СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ И ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТОНКИХ ПРОЗРАЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОДЛОЖКЕ Российский патент 2011 года по МПК G01B11/06 

Описание патента на изобретение RU2415378C2

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:

PO - мощность, излучаемая источником;

Rref(λ) - коэффициент отражения подложки с покрытием.

В случае тонких прозрачных покрытий (когда пропускание покрытия мало отличается от единицы) для коэффициента отражения Rref(λ) трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие -подложка» имеем (см., например, [4]):

где:

n2,3(λ), k2,3(λ) - показатели преломления и поглощения материала покрытия и подложки соответственно; r12, r23 - коэффициенты отражения на границе сред «воздух (вакуум) - покрытие» и «покрытие - подложка» соответственно. При n2≥n3 для r23 берется верхний знак, при n2<n3 - нижний знак.

Перестройка длины волны излучения λ в узком спектральном диапазоне (около некоторой центральной длины волны λo) дает возможность определить (в окрестности длины волны λo) зависимость Rref(λ) от λ. Это позволяет найти R'ref(λ) - производную Rref(λ) по λ.

Зависимость R'ref(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 Rref(λ) по λ, получим (учтя, что изменения по λ величин r12, r23 и n2 во много раз более медленные, чем изменения по λ величины cos[2β(λ)]):

где:

Левая часть (3) зависит только от данных измерений (коэффициента отражения Rref(λ) и его первой производной R'ref(λ)), а правая - от данных измерений (Rref(λ)), оптических характеристик подложки (n3, k3, которые считаются известными), длины волны λ и показателя преломления покрытия n2. Так как в (3) входят тригонометрические функции, то в общем случае из (3) нельзя однозначно определить n2. Однако для тонких покрытий в интервале однозначности (2β≤ π или ) выражение (3) позволяет однозначно найти n2 (решая численно относительно n2 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.

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 n2 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 λO-0.808 мкм. Оптические характеристики подложки соответствовали характеристикам стекла n3=1.52, k3=0, а показатель преломления прозрачной пленки (k2≈0) мог изменяться в диапазоне n2=1.8-2.8.

Из чертежей видно, что способ позволяет с большой точностью находить толщину и показатель преломления тонких прозрачных покрытий в диапазоне показателя преломления покрытия n2=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 λo. 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.

Похожие патенты RU2415378C2

название год авторы номер документа
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ПОДЛОЖКЕ 2007
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Козинцев Валентин Иванович
  • Федотов Юрий Викторович
RU2395788C2
НЕКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ 2008
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Козинцев Валентин Иванович
  • Федотов Юрий Викторович
RU2387977C1
ДИСТАНЦИОННЫЙ ТРЕХВОЛНОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК 2005
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Козинцев Валентин Иванович
  • Смирнова Ольга Алексеевна
  • Федотов Юрий Викторович
RU2304759C1
ДИСТАНЦИОННЫЙ ЧЕТЫРЕХВОЛНОВЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК 2007
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Козинцев Валентин Иванович
  • Смирнова Ольга Алексеевна
  • Федотов Юрий Викторович
RU2359220C1
ДИСТАНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОЛСТЫХ ПЛЕНОК НЕФТЕПРОДУКТОВ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ 2005
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Козинцев Валентин Иванович
  • Федотов Юрий Викторович
RU2300077C1
Эллипсометрический датчик 2022
  • Крылов Петр Николаевич
  • Водеников Сергей Кронидович
  • Федотова Ирина Витальевна
  • Соломенникова Александра Станиславовна
RU2799977C1
ПРОТИВООСЛЕПЛЯЮЩИЙ ЗЕРКАЛЬНЫЙ ЭЛЕМЕНТ ДЛЯ ЗЕРКАЛА ЗАДНЕГО ВИДА ТРАНСПОРТНОГО СРЕДСТВА 2006
  • Зиганшин Рафаел Рахимжанович
  • Исрафилов Загир Хуснимарданович
  • Моисеев Анатолий Михайлович
  • Силуянов Виктор Алексеевич
RU2333420C2
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНОК НА ПОДЛОЖКЕ 2001
  • Белов М.Л.
  • Березин С.В.
  • Городничев В.А.
  • Козинцев В.И.
  • Стрелков Б.В.
RU2207501C2
ПОКРЫТИЯ, СПОСОБЫ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ УМЕНЬШЕНИЯ ОТРАЖЕНИЯ ОТ ОПТИЧЕСКИХ ПОДЛОЖЕК 1997
  • Хааланд Питер Д.
  • Маккой Б. Винсент
RU2204153C2
ПОЛУПРОВОДНИКОВЫЙ ЛАЗЕР ДАЛЬНЕГО ИК-ДИАПАЗОНА НА ГОРЯЧИХ НОСИТЕЛЯХ 1992
  • Демиховский Сергей Валерьевич
  • Муравьев Андрей Валериевич
  • Павлов Сергей Геннадьевич
  • Шастин Валерий Николаевич
RU2022431C1

Иллюстрации к изобретению RU 2 415 378 C2

Реферат патента 2011 года СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ И ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТОНКИХ ПРОЗРАЧНЫХ ПОКРЫТИЙ НА ПОДЛОЖКЕ

Настоящее изобретение касается способа измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке. Заявленный способ включает облучение контролируемого покрытия оптическим излучением. При этом перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны падающего на контролируемое покрытие излучения. Далее регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны и определяют на основе этой зависимости зависимость коэффициента отражения от длины волны и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-покрытие-подложка» и по ним определяют толщину и показатель преломления покрытия. Данный способ позволяет повысить оперативность измерений. 3 ил.

Формула изобретения RU 2 415 378 C2

Способ определения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке путем облучения контролируемого покрытия оптическим излучением, отличающийся тем, что перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны падающего на контролируемое покрытие излучения, регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны, определяют на основе этой зависимости зависимость коэффициента отражения от длины волны и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-покрытие-подложка» и по ним определяют толщину и показатель преломления покрытия.

Документы, цитированные в отчете о поиске Патент 2011 года RU2415378C2

СПОСОБ ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКОГО ИССЛЕДОВАНИЯ ТОНКИХ ПЛЕНОК НА ПЛОСКИХ ПОДЛОЖКАХ 1997
  • Никитин А.К.
RU2133956C1
Способ контроля просветляющих покрытий 1985
  • Беляев Юрий Михайлович
  • Дубров Дмитрий Альфредович
SU1298532A1
ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ПРОЗРАЧНЫХ СЛОЕВ (ВАРИАНТЫ) 1998
  • Иванов В.В.
  • Катин Е.В.
  • Маркелов В.А.
  • Новиков М.А.
  • Тертышник А.Д.
RU2141621C1
НЕКОНТАКТНЫЙ СПОСОБ ОБНАРУЖЕНИЯ НЕФТЯНЫХ ЗАГРЯЗНЕНИЙ НА ПОВЕРХНОСТИ ВОДЫ 2008
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Козинцев Валентин Иванович
  • Федотов Юрий Викторович
RU2387977C1
ДИСТАНЦИОННЫЙ ТРЕХВОЛНОВОЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПЛЕНОК 2005
  • Белов Михаил Леонидович
  • Городничев Виктор Александрович
  • Козинцев Валентин Иванович
  • Смирнова Ольга Алексеевна
  • Федотов Юрий Викторович
RU2304759C1
JP 4320904 A, 11.11.1992.

RU 2 415 378 C2

Авторы

Белов Михаил Леонидович

Городничев Виктор Александрович

Козинцев Валентин Иванович

Федотов Юрий Викторович

Даты

2011-03-27Публикация

2008-12-23Подача