УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК

Полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для быстрого и высокоточного измерения толщины твердых и жидких диэлектрических и полупроводниковых пленок и покрытий в диапазоне толщин от 10 мкм до 1 мм и может использоваться в производственном контроле технологических процессов производства пленок и научных исследованиях.
В настоящее время для решения подобных задач все чаще используются лазерные интерференционные методы. В основу этих методов положена интерференция лучей, один из которых отражается верхней, а другой - нижней поверхностью пленки (слоя) (фиг.1).
Коэффициент отражения излучения пленкой, вследствие интерференции лучей внутри нее, зависит от соотношения между оптической толщиной пленки Δ и длиной волны зондирующего излучения λ. Оптическая разность хода Δ при прохождении луча через тонкую прозрачную пленку определяется, как
где d - толщина образца; n - оптический показатель преломления материала образца; θ - угол падения лазерного луча на образец.
1
2
Когда оптическая разность хода Δ между двумя отраженными лучами составит целое число длин волн, то коэффициент отражения света пленкой будет максимальным. Иначе говоря, в отраженном свете будет наблюдаться интерференционный максимум. Если теперь подсчитать число интерференционных максимумов m периодически возникающих при изменении угла падения светового луча на образец от θ до θ, то толщину пленки можно определить по формуле
Для реализации предложенного метода измерений необходимо изменять в строго определенных пределах угол падения светового луча на образец в фиксированной точке на его поверхности.
Существует несколько решений такой задачи. Японские ученые под руководством профессора Мори (Ohyama Т., Mori Y.H. Optical method for measuring uniform thickness of the order of 10 Mm - 1 mm of transparent solid and liquid films // Review of scientific instruments. 1987. V.58, №10. P.1860-1864) предложили использовать для изменения угла падения лазерного луча на образец пантограф. В их установке изменение угла падения в диапазоне от 32° до 59° осуществлялось за 10 секунд. Такое время является не приемлемым для контроля толщины нестабильных во времени пленок. Профессор Ояма и его сотрудники (Ohyama Т., К.Endoh, F.Mikami, Mori Y.H., Review of scientific instruments. 1988. V.59, P.2018,) применили для подобных измерений собирающие линзы, установленные на расстоянии от испытуемой пленки равном фокусному. Однако, нагрев пленки лазерным излучением способен привести к ее деформации и термокапиллярному движению. Кроме того, метод использует фоторегистрацию интерференционной картины, что ограничивает быстродействие реализующей его аппаратуры. Исследователи из группы профессора Насоко (Nosoko Т., Mori Y.H., Nagata Т. // Review of scientific instruments. 1996, V.67, P.2685) развили метод Оямы, улучшив точность измерения и упростив процесс калибровки прибора, сохранив при этом фоторегистрацию интерференционной картины.
Известно устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, (Fedortsov А.В., Letenko D.G, Churkin Yu.V., Torchinsky I.A., Ivanov A.S. A fast operating laser device for measuring the thicknesses of transparent solid and liquid films. Rev. Of Scientific Instruments, 1992, т.63 №7 с.3579) содержащее лазер, плоское вращающееся зеркало, неподвижные эллиптические зеркала, держатель образцов, приемник излучения и регистрирующий прибор. Это устройство позволяет измерить толщину пленки, исходя из числа экстремумов угловой зависимости интенсивности отраженного от образца излучения, приходящихся на заданный диапазон изменения угла падения лазерного луча на образец в фиксированной точке согласно формуле (2).
В описываемом устройстве плоское вращающееся зеркало расположено так, что ось вращения лежит на его поверхности и проходит через один из фокусов первого эллиптического зеркала. Во втором фокусе этого зеркала расположена измеряемая точка образца. Изменение угла падения на образец достигается непрерывным вращением зеркала. Луч лазера отражается от поверхности первого эллиптического зеркала во второй фокус, где находится измеряемая пленка. Отраженный от образца луч при помощи второго эллиптического зеркала направляется на фотоприемник, сигнал которого поступает на осциллограф. На экране осциллографа наблюдается угловая зависимость интенсивности отраженного от пленки лазерного луча.
Существенным недостатком данного устройства является его высокая стоимость, вследствие использования несферической оптики (эллиптических зеркал).
Известно устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок (патент на полезную модель №120490, опубл. 20.09.2012 г.), принятое за прототип, содержащее маркер, прерывающий падение лазерного луча на образец под фиксированным углом.
