧的滑块上，所述配重块9安装于动丝杠导轨组的另一侧的滑块上，保证定位模块的质量平衡。
39.所述定位模块通过丝杠导轨组实现光学测试模块的径向移动，并且移动距离大于基板2中心至边缘的最大距离。
40.所述旋涂成膜单元和测试与定位单元通过传动齿轮组11连接，并且保持同步转动。所述传动齿轮组11包括安装于旋涂转台1主轴上的主动轮13、安装于同步罩3内侧的内齿圈15和若干偶数个中间齿轮14，并且齿比分配保证旋涂转台1与同步罩3的转速相同。
41.进一步地，所述基板2为边数n大于等于3的多边形或圆形。
42.进一步地，所述面板沿圆周边缘均匀分布36个安装孔。
43.所述旋涂薄膜33膜厚演化与分布的在线测试装置的工作方法包括以下步骤：
44.a、根据目标观测区域22选择面板上合适的安装孔安装丝杠导轨组并固接，所述目标观测区域22在覆膜基板2上的任意位置；
45.b、丝杠导轨组带动光学测试模块移动，使ccd相机5视野从基板2中心的初始区域21移动至基板2边缘，边缘区域即为零级条纹标定区域23，记录边缘坐标位置，标定从中心至边缘坐标位置为有效测试区域24；
46.c、设定旋涂转台1转速，在旋涂过程中光学测试模块移动至目标观测区域22并打开单色光同轴光源7，单色光同轴光源7产生单色光，经过其内置的半透半反镜34反射后垂直射向基板2上的薄膜33，光路经过薄膜33上表面后反射产生上表面反射光31，光路经过薄膜33下表面后反射产生下表面反射光32，上表面反射光31与下表面反射光32形成干涉光，干涉光透射通过半透半反镜34到达ccd相机5；ccd相机5开始截取干涉图像并记录其坐标位置；当旋涂转台1转动时，固接在旋涂转台1上的主动轮13同步转动，通过中间齿轮14传递扭矩，带动内齿圈15及同步罩3与旋涂转台1同步转动；
47.d、当旋涂转台1停机后，将光学测试模块移动至基板2边缘处，持续记录路径上的干涉图像，直到检测到边缘处的零级条纹图像后关闭ccd相机5。
48.进一步地，步骤b中，若目标观测区域22本身位于基板2边缘则省略步骤d中的零级条纹标定。
49.本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。