УСТРОЙСТВО ДЛЯ НЕРАЗРУШАЮЩЕГО ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И ПОЛУПРОВОДНИКОВЫХ ПЛЕНОК Российский патент 1998 года по МПК G01B11/06 

Устройство 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 и может использоваться в научных исследованиях.

Известны устройства и приборы, позволяющие определять толщину диэлектрических и полупроводниковых пленок неразрушающими методами, в частности, описанные в [1, 2, 3]
Известно устройство [4] для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых пленок, содержащее лазер, плоское вращающееся зеркало, неподвижные эллиптические зеркала, держатель образцов, приемник излучения и регистрирующий прибор, избранное в качестве прототипа.

Это устройство позволяет измерить толщину пленки из углового расстояния между экстремумами угловой зависимости интенсивности отраженного от образца излучения. В частности, согласно [4] толщина пленки t определяется из соотношения

где λ длина волны лазера;
m число периодов изменения интенсивности (число пиков угловой зависимости интенсивности);
q₁ и θ₂ пределы изменения угла падения луча θ на пленку;
;
n показатель преломления пленки.

В устройстве, являющемся прототипом, 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 в прототипе непрерывным вращением зеркала. При этом отраженный луч лазера скользит по поверхности первого эллиптического зеркала, постоянно под меняющимся углом отражаясь во второй фокус, где расположена измеряемая пленка. Отраженный пленкой луч с помощью второго эллиптического зеркала направляется на фотоприемник, сигнал которого поступает на осциллограф, где наблюдается угловая зависимость интенсивности отраженного от пленки луча света лазера.

Существенным недостатком устройства, выбранного в качестве прототипа, является его высокая стоимость из-за необходимости использования эллиптических зеркал.

Предлагается устройство, отличающееся от прототипа значительно меньшей стоимостью. Это достигается тем, что устройство содержит две линзы, причем первая установлена так, что точка, оптически сопряженная точке образца, в которой производятся измерения, находится на оси вращения плоского зеркала в месте падения на него луча источника излучения, а вторая линза установлена так, что она полностью или частично перекрывает лучи источника, отраженные точкой пленки, в которой производятся измерения, при различных угловых положениях плоского зеркала; приемник излучения расположен так, что точка, оптически сопряженная измеряемой, находится на его приемной площадке.

Устройство содержит (см. чертеж): 1 неподвижный источник излучения (лазер), 2 плоское вращающееся зеркало; 3 и 6 линзы; 4 держатель образца (пленки); 5 образец; 7 приемник излучения; 8 регистрирующий прибор (осциллограф).

Взаимное расположение элементов в предлагаемом устройстве (его оптическая схема) является следующим. Ось вращения плоского зеркала 2 лежит на его поверхности. Луч лазера 1 направлен в точку, лежащую на поверхности плоского зеркала 2 на оси его вращения (точка N). Линза 3 и держатель образца 4 установлены так, что измеряемая точка образца 5 пленки (точка M) является оптически сопряженной точке N. Линза 6 и приемник излучения 7 расположены так, что линза 6 хотя бы частично перекрывает сектор (веер) лучей лазера 1, отраженных измеряемой точкой M образца пленки 5 при их попадании в эту точку при различных угловых положениях плоского зеркала 2, а вход приемника излучения находится в точке P, оптически сопряженной измеряемой точке M образца. Выход приемника излучения соединен с регистрирующим устройством (осциллографом) 8.

На основании сравнения выявленных технических решений с заявляемым был сделан вывод: у известных решений не было выявлено признаков, тождественных отличительным признакам заявляемого объекта, сообщающих объекту те же свойства.

Таким образом, заявляемое техническое решение соответствует критерию "существенные отличия".

Работа устройства осуществляется следующим образом. Луч лазера 1 падает в точку N, расположенную на оси вращения плоского вращающегося зеркала 2 и лежащую на его поверхности. Отразившись от зеркала 2, луч последовательно (вследствие непрерывного вращения зеркала 2) скользит по поверхности линзы 3, все время преломляясь под разными углами в одну и ту же точку M образца, являющуюся оптически сопряженной точке N. Отраженный в точке M от образца (пленки) 5 луч попадает на линзу 6, преломляясь через которую попадает в одну и ту же точку P (оптически сопряженную точке M, в которой находится фотоприемник 7). Сигнал с фотоприемника поступает на вход осциллографа 8, на экране которого 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) аналогично тому, как это делается в [4]
Диапазон изменения угла падения луча лазера в устройстве задан, он определяется положением краев линз относительно измеряемой точки образца (пленки) 5. Толщина пленки t определяется по формуле (1) по числу пиков m на полученной зависимости.

В предлагаемом устройстве используются элементы только сферической оптики (линзы). В этом состоит существенное отличие от прототипа, в котором принципиально необходимо использование несферической оптики эллиптических зеркал, которые являются весьма дорогостоящими элементами и определяют стоимость устройства в целом. Благодаря использованию в предлагаемом устройстве только сферических линз многократно снижается стоимость устройства, что расширяет диапазон возможного его применения.

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 (T.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, N 10, с. 70.

4. Fedortsov A.B. Letenko D.G. Churkin Ln. V. Torchunsky I.A. Ivanov A. S. A fast operating laser device for measuring the thicknuesses of transparent solid and liguid films. Review of Scientigic Instruments, 1992, т. 63, N 7, с. 3579.

Использование: в измерительной технике для научных исследований. Сущность изобретения: устройство содержит источник монохроматического излучения, держатель образца, вращающееся плоское зеркало, ось вращения которого расположена на его отражающей поверхности, а так же первую линзу, установленную так, что точка, оптически сопряженная с точкой образца, в которой производится измерение, находится на оси вращения плоского зеркала в месте падения на него излучения источника, и вторую линзу, установленную с возможностью оптического сопряжения точки образца, в которой производится измерение, и приемной площадки приемника при различных угловых положениях зеркала. 1 з. п.ф-лы, 1 ил.

1. 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 последовательно соединенные приемник излучения и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что введены первая линза, установленная 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 вторая линза, установленная с возможностью оптического сопряжения точки образца, в которой производятся измерения, и приемной площадки приемника при различных угловых положениях плоского зеркала. 2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что источник монохроматического излучения выполнен в виде лазера.