СПОСОБ УДАЛЕННОГО КОНТРОЛЯ ФОРМЫ ПОВЕРХНОСТИ И ТОЛЩИНЫ ПОКРЫТИЙ, ПОЛУЧАЕМЫХ В ПРОЦЕССЕ МАГНЕТРОННОГО ВАКУУМНОГО НАПЫЛЕНИЯ, И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
METHOD OF REMOTE CONTROL OF SURFACE SHAPE AND THICKNESS OF COATINGS PRODUCED IN PROCESS OF MAGNETRON VACUUM SPUTTERING, AND DEVICE FOR ITS REALISATION

Изобретение относится к прецизионной измерительной технике, к области прецизионных оптических средств контроля формы поверхности объектов в процессе их технологической обработки или функционирования.
Оно может найти применение в технологиях магнетронного вакуумного напыления покрытий на высокоточные плоские подложки, требующих непрерывного контроля формы напыленной поверхности и толщины покрытия, а также в технологиях получения тонкопленочных электронных элементов, в научных исследованиях, в промышленности, в технологическом оборудовании.
Методы и устройства удаленного контроля стали развиваться относительно недавно. Одной из основных целей такого контроля является определение параметров исследуемого объекта непосредственно во время его функционирования так, чтобы сама процедура контроля не только не препятствовала работе, но и позволяла бы влиять на его работу. Одним из основных приложений методов и устройств удаленного контроля является контроль за технологическим процессом в процессе обработки или формирования объекта, когда объект исследования находится в недоступном для непосредственных измерений месте, например в вакуумированном объеме. Наибольшие перспективы технологии удаленного контроля имеют в такой важной для приложений сфере, как получение покрытий методом вакуумного напыления.
Контроль интегральной толщины напыленного слоя осуществлялся и ранее. Однако с внедрением технологий магнетронного вакуумного напыления появилась возможность управлять не только средней толщиной покрытий, но и обеспечивать равномерность толщины покрытий на поверхности подложки.
Тем не менее, эффективное использование таких возможностей магнетронных установок не может быть реализовано, если при этом не будет обеспечен непрерывный в процессе напыления контроль пространственного распределения напыления по плоской высокоточной подложке, т.е. контроль эволюции трехмерного профиля поверхности напыляемого покрытия в реальном времени.
Известен способ по патенту RU 2157509, предназначенный для неразрушающего контроля толщины пленки фоторезиста в процессе ее нанесения на вращающуюся подложку в процессе центрифугирования в операциях фотолитографии, согласно которому контролируемую поверхность подложки освещают пучком света, регистрируют интенсивность отраженного излучения и толщину пленки определяют математически. Недостатком такого способа является низкая точность измерений.
Известны интерференционный способ и схема удаленного контроля параметров оптических прозрачных элементов (трехмерного профиля поверхности, толщины, коэффициента пропускания) с использование лучей, отраженных от двух граней прозрачного объекта, описанные в статье: «A new in situ method for testing the optical thickness of removed transparent elements». // Kozhevatov I.E., Rudenchik E.A., Cheragin N.P., Kulikova E.N. // Proc. SPIE. 2003. V.5134. P.50.
Недостатками этого способа являются использование второй грани в качестве референсной (опорной) поверхности и, как следствие этого, невозможность применения способа для контроля непрозрачных объектов, невозможность выполнения условия стабильности второй грани объекта в процессе всего времени возможной его эволюции.
Наиболее близкими по совокупности существенных признаков к предлагаемому изобретению являются способ и устройство, описанные в US 7019840, где исследование профиля поверхности объекта осуществляется при отсутствии референсной (опорной) поверхности с использованием двух пучков когерентного излучения, отраженных от двух соседних участков, расположенных на контролируемой поверхности. Для этого пучок излучения от когерентного источника при помощи светоделителя направляется в двулучевой интерферометр, в котором падающий пучок света разделяется на два пучка света примерно равной интенсивности, которые затем фокусируются в двух точках, находящихся на исследуемой поверхности на некотором расстоянии друг от друга. Отразившись от исследуемой поверхности, отраженные пучки света возвращаются на светоделитель, где они складываются, интерферируют и направляются на фотодетектор. Фотодетектор генерирует сигнал отклика на изменяющуюся интерференционную картину, вызванную модуляцией оптической разности в интерферометре при помощи пьезоэлектрического актюатора, в результате чего определяется локальная разница высот между двумя точками на исследуемой поверхности.
