Устройство для измерения толщины тонкой пленки на прозрачной подложке Советский патент 1987 года по МПК G01B21/08 

коммутатора 10 попеременно направляются на фотоприемник 15, усиленные сигналы с которого запоминаются в аналоговых запоминающих блоках (АЗБ), Блок синхронизации инициирует выборку сигналов из АЗБ в блок задания модели, в котором процесс поглощения Iпотока света слоем вещества моделиру1

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в технологическом оборудовании, применяемом в приборостроении, для измерения толщины нанесенных и наносимых тонких пленок на про- з эачные подложки.

Цель изобретения - повьпиение точ- .ности измерения за счет исключения погрешностей от нестабильности источника излучения и фотоприемника.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства для измерения толщины тонкой пленки на прозрачной подложке; на фиг. 2 - структурная схема электронного блока обработки сигналов; на фиг. 3 - структурная схема блоков синхронизации; на фиг. 4 - функциональная схема блока задания модели; на фиг. 5 - график зависимости интенсивности Р плоской монохроматической волны от толщины слоя (закон Бугера-Ламберта); на фиг. 6 - график разряда конденсатора (моделирующая кривая); на фиг. 7 - временны диаграммы работы блока синхронизации на фиг. 8 - временные диаграммы работы электронного блока обработки сигналов.

Устройство для измерения толщины тонкой пленки на прозрачной подложке содержит источник 1 излучения,оптическую систему 2, состоящую из конденсора 3,1 интерференционного светофильтра 4, светочувствительного блока со светоделителем 5 и призмой 6, направляющей излучение на измеряемую тонкую пленку 7, размещенную на прозрачной подложке 8, эталонного светофильтра 9 и блока коммутации све световых потоков, снабженного обтюратором 10, связанным с осью электродвигателя 11, призмами 12 и 13 и линется разрядом конденсатора на активное сопротивление. При совпадении значений эталонного и измеряемого (с RC-цепи) напряжений компаратор выдает сигнал на включение индикатора, где отображается число, пропорциональное толщине пленки в абсолютных единицах. 2 з.п.ф-лы, 8 ил.

зой 14, фотоприемник 15 и электронную систему 16 обработки сигналов. Система 16 включает усилитель 17, два

- аналоговых запоминающих блока (АЗБ) 18 и 19, блок 20 синхронизации, генератор 21 цикла, управляющий тригге р; 22, блок 23 задания модели, стабиль- ный генератор 24, элемент И 25, дво0 ично-десятичный счетчик 26, дешифратор 27 и блок 28 индикаторов. Блок 20 синхронизации выполнен в виде триггера 29 Шмитта, четырех одновибрато- ров 30-33, элемента И 34 и двоичного .

5 счетчика 35. Блок 23 задания модели содержит ключ 36 заряда, токоограни- чивающий резистор 37, конденсатор 38, инвертор 39, ключ. 40 разряда, резистор 41 и компаратор 42.

0

Оптическую систему 2 образуют конденсора 3, служащий для формирования параллельного пучка света, интерф е- - ренционный светофильтр 4, предназна- ченный для выделения спектральной области пучка света, для которой коэффициент пропускания измеряемой пленки 0,2-0,8, светочувствительная система, состоящая из светоделителя 5, выполненного в виде светоразделитель- ной призмы или полупрозрачного зеркала, и призмы 6, делящей световой поток на два пучка, на пути одного из которых распох(агается тонкая пленка 7, размещенная на прозрачной под-5 ложке 8, а на пути другого - эталонный светофильтр 9, система коммутации световых потоков, содержащая обтюратор 10, соединенный с осью электродвигателя 11, и две призмы 12 и 13, и предназначенная для попеременного направления световых потоков с эталонного и измерительного каналов через линзу 14 на фотоприемник 15 |(фотоумножитель) , преобразующий све0

0

3 1 ТОБОЙ ПОТОК в пропорциональньй элекрический сигнал и соединенный с входом усилителя 17 электронной системы 16 обработки сигналов. Усилитель 17 предназначен для усиления и согласования выходного уровня фотоприемника 15 с блоками 18-20. Выход блока 20 синхронизации соединен с вторым входом первого АЗБ 18, а вых ды АЗБ 18 и 19 и триггера 22 соеди- нены с блоком 23 задания модели.Генератор 21 цикла соединен с вторым входом счетчика 26 и первым входом триггера 22, второй вход которого

соединен с выходом блока 23. Стабиль-15 последовательным соединением микро- ный генератор 24 и первый выход триг- схем К284КН1 и К5442Д14 с разделитель- гера 22 соединены с входами элемента И 25, выход которого соединен с первым входом счетчика 26. Дешифратор

20

ным конденсатором, имеющим малый ток утечки, и блок 20 синхронизации, который выдает импульсы разрешения выборки (фиг. 7а,х) АЗБ 18 и 19. Работа блока 20 поясняется диаграммами на фиг. 7. Сигнал с выхода АЗБ 19, являющийся эталонным, подается на вход компаратора 42 блока 23 задания

