Способ измерения толщины слоев многослойной пленки Советский патент 1990 года по МПК G01B11/06 

ел

о о

N5

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения толщины слоев многослойных пленок в химической, радиотехнической и электронной промышленности.

Цель изобретения - увеличение точности измерения толщины каждого слоя за счет учета поглощения излучения в каждом слое.

На чертеже приведена структурная схема устройства, реализующего способ.

Устройство содержит источник 1 им- пульспого оптического излучения сложного спектрального состава, последовательно соединенные блок 2 фотоприемников 3, блок 4 преобразования, блок 5 регистрации, а оптическая фор- мирующая схема выполнена в виде первого 6, второго 7, третьего 8 световодов и разделительного фильтра 9, при этом первый световод 6 установлен так, что его входной торец 10 оп- тическп связан с источником 1 импульсного излучения, второй световод 7 установлен так, что входной торец И расположен напротив выходного торца 12 первого световода 6, а выходной торец 13 оптически связан с входом разделительного фильтра 9, каждый выход 14 которого оптически сопряжен с отдельным фотоприемником 3, третий - так, что его входной торец 15 лежит в одной плоскости с входным торцом 11 второго световода 7, а выходной торец 16 - в одной плоскости с выходным торцом 12 первого световода 6.

Исследуемый объект представляет собой многослойную оптически прозрачную пленку 17, содержащую известное число слоев.

Реализуется способ измерения тол- щины слоев многослойной пленки следующим образом.

Источником 1 формируется вспышка оптического излучения сложного спектрального состава, число длин волн в которой не меньше числа слоев исследуемой пленки. Сформированная вспышка направляется в первый световод 6, на выходе которого формируется световой по- ток, освещающий многослойную пленку 1 7 Интенсивность данного светового потока

ii - V,, и)

где 1„ - интенсивность сформированной источником вспышки оптического излучения;

, - коэффициент пропускания первого световода 6. При прохождении светового потока через пленку 17 часть его поглощается всеми слоями пленки, а прошедший световой поток освещает входные торцы И и 15 световодов 7 и 8 соответственно. Интенсивность светового потока, освещающего торцы 11 и 15 световодов 7 и 8,

-П/1

(2)

где пя - коэффициент пропускания

многослойной пленки. Коэффициент пропускания многослой- I ной пленки может быть представлен произведением коэффициентов пропускакаждого слоя:

п я - П .

LnA S

(3)

где L1; - коэффициент пропускания 1-го

слоя пленки; п - количество слоев исследуемой

пленки.

Согласно закону Бугера-Ламберта- Бера коэффициент пропускания 1-го слоя может быть записан в виде

л ,ехр

, ц,

(А)

где К. - коэффициент ослабления излучения материалом 1-го слоя; d; - толщина 1-го слоя пленки. Тогда

1г I0 V П екр L- К .-L-. (5)

По световоду 7 к разделительному фильтру 9 подается оптический импульс интенсивности

I 1

(6)

У

где 14- коэффициент пропускания световода 7. Учитывая (5), получают

1з V Я,- fl€xf c кгЧЗ.,(7)

Разделительным фильтром 9 световой поток делится на п спектральных частей. При этом интенсивность Ij,; каждой спектральной части можно записать в виде

Ч Aj , Чл, ЧЛу ПехРЈ- KVljX. х L-J,(8)

где

,4,г чу Ч,.2()Л

- интенсивность излучения в формируемой источником

Ц.7, где j - номер фотоприемника;

( -П

S. - чувствительность j-ro прием- 5 J ника. 1 вспышке оптиче- Величины А, записываются в па- ского излучения, бжжа д еобразования. коэффициенты проПосле этого на выходе световода 8 формируется световой поток интенсивпускашгя первого

После этого на выходе световода 8 формируется световой поток интенсив6 и второго 7 све- 10 „ости т f облучающий исследуемую мно- товодов и коэффи- ГОСЯОЙНУ|0 пленку 17. Аналогично для

цнент ослабления излучения материалом 1-го слоя для длины волны |5 Л: соответственно.

В результате, одновременно каждым из фотоприемников 3 фиксируется импульс, амплитуда которого20

пленку

второго импульса освещения пленки I7 величина

А -- С Т л Л -

А г,} V АО. л,- Ч л. Ч,/

,-д. L, П к, л. L,(l

I., J in J

))

Полученные на каждом j-м фотоприемнике сигналы поступают в блок 4 ппреобразования сигналов, где находит ij j о, л j lf, ij 1,; П Kf,/4jx ся отношение вида

.2()Л

Ц.7, где j - номер фотоприемника;

( -П

S. - чувствительность j-ro прием- J ника. Величины А, записываются в па- бжжа д еобразования.

После этого на выходе световода 8 формируется световой поток интенсив„ости т f облучающий исследуемую мно- ГОСЯОЙНУ|0 пленку 17. Аналогично для

„ости т f облучающий исследуемую мно- ГОСЯОЙНУ|0 пленку 17. Аналогично для

пленку

второго импульса освещения пленки I7 величина

А -- С Т л Л

А г,} V АО. л,- Ч л. Ч,/

,-д. L, П к, л.