Недостатками этого способа и устройства являются следующие: в устройстве, реализующем предлагаемый способ, измеряется локальная разница высот между двумя точками поверхности, т.е. не ставится задача получения абсолютного трехмерного профиля исследуемой поверхности. В интерферометре производится поточечный съем данных, что ведет к существенному увеличению времени измерений или к снижению точности при том же времени.
Задача, на решение которой направлено предлагаемое изобретение, является получение абсолютного трехмерного профиля поверхности (карты высот) и толщины покрытия, наносимого на контролируемую поверхность, удаленно (с больших расстояний) без использования референсной (опорной) поверхности с нанометровой точностью в процессе технологической операции.
Решение поставленной задачи в предлагаемом способе удаленного контроля формы поверхности и толщины покрытий, включающем создание пучка света от источника когерентного излучения, пропускание его через двулучевой интерферометр, модуляцию оптической разности хода интерферометра и регистрацию полученной интерференционной картины, достигается тем, что дополнительно излучение от источника формируют в виде точечного источника пространственного когерентного излучения, которое затем преобразовывают в параллельный пучок света, освещают им контролируемую поверхность, расположенную на удаленном расстоянии от двулучевого интерферометра, а отраженный от контролируемой поверхности пучок света пропускают через двулучевой интерферометр и направляют на фокусирующую оптическую систему, строят изображение контролируемой поверхности в интерферирующих пучках света, регистрируют интерференционные картины и измеряют фазы интерферограмм в каждой детектируемой точке изображения, при этом процесс измерения фаз интерферограмм повторяют несколько раз и в каждом последующем измерении предварительно выполняют взаимные смещения первого и второго пучков относительно их первоначального направления и/или взаимный поворот пучков относительно друг друга, далее по распределению фаз интерферограмм, полученных по серии измерений, получают информацию о взаимном перепаде высот профиля поверхности от разных областей одной и той же отражающей поверхности объекта и решают задачу восстановления абсолютного трехмерного профиля всей поверхности по данным относительных измерений интерферограмм, определяют толщину покрытия путем вычисления разности абсолютных трехмерных профилей поверхностей: профиля, полученного до начала измерений (подложка без покрытия), и последующих профилей (подложка с нанесенным покрытием).
Способ удаленного контроля формы поверхности и толщины покрытий может быть осуществлен с помощью устройства, включающего источник когерентного излучения, двулучевой интерферометр, образованный из первого светоделителя, первого поворотного зеркала, второго светоделителя, пьезоэлектрического актюатора, а также второе поворотное зеркало, фотоприемник излучения и контролируемую поверхность, в которое дополнительно вводятся одномодовый световод, оптическая система, третье поворотное зеркало, устройство для поворота пучка света, устройство сдвига пучка света, выходной объектив и компьютер. При этом вход одномодового световода совмещен с выходом источника когерентного излучения, а выход одномодового световода, формирующий точечный источник пространственно когерентного излучения, совмещен с передним фокусом оптической системы, формирующей параллельный пучок света. С помощью второго поворотного зеркала сформированный параллельный пучок света освещает контролируемую поверхность, расположенную удаленно от двулучевого интерферометра. Далее с помощью третьего поворотного зеркала пучок света, отраженный от контролируемой поверхности, направляется на двулучевой фазосдвигающий интерферометр, в котором с помощью первого светоделителя отраженный пучок света от контролируемой поверхности делится на два пучка света приблизительно равной интенсивности. При этом на пути одного из пучков света (первого) установлено первое поворотное зеркало, которое подключено к пьезоэлектрическому актюатору и которое отражает первый пучок на второй светоделитель, а на пути другого пучка света (второго) расположено устройство сдвига второго пучка света относительно его первоначального направления, которое направляет второй пучок света также на второй светоделитель. При этом устройство поворота пучка света вокруг первоначального направления этого пучка света может быть установлено между первым и вторым светоделителями либо на пути первого пучка света, либо на пути второго пучка света. На выходе второго светоделителя первый и второй пучки света складываются, интерферируют и направляются на выходной объектив, строящий изображение контролируемой поверхности объекта в интерферирующих пучках света на матрице фотоприемника излучения, где регистрируются интерференционные картины, и данные измерений направляются в подключенный к фотоприемнику компьютер, восстанавливающий абсолютный трехмерный профиль контролируемой поверхности по данным серии относительных измерений распределения фаз интерферограмм и определяющий толщину покрытия путем вычисления разности абсолютных трехмерных профилей поверхностей: профиля, полученного до начала измерений (подложка без покрытия), и последующих профилей (подложка с нанесенным покрытием).