27 соединен входами с выходом счетчика 26, а выходами - с блоком 28 индикаторов. Второй выход триггера 22 соединен с входом гашения дешифратора 27. Блок 20 синхронизации, обеспечивающий заданный алгоритм ра- 25 модели, а сигнал с выхода АЗБ 18, яв- боты электронной схемы системы 16, ляющийся измеряемым, - на ключ 36 содержит триггер 29 Шмитта, выход заряда блока 23. которого подключен к входу первого i

одновибратора 30, соединенного вы- Интенсивность Ф плоской монохрома- ходом с входом второго одновибратора 30 тической волны после -прохождения

31, второму входу элемента И 34 и первому входу счетчика 35, выходами соединенного с входами однрвибрато- . ров 32 и 33. Выход элемента И 34 и подключен к второму входу счетчика 35 35. Ключ 36 заряда блока задания модели соединен с первым резистором 37, соединенным с конденсатором 38, ключом 40 разряда и компаратором 42. Ключ 40 разряда соединен с выходом 40 инвертора 39 и вторым резистором 41.

где oi коэффициент поглощения, .зависящий только от длины волны света, химической природы и состояния вещества (не зависит от интенсивности света). Его физический смысл легко устано

Ф,г

Устройство работает следующим образом.

Свет от источника 1, пройдя через вить, преобразовав уравнение к сле- конденсор 3 и интерференционный дующему виду: светофильтр 4, приобретает форму параллельного пучка и, частично поглотившись, сохраняет узкую полосу спектра («100 А), соответствующую максимальному поглощению пленки,затем расщепляется призмой 5 (или полупрозрачным зеркалом) на два пучка, один из них проходит через измеряемую тонкую пленку 7 на прозрачной разрядкой конденсатора на активное подложке 8, а другой - через эталон- сопротивление. Емкость С, заряженная ный светофильтр 9. Далее через опти- до напряжения и(Ф,), отключается от ческую систему коммутации свет посту- источника энергии, и одновременно ее пает на фотоприемник 15, временная обкладки замыкаются на сопротивление

- Iri - при i е, oi -j ,

Q Т.е. коэффициент поглощения численно равен единице, деленной на толщину слоя вещества, по прохождению которо го интенсивность света уменьшается в е раз. Данный процесс моделируется

9

зависимость освещенности которого приведена на фиг, 7а. В интервале времени t, - t фотоприемник 15 освещается пучком света, прошедшим через измеряемую пленку, а в интервале t, - t - пучком света, прошедшим через эталонный светофильтр. Интервалы времени t, - t и t - t (t, ) , сформированные оптическим коммутатором, обеспечивают возможность синхронизации электрической схемы.

Электрический сигнал с фотоприем- ника 15 через усилитель 17 поступает на.входы АЗБ 18 и 19, образованных

последовательным соединением микро- схем К284КН1 и К5442Д14 с разделитель

ным конденсатором, имеющим малый ток утечки, и блок 20 синхронизации, который выдает импульсы разрешения выборки (фиг. 7а,х) АЗБ 18 и 19. Работа блока 20 поясняется диаграммами на фиг. 7. Сигнал с выхода АЗБ 19, являющийся эталонным, подается на вход компаратора 42 блока 23 задания

модели, а сигнал с выхода АЗБ 18, яв- ляющийся измеряемым, - на ключ 36 заряда блока 23. i

сквозь слой поглощающего вещества толщиной d связана с интенсивностью волны на входе в слой следующим соотношением (закон Бугера-Лам- берта):

-oid

9 Ф,, е

где oi коэффициент поглощения, .зависящий только от длины волны света, химической природы и состояния вещества (не зависит от интенсивности света). Его физический смысл легко устаноФ,г

вить, преобразовав уравнение к сле- дующему виду: разрядкой конденсатора на активное сопротивление. Емкость С, заряженная до напряжения и(Ф,), отключается от источника энергии, и одновременно ее обкладки замыкаются на сопротивление

- Iri - при i е, oi -j ,

Т.е. коэффициент поглощения численно равен единице, деленной на толщину слоя вещества, по прохождению которого интенсивность света уменьшается в е раз. Данный процесс моделируется

R. С этого момента начинается ее разрядка. Учитывая начальные условия - t 0, и и((р,,),

и -иСФ,) е

:(/R,c)

и(( )е

-Мт

Конденсатор 38 блока 23 должен быть термостабильным, в качество резистора 41 используется прецизионный проволочный подстроечный резистор.

