一种用于辉光放电溅射深度测量的双激光器在线实时测量装置及方法

摘要

本发明属于利用放电来测试材料领域，具体提供了一种用于辉光放电溅射深度测量的双激光器在线实时测量装置及方法。本发明采用两台激光位移传感器(A、B)和Grimm辉光放电光源(GDS)构成在线实时深度测量装置，能够在辉光放电光谱仪进行金属样品分析的同时，实时准确测得样品的溅射深度测量曲线和准确的溅射深度测量结果，为传统辉光深度分析方法中对深度估算不准确的问题提供有效解决方案。

说明书

技术领域

本发明属于利用放电测试材料的领域，具体了提供一种用于辉光 放电溅射深度测量的双激光器在线实时测量装置及方法。

背景技术

辉光放电逐层溅射技术可以测定样品各成分随深度定量变化的规 律，在涂镀层、超硬涂层等样品的快速深度分布分析领域有着广泛的 应用。在辉光光谱深度分析中，溅射深度的测量值是非常重要的分析 信息。采用传统辉光深度分析方法存在以下不足：由于主要通过对材 料各元素的密度粗略估算来计算溅射深度，因而导致成分沿深度方向 分布等重要参数的测量存在较大的误差。

采用激光在线实时深度测量的新技术将为辉光定量分析方法提供 更为准确快速的深度分析信息，可以在线得到样品溅射深度的真实测 量值。目前，国内外对激光在线实时深度测量方法的研究一直处于探 索阶段，仍存在以下不足：

前人的研究中由于光源构造及测量方法等局限，没有实现元素光 谱信号与溅射深度信号的同步采集。另外，前人采用建立理论模型的 方式排除溅射过程中光源位移对深度测量产生的影响，而单纯的理论 推导难以涵盖所有真实参数的变化，最终得到的溅射深度实时测量曲 线存在偏差。

现有技术中激光位移传感器可精确非接触测量被测物体的位置、 位移等变化，主要应用于检测物的位移、厚度、振动、距离、直径等 几何量的测量。按照测量原理，激光位移传感器原理分为激光三角测 量法和激光回波分析法，激光三角测量法一般适用于高精度、短距离 的测量，而激光回波分析法则用于远距离测量。

但是，在辉光放电材料分析装置中采用激光位移传感器进行深度 测量的技术方案，现有技术中还未见报道。

发明内容

本发明的目的在于提供用于辉光放电溅射深度测量的双激光器在 线实时测量装置及方法，实现了辉光放电光谱信号与溅射深度信号的 同步测量，能够在辉光放电光谱仪进行金属样品分析的同时实时准确 测得样品的溅射深度测量曲线和准确的溅射深度测量结果，为传统辉 光深度分析方法中对深度估算不准确的问题提供有效解决方案。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种用于辉光放电溅射深度测量的双激光器在线实时测量装置， 它由辉光放电光谱信号测量单元和双激光器溅射深度测量单元组成， 包括辉光放电光源(GDS)、第一激光位移传感器A、第二激光位移传 感器B以及光纤d，能够实现辉光放电光谱信号与溅射深度信号的同 步测量；

其中辉光放电光源(GDS)包括第一石英观测窗a以及第二石英 观测窗b；

第一激光位移传感器A及第二激光位移传感器B处于辉光放电光 源c的同一侧，且第一激光位移传感器A位于第一石英观测窗a的后 方，正对样品e溅射坑，实时测量样品溅射深度；第二激光器B位于 第二石英观测窗b的后方，用来测量样品e未溅射表面的位移。