Предлагаемый способ и устройство иллюстрируются с помощью схем на фиг.1-4, где изображены источник когерентного излучения 1, одномодовый световод 2, формирующий на выходе точечный источник пространственно когерентного излучения 3, при этом вход одномодового световода 2 совмещен с выходом источника излучения 1, а выход 3 одномодового световода 2 совмещен с передним фокусом оптической системы 4, формирующей параллельный пучок света. С помощью второго поворотного зеркала 5 сформированный параллельный пучок света освещает контролируемую поверхность 6. Отраженный от контролируемой поверхности 6 пучок света с помощью третьего поворотного зеркала 7 направляется на двулучевой фазосдвигающий интерферометр 8, образованный из первого светоделителя 9, первого поворотного зеркала 10, второго светоделителя 11, пьезоэлектрического актюатора 12, устройства сдвига 13 пучка света, устройства для поворота 14 пучка света. В двулучевом фазосдвигающем интерферометре 8 отраженный пучок света с помощью первого светоделителя 9 разделяется на два пучка света приблизительно равной интенсивности. На пути одного из пучков света (первого) установлено первое поворотное зеркало 10, которое направляет первый пучок света на второй светоделитель 11. К первому поворотному зеркалу 10 подключен пьезоэлектрический актюатор 12, при помощи которого осуществляется модуляция разности хода между первым и вторым пучками света. На пути другого пучка света (второго) установлено устройство сдвига 13 второго пучка света, которое осуществляет поперечное смещение второго пучка света относительно его первоначального направления и направляет второй пучок света также на второй светоделитель 11. В предлагаемом устройстве предусмотрено, что устройство поворота 14 пучка света вокруг его первоначального направления может быть установлено между первым 9 и вторым 11 светоделителями либо на пути первого пучка света, либо на пути второго пучка света. На выходе двулучевого интерферометра 8 после второго светоделителя 11 на пути следования первого и второго пучков света последовательно установлены выходной объектив 15, фотоприемник излучения 16 и подключенный к фотоприемнику компьютер 17.
Работа предлагаемого устройства (фиг.1), осуществляющего способ удаленного контроля формы поверхности и толщины нанесенных покрытий, заключается в следующем.
При помощи источника когерентного излучения 1 и одномодового световода 2 формируют точечный пространственно когерентный источник 3 зондирующего излучения в переднем фокусе оптической системы 4. С помощью оптической системы 4 излучение преобразуется в параллельный пучок света необходимой апертуры, который с помощью второго поворотного зеркала 5 освещает контролируемую поверхность 6. Пучок света, отраженный от контролируемой поверхности 6, при помощи третьего поворотного зеркала 7 направляется на двулучевой фазосдвигающий интерферометр 8, где с помощью первого светоделителя 9 делится на два идентичных пучка света «а» и «б». Каждый из двух пучков света сохраняет искажения волнового фронта от контролируемой поверхности 6. Один из пучков света (первый) «а» при помощи первого поворотного зеркала 10 направляется на второй светоделитель 11, выполняющий роль сумматора. Другой пучок света (второй) «б» направляется последовательно на устройство сдвига 13 пучка света и второй светоделитель 11. На выходе второго светоделителя 11 пучки света «а» и «б» интерферируют между собой. Выходной объектив 15 строит изображение контролируемой поверхности объекта 6 в интерферирующих пучках света на матрице фотоприемника излучения 16. С помощью компьютера 17 данные измерений интерференционной картины считываются с матрицы фотоприемника 16, обрабатываются и вычисляется распределение фаз интерферограммы. Для точного измерения фаз интерферограмм разность хода между интерферирующими пучками света модулируют при помощи пьезоэлектрического актюатора 12, подключенного к первому поворотному зеркалу 10.
