УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК

Предлагаемая полезная модель относится к измерительной технике и предназначена для быстрого измерения толщины твердых и жидких диэлектрических и полупроводниковых пленок и покрытий в диапазоне 10 мкм - 1 мм и может использоваться в производстве пленок и научных исследованиях.
Известны технические устройства [1, 2, 3, 4], позволяющие определять толщину диэлектрических и полупроводниковых пленок неразрушающими интерферометрическими методами.
С помощью этих устройств определяют толщину пленки по измерениям коэффициента отражения системы пленка-подложка, величина которого вследствие интерференции света в пленке зависит от ее толщины. Так как часть светового потока отражается от поверхности пленки, а часть - от границы пленка-подложка, регистрируемый прибором отраженный световой поток является результатом интерференции двух лучей.
nd
0
0
Таким образом, результирующая интенсивность зависит от двойной оптической толщины пленки 2, где n - показатель преломления пленки,d - ее толщина. При этом используют зависимость величины отношения Θ=R/R коэффициента отражения пленки на подложке R к коэффициенту отражения «чистой» подложки R для монохроматического света с заданной длиной волны λ, являющуюся периодической (фиг.1). С помощью этой кривой по измерениям коэффициентов отражения можно определить толщину пленки.
Известно устройство [5] для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, содержащее лазер, держатель образцов, приемник излучения и регистрирующий прибор, выбранное в качестве прототипа, поскольку совпадает с предлагаемым по большинству существенных признаков.
В устройстве, являющемся прототипом, луч лазера направлен на пленку под косым углом, так как необходимо разделить падающий и отраженный лучи. Отраженный пленкой луч направляется на фотоприемник, сигнал с которого поступает на прибор, регистрирующий интенсивность отраженного от пленки луча лазера.
Существенным недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа, является возможность измерения толщины образца только в одной фиксированной точке на поверхности пленки, что значительно снижает производительность устройства.
Задачей предлагаемой полезной модели является повышение производительности измерений при интерферометрических измерениях толщины пленок (слоев), путем обеспечения возможности измерения толщины в нескольких заранее заданных точках с высокой скоростью.
Для решения поставленной задачи предлагается в устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, содержащее источник монохроматического излучения, держатель образца и последовательно соединенные приемник излучения и регистрирующий прибор, дополнительно ввести две линзы и вращающееся плоское зеркало. Ось вращения плоского зеркала должна быть расположена на его отражающей поверхности, первая линза должна находиться на расстоянии, равном фокусному от вращающегося зеркала, вторая линза должна находиться на расстоянии, равном фокусному от фотоприемника. Причем, обе линзы должны быть расположены так, что их апертуры оптически были сопряжены, а лазерный луч отражался от поверхности вращающегося зеркала в точке, находящейся на оси вращения зеркала.
Сущность предлагаемой полезной модели поясняется следующими фигурами.
на фиг.1 приведена кривая зависимости отношения Θ от толщины образца d На фиг.2 оптико-механическая схема предлагаемого устройства, где: 1 - неподвижный источник излучения (лазер); 2 - вращающееся зеркало с плоской отражающей поверхностью; 3 и 6 - линзы, 4 - держатель образца (пленки); 5 - образец; 7 - приемник излучения; 8 - регистрирующий прибор.
Взаимное расположения элементов в предлагаемом устройстве (его оптико-механическая схема) является следующим. Ось вращения плоского зеркала 2 лежит на его поверхности. Лазер 1 расположен так, что его луч направлен в точку, лежащую на поверхности плоского зеркала 2 на оси его вращения (точка N) и совпадающую с точкой фокуса линзы 3.
Линза 6 установлена таким образом, чтобы полностью перекрыть апертуру линзы 3 (совокупность лучей, отраженных поверхностью образца пленки 5 при различных угловых положениях плоского зеркала 2). Иначе говоря, апертуры линз 3 и 6 оптический сопряжены. Приемник излучения 7 расположен на расстоянии, равном фокусному от линзы 6. Выход приемника излучения соединен с регистрирующим устройством 8.
Работа устройства осуществляется следующим образом. Луча лазера 1 падает в точку N, расположенную на оси вращения плоского зеркала 2 и лежащую на его поверхности. Вследствие непрерывного вращения зеркала 2, отраженные от него лазерные лучи, направляются на линзу 3 и, преломляясь под разными углами в ней, проходят последовательно одну за другой контрольные точки на поверхности образца. При этом, угол падения лучей на поверхность образца не изменяется. Отраженные от образца (пленки) 5 лучи попадают на линзу 6, и, преломляясь в ней, собираются в фокусе на поверхности входного окна фотоприемника 7. Как отмечалось выше, благодаря оптическому сопряжению апертур линз, все лучи, отраженные от образца, обязательно попадут на фотоприемник 7. Сигнал с фотоприемника 7 поступает на вход регистрирующего прибора 8, с помощью которого при вращении плоского зеркала регистрируют интенсивность отраженного от образца лазерного излучения.
В предлагаемом устройстве оптико-механическая схема позволяет сформировать растр лазерных лучей, проецирующийся на поверхность пленки. Каждый из этих лучей позволяет контролировать толщину пленки в точке своего падения на поверхность образца, а в совокупности - в большом числе точек на поверхности с высокой скоростью. В этом состоит существенное отличие от прототипа, в котором луч все время попадает на одну и ту же точку поверхности образца, а для проведения измерений в других точках необходимо обеспечить механическое перемещение прибора относительно образца, либо образца относительно прибора.
Литература
[1] Павлов Л.П. Методы измерения параметров полупроводниковых материалов. М.: 1987, с 239.
[2] Батавин В.В. Концевой Ю.А. Федорович Ю.В. Измерение параметров полупроводниковых материалов и структур. М.: Радио и связь, 1085, с.264. [3] Т.Ояма (Т.Ohyoma), Й.Мори (Y.Mori). Оптический метод измерения однородных толщин прозрачных твердых и жидких пленок в диапазоне около 0,01-1 мм. Приборы для научных исследований, 1987, №10, с.70. [4] Fedortsov А.V., Torchunsky I.A., Ivanov A.S. A fast operating laser device for measuring the thicknesses of transparent solid and liquid films. Review of Scientific Instruments, 1992, т.63, N 7, с.3579.
[5] А.Б.Федорцов, К.Е.Прокофьева Применение гелий-неонового лазера в интерференционном методе измерения толщины пленок. Электронная техника, серия «Методы измерений, установки» 1974. вып.4