По синхроимпульсу, поступающему с генератора 21 цикла (фиг. 8), сбрасывается двоично-десятичный счетчик 26 и устанавливается в состояние 1 управляющий триггер 22, реализованный на базе D-триггера. Выходные сигналы триггера 22 закрывают ключ 36 заряда и открывают (через инвертор 39) ключ 40 разряда конденсатора 38 и разре- шают поступление счетных импульсов со стабильного генератора 24 через элемент И 25 на двоично-десятичный счетчик 26 и гашение индикаторов блока 28 реализованного на светодиодных семи- сегментньпс индикаторах, например АЛС324А, посредством дешифратора 27, При достижении напряжением конденсатора 38 значения U , равного и(Ф,,), компаратор 42 напряженияj реализован- ный, например, на базе микросхемы К554САЗ, выдает сигнал на сброс управляющего триггера 22, в результате чего на счетчик 26 прекращается поступление импульсов, включаются индикаторы блока 28, разряд конденсатора 38 сменяется его зарядом. До прихода следующего импульса генератора 21 цикла на индикаторах блока. 28 высвечивается число, пропорциональное толщине измеряемой тонкой пленки 7. Частоты, генераторов имеют соотношение, при котором глаз оператора не улавливает кратковременного гашения индикации. Для настройки блока 23 за Дания модели на конкретный физико- химический состав слоя постоянная времени Т разряда конденсатора 38 выставляется в соответствии с коэффициентом поглощения света данной спектральной части этим слоем.

Формула изобретения

1, Устройство для измерения толщины тонкой пленки на прозрачной подложке, содержащее оптически связанные источник излучения, оптическую систему, фотоприемник и электронную систему обработки сигналов, сое

5 0 5 о

g

5

5

0

диненную с ним, отличающее- с я тем, что, с целью повышения точности измерений, оптическая система выполнена в виде конденсора и интерференционного светофильтра, установленных последовательно по ходу пучка излучения, оптически связанньк светочувствительного блока, состоящего из светоделителя и призмы, эталонного светофильтра и блока коммутации световых потоков, постоящего из двух призм и обтюратора с электродвигателем, и линзы, а электронная система обработки сигналов содержит усилитель, первый и второй аналоговые запоминающие блоки (АЗБ), блок синхронизации, генератор цикла, управляющий триггер, блок задания модели, стабильный генератор, элемент И, двоично-десятичный счетчик, дешифратор и блок индикаторов, причем вход усилителя электронного блока обработки сигналов является входом блока, а выход соединен с первым входом первого АЗБ и первым входом второго АЗБ, выход генератора цикла соединен с вторым входом двоично-десятичного счетчика и первым входом управляющего триггера, соединенного первым выходом с вторым входом элемента И, а вторым выходом - с входом гашения дешифратора, выходы которого подключены к входам блока индикаторов, а выход стабильного генератора соединен с первым входом элемента И, соединенного выходом с первым входом двоично-десятичного счетчика, выходы которого подключены к входам дешифратора.

2. Устройство по П.1, отличающееся тем, что блок синхронизации содержит триггер Шмитта, пер- вый второй, третий и четвертый одно- вибраторы, элемент И двоичный счетчик, причем вход триггера Шмитта соединен с выходом усилителя, а выход - с входом первого одновибратора, вторым входом элемента Н и первым входом двоичного счетчика, соединенного первым выходом с входом третьего одно- вибратора, а вторым выходом - с входом четвертого одновибратора, выход которого подключен к второму входу первого АЗБ,кроме того, выход первого одновибратора соединен с входо 1 второго одновибратора, подключенного выходом к первому входу элемента И, выход которого подключен к второму

71

входу двоичного счетчика, а выход третьего одновибратора соединен с вторым входом второго АЗБ.

3. Устройство по п.1, о т ли - чающееся тем, что блок задания модели выполнен в виде ключа заряда и разряда, конденсатора, первого и второго резисторов, инвертора и компаратора, причем первый вход ключа заряда соединен с выходом первого АЗБ, второй вход - с первым вы. Огл5ло- кал г

3558698

; ходом управляющего триггера, а выход с первым резистором, соединенным с конденсатором, первым входом компаратора и первым входом ключа разряда, J второй вход которого подключен к выходу инвертора, выход ключа разряда соединен с вторым резистором, вход инвертора соединен с первым выходом управляющего триггера, второй вход }0 компаратора соединен с выходом второго АЗБ, а выход - с третьим входом управляющего триггера.

9иг.

Редактор А, Огар

Составитель В. Чулков Техред И.Верес

Заказ 5767/37Тираж 677Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР

по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г, Ужгород, ул. Проектная, 4.

Vue.8

Корректор М, Шароши

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет исключения погрешностей от нестабильности источника излучения и фотоприемника. Устройство содержит источник 1 излучения, оптическую систему 2, состоящую из эта-;- лонного и измерительного канйлов,фо- топриемник 15 и электронный блок 16 обработки сигналов, моделирующий закон Бугера-Ламберта. Световой поток от источника 1 света разделяется на два канала, в одном из них располагается измеряемый объект, а в другом - эталонный светофильтр 9.Световые потоки посредством оптического СлЭ Q1 СП ас 65 со фие. /