Полный комплекс данных, необходимых для последующего корректного восстановления абсолютного трехмерного профиля контролируемой поверхности по распределению фаз интерферограмм, полученных в результате интерференции пучков света, отраженных от контролируемой поверхности, включает получение серии, по меньшей мере, из четырех циклов измерений, отличающихся взаимным расположением интерферирующих пучков света в каждом цикле.
В первом цикле измерений устройство сдвига 13 пучков света установлено таким образом, чтобы на выходе двулучевого интерферометра 8 первый «а» и второй «б» пучки света полностью перекрывались (см. фиг.2).
Во втором цикле измерений с помощью устройства сдвига 13 пучка света, установленного на пути следования второго пучка света «б», осуществляется поперечное смещение второго пучка света «б» относительно его первоначального направления. В результате на выходе второго светоделителя 11 интерферометра 8 первый «а» и второй «б» пучки света перекрываются не полностью, а частично (см. фиг.3), в результате чего интерферируют только перекрывающиеся части пучков света «а» и «б». Полученные во втором цикле измерений интерференционные картины вновь регистрируется с помощью матрицы фотоприемника 16, и компьютер 17 вычисляет новое распределение фаз интерферограммы.
Третий цикл измерений проводится аналогично предыдущему с другой величиной смещения между пучками света «а» и «б», обеспеченного устройством сдвига 13 пучка света. Полученные в третьем цикле интерференционные картины также регистрируются с помощью матрицы фотоприемника 16, и компьютер 17 вычисляет новое распределение фаз интерферограммы.
Четвертый цикл измерений интерференционных картин получают, введя, например, на пути следования второго пучка света «б» устройство поворота 14 пучка света. В результате на выходе второго светоделителя 11 интерферометра 8 первый пучок света «а» складывается со вторым пучком света «б», повернутым на угол 90° вокруг его первоначального направления (см. фиг.4), и интерферируют. Полученные интерференционные картины вновь регистрируются с помощью матрицы фотоприемника 16, и компьютер 17 вычисляет новое распределение фаз интерферограммы.
По серии полученных относительных распределений фаз интерферограмм с помощью компьютера 17 решается обратная задача восстановления всего трехмерного абсолютного профиля контролируемой поверхности по данным относительных измерений путем минимизации целевой функции, как это описано в статье: Кожеватов И.Е., Руденчик Е.А., Черагин Н.П., Куликова Е.Х., Безрукова Е.Г. // Метод абсолютной калибровки эталонных пластин для интерферометрического контроля поверхностей, // Оптика и спектроскопия, 2001, v.90, N 1, 127-135. Число смещений и поворотов пучков выбирают из условия однозначного решения обратной задачи. Величины сдвигов пучков света детерминированы и определяются заранее путем процедуры оптимизации, позволяющей определить набор сдвигов, приводящих к максимальной точности восстановления абсолютных трехмерных профилей контролируемых поверхностей.
Определение толщины покрытия выполняется также при помощи компьютера 17 путем вычисления разности абсолютных трехмерных профилей поверхностей: профиля, полученного до начала измерений (подложка без покрытия), и последующих профилей (подложка с нанесенным покрытием).
Таким образом, предлагаемые способ и устройство позволяют получить абсолютный трехмерный профиль поверхности (карты высот) покрытия, наносимого на контролируемый объект, без использования референсной (опорной) поверхности с больших расстояний непосредственно в процессе технологической операции напыления.
