СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ И ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТОНКИХ ПРОЗРАЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОДЛОЖКЕ
METHOD OF MEASURING THICKNESS AND REFRACTIVITY INDEX OF THIN TRANSPARENT SUBSTRATE COATS

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, во встраиваемой технологической аппаратуре для оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их нанесения.
Известны способы измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных пленок на поверхности материала (см., например, [1-3]), заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, регистрируют отраженное от поверхности излучение и определяют параметры пленки по результатам анализа характеристик отраженного излучения (например, поляризационных характеристик, спектральных характеристик в различных участках спектра или интерференционной картины).
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля характеристик покрытий (например, его показателя преломления и толщины) [2], заключающийся в том, что облучают контролируемое покрытие оптическим излучением, регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения в различных участках спектра, а параметры покрытия определяют по результатам анализа зарегистрированных потоков.
Недостатками способов [1-3] являются малая оперативность измерений и сложность их использования во встраиваемой технологической аппаратуре для оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их нанесения.
Избежать этого недостатка можно тем, что согласно способу контроля характеристик покрытий, включающему облучение контролируемого покрытия оптическим излучением, регистрацию отраженных от покрытия потоков излучения и определение параметров покрытия по результатам анализа зарегистрированных потоков, для измерения толщины и показателя преломления покрытия перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны излучения, падающего на контролируемое покрытие, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны, измеряют на основе этой зависимости коэффициент отражения и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух - покрытие - подложка» и по ним находят толщину и показатель преломления покрытия.
Наличие отличительного признака указывает на соответствие критерию "новизна".
Указанный отличительный признак неизвестен в научно-технической и патентной литературе, и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг.1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.
Устройство содержит перестраиваемый по длине волны источник излучения 1, фотоприемник 2, блок 3 измерения коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка», блок 4 определения толщины и показателя преломления покрытия 5 на поверхности материала 6.
Устройство работает следующим образом.
Оптическое излучение источника 1 отражается поверхностью покрытия 5 и подложки 6, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок 3 измерения коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка», значения коэффициента отражения и его первой производной поступают в блок 4 для определения толщины и показателя преломления покрытия.
Длина волны излучения источника 1 перестраивается в узком спектральном диапазоне (дискретно или плавно) для определения зависимости отраженного потока излучения от длины волны и измерения на основе этой зависимости коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка».
Источник излучения 1 облучает вертикально плоскую подложку с нанесенным на нее покрытием. Фотоприемник 2 на длине волны излучения λ регистрирует мощность Р(λ) излучения, отраженного исследуемой поверхностью. Считается, что источник излучения расположен на небольшом расстоянии от подложки с покрытием, а размеры приемной оптики достаточно велики, так что приемник перехватывает все отраженное излучение. Тогда принимаемая мощность Р(λ) может быть представлена в виде:
где:
O
P - мощность, излучаемая источником;
ref
R(λ) - коэффициент отражения подложки с покрытием.
ref
В случае тонких прозрачных покрытий (когда пропускание покрытия мало отличается от единицы) для коэффициента отражения R(λ) трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие -подложка» имеем (см., например, [4]):
где:
2,3
2,3
12
23
2
3
23
2
3
n(λ), k(λ) - показатели преломления и поглощения материала покрытия и подложки соответственно; r, r - коэффициенты отражения на границе сред «воздух (вакуум) - покрытие» и «покрытие - подложка» соответственно. При n≥n для r берется верхний знак, при n<n - нижний знак.
o
o
ref
ref
ref
Перестройка длины волны излучения λ в узком спектральном диапазоне (около некоторой центральной длины волны λ) дает возможность определить (в окрестности длины волны λ) зависимость R(λ) от λ. Это позволяет найти R'(λ) - производную R(λ) по λ.
ref
ref
12
23
2
Зависимость R'(λ) от параметров трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие -подложка» в случае прозрачных покрытий легко найти. Для прозрачных покрытий, для которых не только пропускание пленки мало отличается от единицы, но и  (для прозрачных пленок эти условия, как правило, выполняются), из (2), дифференцируя R(λ) по λ, получим (учтя, что изменения по λ величин r, r и n во много раз более медленные, чем изменения по λ величины cos[2β(λ)]):
где:
ref
ref
ref
3
3
2
2
2
2
'
Левая часть (3) зависит только от данных измерений (коэффициента отражения R(λ) и его первой производной R (λ)), а правая - от данных измерений (R(λ)), оптических характеристик подложки (n, k, которые считаются известными), длины волны λ и показателя преломления покрытия n. Так как в (3) входят тригонометрические функции, то в общем случае из (3) нельзя однозначно определить n. Однако для тонких покрытий в интервале однозначности (2β≤ π или ) выражение (3) позволяет однозначно найти n (решая численно относительно n нелинейное уравнение (3)).
Если найден показатель преломления покрытия, то из (2), (3) для тонких покрытий можно найти толщину покрытия d:
Таким образом, определение показателя преломления и толщины прозрачных тонких (с толщиной ) покрытий на подложке можно провести, измеряя коэффициент отражения системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка» и его первую производную. Это может быть реализовано, используя один перестраиваемый по длине волны в узком диапазоне лазер.
2
O
3
3
2
2
На фиг.2, 3 для примера приведены результаты математического моделирования работы описанного способа для измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий. Здесь показаны погрешности Δd и Δn (в процентах) определения толщины и показателя преломления покрытия в зависимости от действительных значений толщины d и показателя преломления n покрытия. Погрешности определялись как модуль разности найденных и заданных величин, деленный на заданное значение величины. Считалось, что среднеквадратическое значение погрешности измерения коэффициента отражения и его первой производной равны 0.1%, центральная длина волны излучения λ-0.808 мкм. Оптические характеристики подложки соответствовали характеристикам стекла n=1.52, k=0, а показатель преломления прозрачной пленки (k≈0) мог изменяться в диапазоне n=1.8-2.8.
2
o
Из чертежей видно, что способ позволяет с большой точностью находить толщину и показатель преломления тонких прозрачных покрытий в диапазоне показателя преломления покрытия n=1.8-2.8 и диапазоне толщин покрытий, по крайней мере, от 10 нм до 100 нм. Отметим, что измеряемый (с заданной точностью) диапазон толщин покрытий можно менять, изменяя центральную длину волны λ. Для меньших длин волн этот диапазон смещается в область меньших толщин, для больших длин волн - в область больших толщин.
Таким образом, описанный способ позволяет обеспечить измерение толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий с большой точностью в широком диапазоне изменения параметров покрытия.
Заявляемое изобретение направлено, в частности, на решение задачи оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их получения.
Измерительное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонент и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость".
Источники информации
1. Способ эллипсометрического исследования тонких пленок на плоских подложках. Патент РФ на изобретение №2133956 от 27.07.1999. МКИ G01N 21/21.
2. Способ контроля просветляющих покрытий. Авторское свидетельство №
1298532 от 23.03.1987. МКИ G01B 11/06.
3. Интерферометрическое устройство для измерения физических параметров прозрачных слоев (варианты). Патент РФ на изобретение №2141621 от 04.02.1998. МКИ G01B 11/06, G01N 21/45.
4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, 855 с.