所述辉光放电光源(GDS)，是符合激光三角测量的Grimm辉光 放电光源。

所述第一石英观测窗a用来观测辉光光谱信号，且激光测量束通 过所述观测窗a测量样品e溅射坑表面。

所述第二石英观测窗b处于阳极筒f和阴极绝缘盘h之间，且激光 测量束通过所述观测窗b测量样品e未溅射表面。

所述第一激光位移传感器A和第二激光位移传感器B是一种激光 三角位移传感器，其包括可激发激光测量束的激光器i以及CCD检测 器j。

一种使用本发明所述的装置进行在线实时测量的方法，包括如下 步骤：1)激发及形成溅射坑，2)信号采集，3)信号解析；

(1)所述激发及形成溅射坑步骤中，针对不同金属材料样品选择 溅射条件，辉光放电光源(GDS)激发辉光c，在金属材料样品e表面 形成溅射坑，同时第一激光位移传感器A通过第一石英观测窗a激发 激光测量束，及第二激光位移传感器B通过第二石英观测窗b激发激 光测量束；

(2)所述信号采集步骤中，第一激光位移传感器A通过第一石英 观测窗a实时采集样品e溅射坑的激光测量信号，第二激光位移传感 器B通过第二石英观测窗b采集样品e未溅射表面的激光测量信号， 同时金属材料样品的辉光放电光谱信号也通过第一观测窗a被光纤d 接收并且实时传输到辉光放电光谱仪；

(3)所述信号解析步骤中，对上述步骤(2)中的第一激光位移 传感器A和第二激光位移传感器B采集的信号进行解析得到溅射坑以 及未溅射表面的测量数据，以系统时间为单位叠加溅射坑以及未溅射 表面的测量数据，得到所述金属材料样品溅射深度的在线实时测量曲 线。

第一激光位移传感器A和第二激光位移传感器B在光源的同一侧 同步测量样品e溅射坑深度和样品e表面未溅射面的位移，用于消除 溅射过程中光源系统的位移对深度实时测量的影响。

测量的溅射坑和未溅射面位于同一样品e的同一侧表面上。

第一激光位移传感器A和第二激光位移传感器B发出的激光测量 束互相平行。

本发明的有益效果：

1、本发明提供了一种准确测量样品溅射深度的方法，有效解决了 传统辉光深度分析方法中对深度估算不准确的问题；

2、本发明采用双激光器在光源的同一侧同步测量溅射坑深度和样 品表面未溅射面的位移，基本消除了溅射过程中光源装置的位移对深 度实时测量的影响。

附图说明

图1为本发明基于新型光源结构的双激光器在线实时测量装置和 测量方法示意图。

图2为本发明中第二激光位移传感器B通过第二石英观测窗b激 发以及采集激光测量光束示意图。

图3为本发明测量的锡基样品溅射深度在线实时测量曲线，其溅 射条件为30mA，900V，溅射时间20分钟。其中a)样品溅射坑测量 曲线，b)样品参考面测量曲线，c)溅射坑深实际测量曲线。

图4为本发明测量的锌基样品溅射深度在线实时测量曲线，其溅 射条件为30mA，900V，溅射时间20分钟。其中a)样品溅射坑测量 曲线，b)样品参考面测量曲线，c)溅射坑深实际测量曲线。

附图标记

A 第一激光位移传感器     B 第二激光位移传感器

a 第一石英窗             b 第二石英窗

c 辉光                   d 光纤

e 样品                   f 阳极筒

g 阴极                   h 阴极绝缘盘

i 激光器                 j CCD检测器

具体实施方式

下面根据附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，一种用于辉光放电溅射深度测量的双激光器在线实 时测量装置，它由辉光放电光谱信号测量单元和双激光器溅射深度测 量单元组成，包括辉光放电光源(GDS)、第一激光位移传感器A、第 二激光位移传感器B以及光纤d，能够实现辉光放电光谱信号与溅射 深度信号的同步测量；

其中辉光放电光源(GDS)包括第一石英观测窗a以及第二石英 观测窗b；

第一激光位移传感器A及第二激光位移传感器B处于辉光放电光 源c的同一侧，且第一激光位移传感器A位于第一石英观测窗a的后 方，正对样品e溅射坑，实时测量样品溅射深度；第二激光器B位于 第二石英观测窗b的后方，用来测量样品e未溅射表面的位移。

