Эллипсометрический датчик Российский патент 2023 года по МПК G01J4/04 

Изобретение относится к области исследования химических и физических свойств поверхности и может быть использовано для измерения толщины тонких прозрачных пленок, нанесенных на прозрачную подложку сложной формы, в том числе упрочняющих покрытий, наносимых на стеклянную тару.

Известно устройство для измерения толщины тонких пленок содержащее перестраиваемый по длине волны источник излучения, фотоприемник, блок вычисления первой и второй производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-пленка-подложка», блок вычисления толщины пленки на поверхности материала 6. (Способ измерения толщины тонких пленок на подложке, RU 2395788).

Устройство обеспечивает устойчивое измерение толщины тонких пленок с точностью по крайней мере порядка 20% в диапазоне толщин пленок от долей мкм до ~5 мкм (см. описание изобретения), что недостаточно для измерения толщины упрочняющих покрытий на стеклотаре, где требуется измерение толщины от 0 до 10 нм с точностью не хуже 1 нм.

Известно устройство для измерения толщины упрочняющих покрытий на стеклотаре (установка CCMS™ компании Agr), содержащее источник излучения, первый световод, второй световод, приемник отраженного сигнала, канал для впрыскивания иммерсионной жидкости. Принцип работы известного устройства основан на формировании на поверхности жидкости (контактирующей с пленкой покрытия и световодами) с коэффициентом преломления равным коэффициенту преломления наносимого покрытия, что исключает отражение от поверхности пленки и в результате на приемник проходит сигнал, отраженный от границы пленка-подложка. Недостатком известного устройства является необходимость использования дорогостоящей жидкости, что к тому же исключает возможность создания компактного, мобильного устройства (описание установки, выдержки из которого прилагаются к заявке).

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому является эллипсометрический датчик, содержащий источник излучения, поляризатор, компенсатор, исследуемый объект, два анализатора, два фотоприемника, регистрирующие два пучка, прошедшие через анализаторы (Эллипсометрический датчик, патент №2157513 С1).

При измерении толщины покрытия на прозрачной подложке с использованием эллипсометрического датчика по прототипу на приемники излучения попадают отраженные сигналы от поверхности покрытия, от границы между покрытием и подложкой и, вследствие падающего расходящегося пучка, от противоположной стороны подложки. Указанное иллюстрируется на фиг. 1а, где 1 - падающий пучок, 2 - отраженный от поверхности покрытия пучок, 3 - границы пучка, отраженного от противоположной поверхности подложки, 4 - стеклянная подложка, 5 - фотоприемник.

Лучи, отраженные от противоположной поверхности подложки, приходящие на два фотоприемника, будут при использовании дифференциального метода измерений, отличаться из-за колебаний толщины подложки (стекла), наличия дефектов в ней и кривизны поверхности подложки, что не позволяет обеспечить требуемую (не более 1 нм) точность измерений толщины пленки покрытия. Кроме того наличие сигнала, от противоположной поверхности подложки не позволяет использовать известные формулы связи фазы отраженного сигнала с толщиной пленки покрытия, т.к. они созданы для полубесконечной подложки.

Целью предполагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей эллипсометрического датчика за счет обеспечения возможности измерения толщины прозрачной пленки на прозрачной подложке с ненулевой кривизной поверхности.

Поставленная цель достигается тем, что в известный эллипсометрический датчик содержащий источник излучения, поляризатор, компенсатор, исследуемый объект, два анализатора, два фотоприемника, регистрирующие два пучка, прошедшие через анализаторы дополнительно включены расположенный между источником излучения и компенсатором двухлучевой коллиматор, формирующий два параллельных луча, и расположенная между поляризатором и исследуемым объектом регулируемая система зеркал, задающая угол падения лучей на исследуемый объект.

Введение двухлучевого коллиматора, включенного между источником излучения и компенсатором, позволяет сформировать два узких параллельных луча, что в итоге позволяет исключить попадание на фотоприемники отраженного от противоположной поверхности стекла сигнала и тем самым обеспечить достижение поставленной цели. Сказанное иллюстрируется рисунком на фиг. 1б, где узкий падающий луч 1, сформированный коллиматором, попадает на приемник 2, в то время как луч 3, отраженный от противоположной поверхности подложки, проходит мимо приемника. Это эквивалентно модели системы - пленка на полубесконечной подложке, для которой известны необходимые соотношения связи эллипсометрических параметров отраженного сигнала с толщиной пленки.

Введение расположенной между поляризатором и исследуемым объектом регулируемой системы зеркал, задающей угол падения лучей на исследуемый объект, обеспечивает формирование компактной измерительной головки, требуемой при измерении толщины покрытия на стеклянном изделии, что также обеспечивает достижение поставленной цели. Обеспечивается это тем, что система зеркал позволяет расположить источник на оси датчика, а ее регулировка позволяет обеспечить точное попадание отраженных от поверхности пленки лучей на фотоприемники.