Устройство было применено авторами для контроля формы поверхности и толщины металлического слоя терморезистивного материала, нанесенного на лицевую поверхность подложки в процессе магнетронного вакуумного напыления. Напыление терморезистивного слоя проводилось на установке магнетронного распыления "Аврора" (AJA, серия «АТС-2200»).
Контролю подвергалась поверхность плоской подложки, выполненной из корунда или поликора, размерами 60×48 мм.
Общее время технологической операции нанесения на подложки металлического слоя терморезистивного материала составляло несколько часов. Контролируемая поверхность находилась в установке магнетронного распыления на расстоянии от 3 до 3,5 метров от измерительной схемы.
-9
В качестве когерентного источника излучения 1 использовался серийно выпускаемый He-Ne лазер ЛГН-302, стабилизированный по частоте с точностью Δν/ν=10.
-6
Одномодовый световод 2 позволил сформировать точечный пространственно когерентный источник оптического излучения 3 с линейными размерами порядка длины волны. Благодаря этому телесный угол источника излучения (отношение линейного размера сформированного источника излучения 3 к фокусному расстоянию оптической системы 4) составлял ничтожно малую величину (~10). В результате возрос контраст интерференционной картины.
Устройство сдвига пучка света 13 может быть выполнено различными способами. В реализованном варианте в качестве устройства сдвига 13 пучка света было применено четвертое поворотное зеркало, перемещаемое вдоль первоначального направления второго пучка «б» при помощи сервомотора, управляемого компьютером 17. Смещение одного пучка света относительно другого выполнялось на детерминированную величину, соответствующую ~1/6 и ~1/3 диаметра пучка света, сформированного оптической системой 4.
В процессе реализации предлагаемого способа и устройства было выявлено, что предпочтительно в качестве устройства поворота 14 пучка света использовать призму Дове.
В качестве фотоприемника 16 использовалась цифровая камера SDU-285 со следующими характеристиками: формат кадра 1392×1032 пикселей, размер пикселя 6,45×6,45 мкм, динамический диапазон 12 дБ, время экспозиции 7 мкс ÷ 4,5 мин.
Применение компьютера 17 решало несколько задач, а именно управление пьезоэлектрическим актюатором 12 для осуществление модуляции разности хода пучков света в двулучевом фазосдвигающем интерферометре, управление устройствами поворота 11 и сдвига 13 пучков света, управление цифровой камерой, съем и обработка массивов данных серий измерений интерференционных картин, вычисление распределения фаз интерферограмм, восстановление абсолютных трехмерных профилей и вычисление толщины нанесенного покрытия контролируемой поверхности.
Алгоритм работы двулучевого фазосмещающего интерферометра 8 в режиме съема данных был следующий. По команде компьютера осуществлялось 4-шаговое смещение поворотного зеркала 10 при помощи пьезоактюатора 12 на величину 1/8 длины волны (длина волны излучения лазера ~630 нм), что приводило к смещению фазы интерференционной картины в каждом шаге на 1/4 периода. Выполнялась экспозиция интерференционной картины фотоприемником 16 и передача массива данных в цифровом виде в память компьютера 17, при этом 1 кадр соответствовал 1 шагу. Модуляция поворотного зеркала 10 при помощи пьезоактюатора 12 производилась с частотой 25 кадров в с в течение ~100 с. Данные, получаемые в каждом цикле, состоящем из 4 шагов, усреднялись. В памяти компьютера формировалась серия файлов усредненных данных интерференционной картины.
По команде с компьютера 17 производилось взаимное смещение или поворот пучков, после чего процедура измерения интерференционной картины повторялась по выше описанному алгоритму.
По окончании выполнения всей программы измерений включалась программа обсчета данных измерений и по серии полученных относительных распределений фаз интерферограмм решалась обратная задача восстановления всего абсолютного трехмерного профиля контролируемой поверхности путем минимизации целевой функции. Среднее время съема, обработки данных и восстановления профилей составляло 5-7 мин.
Точность измерения фазы интерферограммы составляла λ/200 для длины волны λ=630 нм. Точность восстановления абсолютных трехмерных профилей контролируемой поверхности соответствовала 3 нм.