I., J in J

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для одновременного измерения толщины слоев многослойных пленок. Цель изобретения - увеличение точности измерения толщины каждого слоя за счет учета поглощения излучения в каждом слое. Многослойная пленка 17 облучается вспышкой излучения сложного спектрального состава с помощью световода 6. Часть прошедшего излучения попадает на торец 11 световода 7 и делится фильтром 9 на спектральные составляющие. Блок 2 фотоприемников регистрирует интенсивность каждой спектральной составляющей. Другая часть прошедшего излучения попадает на торец 15, по световоду 8 передается на торец 16 и повторно проходит через многослойную пленку 17, после чего по световоду 7 через фильтр 9 также попадает на блок 2 фотоприемников. Сигналы с блока 2 фотоприемников поступают в блок 4 преобразования сигналов, где определяется отношение интенсивностей и с учетом коэффициента потерь излучения - толщина каждого слоя. 1 ил.

A,;. SJ XMj ,A. .,,;

/ Sj - „.,. .Jij П, exP c - Ki.-aj-L

Преобразуя, получаютПолученная система п линейных алгебраических уравнений позволяет опA},j / 1ЗС РеДелить толщины всех слоев многоА, . 13, AJ ; ., ехр ( ;,л Li J ( 2) слойной пленки одновременно.

Или же

Система (14) разрешима относительно L. только в том случае, если все уравнения в ней линейно независимы. Линейная независимость уравнений определяется величинами кояффициентов К.- д.. Эти коэффициенты могут варьироваться за счет выбора длины волны

так как для различной длины волны Л : коэффициент ослабления излучения i-м слоем имеет свое значение. Условием линейной независимости уравнений в системе является неравенство нулю детерминанта матрицы системы, т.е.

(II)

(J 0.

(15)

Неизвестными величинами в системе

(14) является

К

Вектор0

столбец 3 л.

5

э,д; ,-,AJ

определяется путем калибровки каждого конкретного устройства, а вектор-столбец К,- путем калибровки устройства для каждого конкретного вида исследуемой пленки. Для определения Л. , т.е. величин пропускания световода 8 дня каждой длины волны используется ю же устройство, но без исследуемой пленки. Источником I формируется

вспышка оптического излучения интенсивности l 0 и сложного спектрального состава. Сформированная вспышка, пройдя по световодам 6 и 7, через разделительный фильтр 9 поступает на блок фотоприемников- 3, каждым из которых зафиксирован сигнал

1,1

Ч л,

Чм. о, А

06

1 j - J J

Этот сигнал запоминается блоком 4 преобразования.

После прохождения световодов 8 и 7 другая часть вспышки делится на п спектральных частей разделительным фильтром 9, а каждым из фотоприемников 3 зафиксирован сигнал

,j

S

1

M)V

,,

(17)20

J Ч

Отношение сигналов, зафиксированных каждым j-м фотоприемником, дает

Л2,

Ч Л,

Л .

(18)

Значения 3

М

записываются в память

Ji Л J

блока 4 преобразования сигналов и используется в процессе численного решения системы (14), j

После определения э д в схему устройства помещают эталонный образец материала первого слоя пленки, который имеет известную толщину L . Запустив в световод 6 импульс интенсив

ности I

аналогично описанной методике, находят козффиценты ослабления материала первого слоя пленки для каждой длины волны Д-, т.е. определяют величины

, А- 1П

J ,09)

амплитуды сигналов, поочередно зафиксированных j-м фотоприемником.

первого слоя матесхему устройства второго слоя с толщиной L

чины К

г,з

и аналогично находят велигГ

Подобный процесс повторяют столько раз, сколько слоев в исследуемой многослойной пленке. Все найденные вели

.

0

5

чины организованно записывают в память блока 4 преобразования.

В качестве последнего может быть использована любая стандартная микро- ил и мини-ЭВМ, имеющая в библиотеке прикладных стандартных программ программу решения системы п линейных алгебраических уравнений.

Формула изобретения

Способ измерения толщины слоев многослойной пленки, заключающийся в том, что облучают пленку вспышкой оптического излучения, измеряют интенсивность произвольной части прошедшет- го через пленку оптического излучения, повторно облучают пленку оставшейся частью прошедшего через пленку оптического излучения, повторно измеряют интенсивность такой же, как и при первом измерении, части вновь прошедше- .го пленку оптического излучения, определяют отношение иэмерешгых ин-. тенсишгастей, по которому определяют толщину пленки, отличающий- с я тем, что, с целью увеличения точности измерения толщины каждого слоя, спектральный состав облучающего излучения выбирают из неравенства

detCKf Jy O,

где К , д - коэффициент ослабления излучения мгтерналом 1-го слоя для длины вол

0

5

0

ны

J

|...п;

п - число слоев контролируемой многослойной пленки, перед первым и вторым измерениями ин- тенсивностей прошедшего через пленку излучения разделяют излучение на спектральные части, количество которых соответствует количеству слоев контролируемой пленки, первое и второе измерения ннтенсивностей и определение отношений измеренных интенсивно стей осуществляют отдельно для каждой спектральной части, а толщину каждого слоя многослойной пленки определяют по отношениям интенсивностей для каждой спектральной составляющей с учетом спектральных коэффициентов ослабления излучения материалом.