所述辉光放电光源(GDS)，是符合激光三角测量的Grimm辉光 放电光源。

所述第一石英观测窗a用来观测辉光光谱信号，且激光测量束通 过所述观测窗a测量样品e溅射坑表面。

所述第二石英观测窗b处于阳极筒f和阴极绝缘盘h之间，且激光 测量束通过所述观测窗b测量样品e未溅射表面。

所述第一激光位移传感器A和第二激光位移传感器B是一种激光 三角位移传感器，其包括可激发激光测量束的激光器i以及CCD检测 器j。

一种本发明所述的装置进行在线实时测量的方法，包括如下步骤： 1)激发及形成溅射坑，2)信号采集，3)信号解析；

(1)所述激发及形成溅射坑步骤中，针对不同金属材料样品选择 溅射条件，辉光放电光源(GDS)激发辉光c，在金属材料样品e表面 形成溅射坑，同时第一激光位移传感器A通过第一石英观测窗a激发 激光测量束，及第二激光位移传感器B通过第二石英观测窗b激发激 光测量束；

(2)所述信号采集步骤中，第一激光位移传感器A通过第一石英 观测窗a实时采集样品e溅射坑的激光测量信号，第二激光位移传感 器B通过第二石英观测窗b采集样品e未溅射表面的激光测量信号， 同时金属材料样品的辉光放电光谱信号也通过第一观测窗a被光纤d 接收并且实时传输到辉光放电光谱仪；

(3)所述信号解析步骤中，对上述步骤(2)中的第一激光位移 传感器A和第二激光位移传感器B采集的信号进行解析得到溅射坑以 及未溅射表面的测量数据，以系统时间为单位叠加溅射坑以及未溅射 表面的测量数据，得到所述金属材料样品溅射深度的在线实时测量曲 线。

第一激光位移传感器A和第二激光位移传感器B在光源的同一侧 同步测量样品e溅射坑深度和样品e表面未溅射面的位移，用于消除 溅射过程中光源系统的位移对深度实时测量的影响。

测量的溅射坑和未溅射面位于同一样品e的同一侧表面上。

第一激光位移传感器A和第二激光位移传感器B发出的激光测量 束互相平行。

具体实施例1：

在本发明的一个具体实施例中，采用本发明所述的双激光器在线 实时测量装置及方法测量锡基标准样品的溅射深度。

首先，准备样品，采用150目的砂纸打磨锡基标准样品表面，然 用无水乙醇擦洗干净，吹干待用。然后，将处理后的锡基标准样品e 置于本发明所述装置的阴极g与阴极绝缘盘h之间，作为装置的阴极， 如图1所示。再用本发明所述的双激光器在线实时测量方法，测量锡 基标准样品的溅射深度，选择溅射条件为放电电流30mA，放电电压 900V，溅射时间20分钟。最后，得到本实施例中锡基标准样品的溅射 坑测量曲线，如图3a)所示；样品参考面测量曲线，如图3b)所示； 以及溅射坑深实际测量曲线，如图3c)所示。

具体实施方式2：

在本发明的另一个具体实施例中，采用本发明所述的双激光器在 线实时测量装置及方法测量锌基标准样品表面的溅射深度。

首先，准备样品，采用150目的砂纸打磨锌基标准样品表面，然 用无水乙醇擦洗干净，吹干待用。然后，将处理后的锌基标准样品e 置于本发明所述装置的阴极g与阴极绝缘盘h之间，作为装置的阴极， 如图1所示。再用本发明所述的双激光器在线实时测量方法，测量锌 基标准样品的溅射深度，选择溅射条件为放电电流30mA，放电电压 900V，溅射时间20分钟。最后，得到本实施例中锌基标准样品的溅射 坑测量曲线，如图4a)所示；样品参考面测量曲线，如图4b)所示； 以及溅射坑深实际测量曲线，如图4c)所示。

以上为用本发明对金属样品溅射深度在线实时测量实验的测试结 果。采用本发明所述方法测量金属样品，得到了较为理想的样品溅射 深度在线实时测量曲线。本发明可应用于辉光放电光谱仪对金属镀层 样品溅射深度的在线实时准确测量和深度分布分析。