УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК
DEVICE FOR NON-DESTRUCTIVE MEASUREMENT OF DIELECTRIC AND SEMICONDUCTOR FILM THICKNESS

Изобретение относится к измерительной технике и предназначено для быстрого измерения толщины твердых и жидких диэлектрических и полупроводниковых пленок и покрытий в диапазоне 10 мкм - 1 мм. Может использоваться в научных исследованиях.
Известно устройство (см. Fedortsov А.В., Letenko D.G., Churkin Yu.V., Torchunsky I.A., Ivanov A.S. A fast operating laser device for measuring the thicknuesses of transparent solid and liguid films. Reviev of Scientific Instruments, 1992, т.63, №7, с.3579.) для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, содержащее лазер, плоское вращающееся зеркало, неподвижные эллиптические зеркала, держатель образцов, приемник излучения и регистрирующий прибор.
Это устройство позволяет измерить толщину пленки из углового расстояния между экстремумами угловой зависимости интенсивности отраженного от образца излучения. В частности (см. Fedortsov A.B., Letenko D.G., Churkin Yu.V., Torchunsky I.A., Ivanov A.S. A fast operating laser device for measuring the thicknuesses of transparent solid and liguid films. Reviev of Scientific Instruments, 1992, т.63, № 7, с.3579), толщина пленки t определяется из соотношения
1
2
где λ - длина волны лазера; m - число периодов изменения интенсивности (число пиков угловой зависимости интенсивности); Θ и Θ - пределы изменения угла падения луча Θ на пленку; ; n - показатель преломления пленки.
В описываемом усройстве плоское вращающееся зеркало расположено так, что ось вращения лежит на его поверхности и проходит через один из фокусов первого эллиптического зеркала, а во втором фокусе этого эллиптического зеркала расположена измеряемая точка образца. Изменение угла падения луча на образец достигается непрерывным вращением зеркала. Луч лазера отражается от поверхности первого эллиптического зеркала, во второй фокус, где расположена измеряемая пленка. Отраженный от образца луч при помощи второго эллиптического зеркала направляется на фотоприемник, сигнал которого поступает на осциллограф, где наблюдается угловая зависимость интенсивности отраженного от пленки луча света лазера.
Существенным недостатком этого устройства является его высокая стоимость из-за необходимости использования несферической оптики (эллиптических зеркал).
Этот недостаток устраняет известное устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок (см. Пат. РФ. Федорцов А.Б.; № 2102702; Заявл. 08.07.94; Опубл. 20.01.98. Бюл. № 2.), содержащее вместо эллиптических зеркал сферические линзы. Это устройство является наиболее близким по совокупности существенных признаков с заявляемым устройство и выбрано в качестве прототипа. Известное устройство содержит лазер, плоское вращающееся зеркало, неподвижные линзы, держатель образцов, приемник излучения и регистрирующий прибор. Причем плоское вращающееся зеркало расположено так, что ось вращения лежит на его поверхности и проходит через точку падения луча лазера на зеркало. Образец и первая линза расположены так, что образец находится в точке, оптически сопряженной точке падения луча лазера на зеркало. Изменение угла падения луча на образец достигается непрерывным вращением зеркала. При этом отраженный луч лазера после прохождения через первую линзу преломляется под разными углами в одну точку образца, являющуюся оптически сопряженной точке падения луча лазера на зеркало. Отраженный от образца луч при помощи второй линзы направляется на фотоприемник, сигнал которого поступает на осциллограф, где наблюдается угловая зависимость интенсивности отраженного от пленки луча света лазера.
Недостатками прототипа является то, что в известном устройстве диапазон применяемого зондирующего излучения ограничен видимым светом вследствие того, что линзы из обычного оптического стекла сильно поглощают в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра.
Задача заключается в создании (разработке) устройства для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, лишенного описанного выше недостатка, в котором обеспечивается возможность использования в качестве зондирующего излучения не только видимого, а также инфракрасного или ультрафиолетового излучения.
Указанный технический результат достигается тем, что в известном устройстве для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, содержащем плоское вращающееся зеркало, неподвижные линзы, держатель образцов, приемник излучения и регистрирующий прибор, вместо неподвижных линз использованы неподвижные сферические зеркала.
Благодаря замене линз на сферические зеркала становится возможным использование в качестве зондирующего излучения инфракрасного и ультрафиолетового излучений, которые поглощались линзами в устройстве, служащем прототипом. Вместе с тем замена линз на сферические зеркала не вызывает ощутимого увеличения себестоимости прибора. Таким образом, предложенное устройство сохраняет преимущества прототипа.
На чертеже представлена оптико-механическая схема устройства для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок.
Устройство для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок содержит 1 и 2 - сферические зеркала; 3 - неподвижный источник излучения (лазер); 4 - плоское вращающееся зеркало; 5 - держатель образца; 6 - образец; 7 - фотоприемник.
Взаимное расположение 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 N). Зеркало 1 и держатель образца 5 установлены так, что измеряемая точка образца 6 пленки (точка M) является оптически сопряженной точке N. Зеркало 2 и приемник излучения 7 расположены так, что зеркало 2, хотя бы частично, перекрывает сектор (веер) лучей лазера 3, отраженных измеряемой точкой M образца пленки 6 при их попадании в эту точку при различных угловых положениях плоского зеркала 4. Тогда как вход приемника излучения находится в точке P, оптически сопряженной измеряемой точке M образца. Выход приемника излучения соединен с регистрирующим устройством.
Работа устройства осуществляется следующим образом.
Луч лазера 3 падает в точку N, расположенную на оси плоского вращающегося зеркала 4 и лежащую на его поверхности. Отразившись от зеркала 4, луч последовательно (вследствие непрерывного вращения зеркала 4) скользит по поверхности зеркала 1, все время отражаясь под разными углами в одну и ту же точку M образца, являющуюся оптически сопряженной точке N. Отраженный в точке M от образца (пленки) 6 луч попадает на зеркало 2, отражаясь от которого попадает в одну и ту же точку P (оптически сопряженную точке M, в которой находится фотоприемник 7). Сигнал с фотоприемника подается на вход регистрирующего устройства (например, осциллографа). При вращении плоского зеркала наблюдают угловую зависимость интенсивности отраженного от образца излучения. Из углового расстояния между пиками этой зависимости определяют толщину пленки по формуле (1).
Диапазон изменения угла падения луча лазера в устройстве задан, он определяется положением краев зеркал относительно измеряемой точки образца (пленки) 6. Толщина пленки t определяется по формуле (1) по числу пиков m на полученной зависимости.
Предлагаемое устройство позволяет использовать в качестве зондирующего излучения не только видимое, а также инфракрасное и ультрафиолетовое излучения. В этом состоит существенное отличие от прототипа, в котором диапазон применяемого зондирующего излучения ограничен видимым светом вследствие того, что линзы из обычного оптического стекла сильно поглощают в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра. Благодаря использованию в предлагаемом устройстве сферических зеркал возможно применение зондирующего излучения как в видимой области, так и в инфракрасной и ультрафиолетовой областях спектра, что расширяет область применения данного устройства.