Устройство содержит (фиг.2):
1 и 2 - сферические зеркала
3 - неподвижный источник излучения (лазер);
4 - вращающееся зеркало с плоской отражающей поверхностью;
5 - держатель образца (пленки);
6 - образец;
7 - приемник излучения;
8 - регистрирующий прибор,
9 - маркер, прерывающий лазерный луч под заданным углом.
Взаимное расположения элементов в предлагаемом устройстве (его оптическая схема) является следующим. Ось вращения плоского зеркала 4 лежит на его поверхности. Луч лазера 3 направлен в точку, лежащую на поверхности плоского зеркала 4 на оси его вращения (точка М).
Зеркало 1, маркер, прерывающий лазерный луч под заданным углом 9 и держатель образца 5 установлены так, что измеряемая точка образца 6 пленки (точка N), является оптически сопряженной точке М. Зеркало 2 и приемник излучения 7 расположены таким образом, что зеркало 2 частично перекрывает сектор (веер) лучей лазера 3, отраженных от пленки 6 в точке N при их падении в эту точку при различных угловых положениях плоского зеркала 4.
Входное окно фотоприемника излучения находится в точке Р, оптически сопряженной к точке N, в которой измеряется толщина образца 6.
Выход фотоприемника излучения соединен с регистрирующим устройством.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Первый этап.
Луча лазера 3 попадает в точку N, расположенную на оси вращения плоского зеркала 4 и лежащую на его поверхности. Отразившись от зеркала 4, луч последовательно (вследствие непрерывного вращения зеркала 4), скользит по поверхности зеркала 1, отражаясь под разными углами в одну и ту же точку М образца.
Точка М оптически сопряжена к точке N. Отраженный от образца 6 в точке М, луч, попадает на зеркало 2, отразившись от которого попадает о одну и ту же точку Р (оптически сопряженную точке М, в которой находится фотоприемник 7).
Сигнал с фотоприемника 7 поступает на вход регистрирующего устройства (например, осциллографа).
При вращении плоского зеркала регистрируется угловая зависимость интенсивности отраженного от образца лазерного излучения.
Из количества пиков (числа интерференционных максимумов) этой зависимости по формуле (2) определяют диапазон, в котором находится толщина пленки.
Второй этап.
Известно, что зависимость коэффициента отражения пленки от ее толщины при фиксированном угле падения носит периодический характер (фигура 3) (А.Б.Федорцов, К.Е.Прокофьева "Применение гелий-неонового лазера в интерференционном методе измерения толщины пленок". Изд. ЦНИИ "Электроника" журн. "Электронная техника" (материалы), 1974, №4, с.117). При известном диапазоне изменения толщин пленки, зная величину коэффициента отражения, можно однозначно установить ее толщину.
Реализуется восстановление значения коэффициента отражения лазерного луча при фиксированном значении угла падения на образец в наперед заданную точку. Зная диапазон, в котором лежит толщина пленки, по графику, представленному на фигуре 3, определяют точное значение толщины пленки.
Процесс восстановления значения коэффициента отражения лазерного луча образцом происходит следующим образом:
Наблюдается интерференционная картина, в которой присутствует разрыв, обусловленный установкой маркера на пути лазерного луча. Регистрируют два ближайших к разрыву, расположенных по обе стороны от него, значения коэффициента отражения. Определяют искомое значение R, как среднее арифметическое от значений ближайших коэффициентов отражения.
Существенным недостатком данного устройства является то, что в процессе вращения плоского зеркала 4, неподвижный маркер 9, установленный для определения угла падения зондирующего луча на образец 6, перекрывает доступ этого луча к поверхности образца при данном значении угла. При этом, значение коэффициента отражения R, соответствующее выделенному углу, не определяется. Недостающие значения коэффициента отражения R приходится восстанавливать математическими методами, что с одной стороны, требует разработки дополнительных алгоритмов обработки информации, а с другой - приводит к ошибке в определении коэффициента R и, как следствие, снижает точность измерений.
Техническим результатом является повышение точности измерений толщины прозрачных диэлектрических и полупроводниковых слоев.
