Фотометрическое устройство для измерения и управления толщиной оптически активных слоев Советский патент 1990 года по МПК G01B21/08 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения и управления толщиной оптически активных слоев.

Целью изобретения является обеспечение измерения и индикации абсолютных величин характеристик в проходящем и/или отраженном свете покрытых слоями объектов при произвольных толщинах слоев, причем как для отдельных длин волн измерительного света, так и по выбору - Для определенного спектра, для отображения спектральных свойств объекта в виде кривой с абсолютными значениями.

-На фиг.1 представлены части фотометрического устройств.а в вакуумной установке нанесения слоев; на фиг.2 - схема фотометрического устройства; на фиг.З - графические зависимости между первой и второй сравнительными величинами, а также коэффициентом усиления для контрольного стекла, не покрытого слоем, в функции от длины волны света; на фиг.4 - графическое отношение измеренной вели чины от покрытого слоем объекта к абсолютным величинам пропускания (или отражения) в функции от длины.

Оптическая часть фотометрического устройства состоит из расположенного

сл

(00 Ј sj

сл

см

во внешней части установки 1 вакуумного нанесения слоев, содержащей камеру 2 с двумя окнами 3 и 4 и измеряемым стеклом 5, источника б света, измерительный пучок 7 которого определяет ход лучей 8, полупрозрачного зеркала

9,собирающей линзы 10, регулируемого монохроматора 11 и фотоприемника 12, индикаторного блока 13. Фотометрическое устройство содержит также регулируемый монохроматор 14, оптически связанный с фотоприемником 15, возможно подключение к последнему индикаторного блока 16. Устройство содержит также две нулевые диафрагмы 17 (а, в), переключатель 18, который проводом 19 связан с регулируемым усилителем 20, который проводом 2 соединен с задатчиком 22, выход которого проводом 23 связан

с запоминающим блоком 24 для запоминания коэффициента усиления G., выход усилителя 20 проводом 25 связан с переключателем 26, выходы которого проводами 27 - 29 соединены с запоминающими блоками 30 - 32 величин I ,

10,I соответственно, выходы блоков 30 - 32 соединены со схемой 33 оценки, которая проводом 34 управления соединена с монохроматорами 11

и 14, обратная связь 35 идет к задат- чику 22 для коэффициента усиления.

Фотометрическое устройство работает следующим образом.

Большое значение имеет линейность характеристики для коэффициента усиления G, которая в пределах по меньшей мере двух десятичных порядков величины должна быть линейной с отклонением максимум 2%, предпочтительно максимум 1%. Такой усилитель может, например, быть реализован посредством применения кремниевого фотоэлемента, работающего в режиме короткого замыкания и стабилизованного кварцем усилителя с фазовой автоматической подстройкой. С помощью такого усилительного устройства достижима линейность фотометра в диапазоне четырех десятичных порядков величины с ошибкой менее 1% (абсолютных).

Выбор коэффициента усиления находится в фактической связи с формированием первой сравнительной величины I, и второй сравнительной величины I , которые должны значительно, а именно максимально возможно, отличаться одна от другой. Так называемые

0

5

0

5

0

5

0

5

сравнительные величины являются величинами интенсивности попадающей на фотоприемник части луча измерительного света, причем эта часть может колебаться между 0 и 100%.

Указанные сравнительные величины важны для калибровки процесса измерения или устройства. Устройство калибруется методом калибровки в двух точках. В случае измерения пропускания при этом для получения первой калибрационной точки для I, либо не

VU

ставится контрольного стекла по ходу луча, т.е. луч измерительного света идет неослабленным и его энергия составляет в фотоприемнике 1 100%, или в ход луча вводится контрольное стекло без слоя покрытия. За счет известного коэффициента преломления, примененного контрольного стекла полу, чается определенное пропускание, например, I 92%, для коэффициента преломления п 1,5. При измерении отражения применяется контрольное стекло без слоя покрытия, однако с матовой задней стороной, чтобы там свет отражался диффузно.

В результате этого нужно принимать во внимание только отражение от передней поверхности. По известному коэффициенту преломления контрольного стекла можно рассчитать величину отражения, например 4,2%, при коэффициенте преломления п 1,5.