На фиг. 1б представлен ход падающего луча 1, отраженного от пленки луча 2, отраженного от противоположной поверхности подложки после преломления подложкой 4 луча 3 по отношению к приемнику 5, поясняющие принцип отстройки от луча 3.

На фиг. 2 представлена схема предлагаемого эллипсометрического датчика, причем на фиг. 2а представлено сечение во фронтальном разрезе, на фиг. 2б вид сверху.

Датчик содержит источник 6 излучения, двухлучевой коллиматор 7, компенсатор 8, поляризатор 9, систему зеркал 10, первый второй анализаторы 11, 12 , первый и второй приемники 5,13. На схеме также показан объект измерения 4.

Эллипсометрический датчик работает следующим образом. Световое излучение от источника 6, ось которого совпадает с осью датчика, преобразуется двухлучевым коллиматором 7 в два параллельных луча, которые после прохождения компенсатора 8 и поляризатора 9 попадают на систему зеркал 10, задающую угол падения лучей на контролируемый объект 4, отраженные от которого лучи через анализаторы 11, 12 попадают на приемники 5,13. При этом лучи, отраженные от противоположного края подложки 4, не попадают на приемники, как это показано на фиг. 1б

Известно, что величина потока F, падающего на фотоприемники, связана с положением азимутов ориентации элементов схемы соотношением (1) [Федоринин В.Н. Критерий качества для спектрально-эллипсометрических систем, Оптика и спектроскопия, т. 70, вып. 5, 1991, с. 1169-1176.]

где F₀ - величина начального потока излучения, P - азимут ориентации поляризатора, A - азимут анализатора, R_s,R_p - коэффициенты отражения взаимно ортогональных компонент поляризации, Δ - разность фаз между поляризационными компонентами, вносимая измеряемым объектом. Измерение Δ производится при исходной ориентации анализаторов A₁= 45°, A₂= 135°, соответственно в первом и втором каналах, компенсатора C = 45^o. Соотношение (1) приобретает вид

Аналогично тому, как это сделано в прототипе [RU 2395788] cистема обработки обеспечивает измерение сигнала JΔ, где

Соотношение (3) , в предположении равенства по каналам параметров Δ₁ и Δ_2, принимает вид

Эллипсометрический параметр Δ для тонких пленок связан с толщиной пленки d соотношением (Горшков М.М. Эллипсометрия. М.: Советское радио, 1977, 200 с.)

где - эллипсометрический параметр, измеренный при наличии покрытия, измеренный при отсутствии пленки покрытия.

Для расчета толщины покрытия воспользуемся линейным приближением Люсси, которое справедливо для тонких непоглощающих пленок на непоглощающей подложке (Громов В.К. Введение в эллипсометрию, Изд. ЛГУ, 1968 г., гл. 5 формула 5.8)

где - длина волны источника, ϕ - угол падения луча, n₁ - показатель преломления пленки, n₀ - показатель преломления подложки.

Для конкретного эллипсометрического датчика с углом падения ϕ=45 градусов, длиной волны излучения 650 нм, используемого для измерения толщины пленки SnO₂ имеющей коэффициент преломления n₁=2,0, нанесенной на стеклянную тару с коэффициентом преломления n₀ =1.6 , формула (5) приобретает вид

При расчете величина π взята равной 180*60 угловых минут. Например, при толщине покрытия 10 нм, разность составит 552 угловых минуты, а значит при =180град (значение для отражения от стекла при угле падения 45 град.) фаза сигнала от пленки будет 189.2 градуса.

Измерение толщины пленок SiO₂ на кремнии с помощью разработанного эллипсометрического датчика совпали с результатами измерения на эллипсометре ЛЭФ-3М-1.

Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается эллипсометрического датчика. Эллипсометрический датчик содержит источник излучения, компенсатор, поляризатор, исследуемый объект, два анализатора, два фотоприемника, регистрирующие два пучка, прошедшие через анализаторы. Кроме того, в него дополнительно включены расположенный между источником излучения и компенсатором двухлучевой коллиматор, формирующий два параллельных луча, и расположенная между поляризатором и исследуемым объектом регулируемая система зеркал, задающая угол падения лучей на исследуемый объект. Технический результат заключается в обеспечении возможности измерения толщины прозрачной пленки на прозрачной подложке с ненулевой кривизной поверхности. 4 ил.

Эллипсометрический датчик, содержащий источник излучения, компенсатор, поляризатор, исследуемый объект, два анализатора, два фотоприемника, регистрирующие два пучка, прошедшие через анализаторы, отличающийся тем, в него дополнительно включены расположенный между источником излучения и компенсатором двухлучевой коллиматор, формирующий два параллельных луча, и расположенная между поляризатором и исследуемым объектом регулируемая система зеркал, задающая угол падения лучей на исследуемый объект.