Технический результат достигается тем, что устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, содержащее источник монохроматического излучения, держатель образца, вращающееся плоское зеркало, ось вращения которого расположена на его отражающей поверхности, и приемник излучения, который подсоединен к регистрирующему устройству, первое сферическое зеркало, установленное так, что точка, оптически сопряженная с точкой образца, в которой производятся измерения, находится на оси вращения плоского зеркала, в месте падения на него излучения источника, и второе сферическое зеркало, установленное с возможностью оптического сопряжения точки образца, в которой производятся измерения, и приемной площадки приемника излучения, при различных угловых положениях плоского зеркала, согласно полезной модели, с целью повышения точности измерений, устройство дополнительно содержит электронно-оптический маркер, не прерывающий падение лазерного луча на образец под фиксированным углом, состоящий из дополнительного лазера и дополнительного фотоприемника излучения этого лазера.
Лазер 9 и фотоприемник его излучения 10 (фиг.4) установлены таким образом, что формируют электрический сигнал, соответствующий заданному углу падения зондирующего луча на образец. При этом доступ зондирующего луча к поверхности образца не прерывается.
Устройство для неразрушающего измерения толщины пленок содержит (фиг.5):
1 и 2 - сферические зеркала
3 - неподвижный источник излучения (зондирующий лазер);
4 - вращающееся зеркало с плоской отражающей поверхностью;
5 - держатель образца (пленки);
6 - образец;
7 - приемник излучения;
8 - регистрирующий прибор;
9 - дополнительный лазер;
10 - дополнительный фотоприемник.
Взаимное расположения элементов в предлагаемом устройстве (его оптическая схема) является следующим. Ось вращения плоского зеркала 4 лежит на его поверхности. Луч лазера 3 направлен в точку, лежащую на поверхности плоского зеркала 4 на оси его вращения (точка М).
Зеркало 1 и держатель образца 5 установлены так, что измеряемая точка образца 6 пленки (точка N), является оптически сопряженной точке М. Зеркало 2 и приемник излучения 7 расположены таким образом, что зеркало 2 частично перекрывает сектор (веер) лучей лазера 3, отраженных от пленки 6 в точке N при их падении в эту точку при различных угловых положениях плоского зеркала 4.
Входное окно фотоприемника 7 излучения зондирующего лазера 3 находится в точке Р, оптически сопряженной к точке N, в которой измеряется толщина образца 6.
Выход фотоприемника 7 излучения соединен с регистрирующим устройством 8.
Дополнительный лазер 9 и приемник его излучения 10 установлены так, чтобы луч лазера 9, направленный на вращающееся зеркало 4, отражался от него, и попадал во входное окно фотоприемника 10 только в момент, соответствующий заданному углу падения луча зондирующего лазера 3 на образец 6.
Процесс измерения толщины образца осуществляется в два этапа. На первом этапе определяется диапазон толщин образца, так же, как и в устройстве - прототипе. На втором этапе точное значение толщины образца определяется по значению коэффициента отражения, регистрируемого при заданном угле падения луча на образец. В предлагаемом техническом решении угол падения луча на образец задается установкой не механического, а электронно-оптического маркера. При этом доступ зондирующего луча к поверхности образца не прерывается, и не требуется восстановления утерянного значения коэффициента отражения лазерного луча образцом.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Первый этап.
Луча лазера 3 попадает в точку N, расположенную на оси вращения плоского зеркала 4 и лежащую на его поверхности. Отразившись от зеркала 4, луч последовательно (вследствие непрерывного вращения зеркала 4), скользит по поверхности зеркала 1, отражаясь под разными углами в одну и ту же точку М образца.
Точка М оптически сопряжена к точке N. Отраженный от образца 6 в точке М, луч, попадает на зеркало 2, отразившись от которого попадает в одну и ту же точку Р (оптически сопряженную точке М, в которой находится фотоприемник 7).
Сигнал с фотоприемника 7 поступает на вход регистрирующего устройства (например, осциллографа).
При вращении плоского зеркала регистрируется угловая зависимость интенсивности отраженного от образца лазерного излучения.
Из количества пиков (числа интерференционных максимумов) этой зависимости по формуле (2) определяют диапазон, в котором находится толщина пленки.
Второй этап.
По сигналу, формируемому электронно-оптическим репером, считывается значение коэффициента отражения R зондирующего луча образцом, соответствующее заданному углу падения этого луча в, наперед заданную точку поверхности образца. Зная диапазон, в котором лежит толщина пленки, по графику, представленному на фигуре 3, определяют точное значение толщины пленки.
По результатам проведенных лабораторных исследований точность измерений толщины возросла в 2 раза по сравнению с устройством-прототипом.