Второе сравнительное значение I относится также к поступающей на фотоприемник интенсивности, которая, однако, значительно ниже и в самом благоприятном случае равна нулю. Чтобы получить второе сравнительное значение IQ при измерении пропускания( вход усилителя заземляется или в ход луча вводится так называемая нулевая диафрагма. При измерении отражения, напротив, может применяться только введение нулевой диафрагмы в ход луча измерительного света. Под нулевой диафрагмой понимается непрозрачное тело, которое не пропускает и/или не отражает никакого света. В простейшем случае она представляет собой подвижную черную пластинку с матовой поверх- ностью. Чтобы подавить всякие остатки отражения, черная пластинка имеет клиновую форму, чтобы по меньшей мере одна ее поверхность проходила под углом к ходу луча, таким образом, что сравнительные величины IL и I0 имеют

значительное расстояние между собой. Это расстояние можно увеличить, и в смысле максимальной точности индикации оценить если отнесенный к непокрытому контрольному стеклу коэффициент усиления G усилителя будет увеличен до такой степени, пока первая сравнительная величина 1 по существ достигнет максимума, первая сравнительная величина I, должна быть максимально большей, однако при условии, чтобы усилитель не попадал в диапазон насыщения.

Изобретение основано на том, что две точки определяют прямую. Вследствие расстояния между первой и второй сравнительными величинами можно достичь требуемой линейности с использованием только одного уси- лителя, который имеет указанные свойства.

Посредством запоминания величин GL, I, и I после указания соответствующей этому длины волны, а при необходимости также в зависимости от длины волны, как изображение кривой, можно в любое время опросить соответствующие величины счетно решающим устройством, и посредством счетных операций микропроцессора математически объединить их с измеряемой величиной I покрытого слоем, или находящегося в процессе покрытия слоем объекта. После калибровки запоминают в зависимости от длины волны величины IL (всегда максимально возможные), и 10, также как и значения коэффициента усиления G для непокрытого слоем контрольного стекла. Коэффициент усиления GL не является постоянным по всему диапа- зону. Более того, получается, что как раз в середине спектрального диапазона видимого света источника измерительного света коэффициент усиления имеет минимум, потому что спектральная интенсивность источника измерительного света в этом месте имеет максимум. Е-сли теперь первое сравнительное значение I, установить на максимально возможное значение, что получается автоматически путем работы счетно-решающего устройства схемы оценки, то хотя и получается в основном постоянные величины для

IL, но не для GL.

Для абсолютного значения пропускания Т определяется по формуле

I - 10

(как безразмерная величина от 0 до 1) 5 или соответственно для абсолютного отражения R

R

I - I.

Rb

IL- Io

0

5

0

5

0

5

0

5

0

(как безразмерная величина от 0 до 1) где I - измеряемая величина от покрытого слоем объекта; R, - расчетное отражение непокрытого слоем контрольного стекла, рассчитываемое по известному коэффициенту преломления; Т светопропускание непокрытого слоем контрольного стекла, рассчитанное по известному коэффициенту преломления, или при отсутствии контрольного стекла 1 ,0.

В заключение к описанным автоматически проводимым счетно-решающим устройствам, счетным операциям запомненная величина или соответственно запомненные величины для усиления G опрашиваются счетным блоком. Строится переменный коэффициент усиления G на основе следующих зависимостей: для пропускания: G GL Т L и для отражения: G GL-R,.

В счетном блоке измеренная величина I усиливается или умножается на соответствующий коэффициент усиления G и представляется как функция длины волны. Это касается абсолютных величин пропускания Т и абсолютных величин отражения R, которые посредством электронно-лучевого дисплея изобража ются в виде графика или печатаются с помощью печатного устройства, или в цифрах отображаются на цифровой индикаторной системе. Соответствующие величины и кривые дают полную информацию об оптических свойствах соответствующего объекта и не требуют уже никаких сравнительных измерений с образцами и т.п.

Не обязательно усиленную измерительную величину I от покрытого слоем объекта запоминать в запоминающем устройстве. После калибровки устройства без дальнейших сложностей можно замеренную величину I сразу преобразовать с помощью вышеуказанных операций и вывести на индикацию. Однако целесообразно измеряемую величину также запоминать в запоминающем устройстве, так что она может быть

7558

опрошена для различных счетных операций спустя какое-то время.

Снаружи вакуумной камеры 2 расположен источник 6 света, от которого сконцентрированный световой пучок 7 измерительного света идет в направлении на окна 3 и 4. Измерительный пучок 7 определяет ход лу

чей 8, в котором сначала расположено под углом 45 полупрозрачное зеркало 9. В ходе лучей 8 находится собирающая линза 10. Существенным является то, что для измерения отражения окно 3 поставлено под таким наклоном, что никакие отражения от окна 3 не могут попасть в ход луча 8.

Позади окна 3 измерительный луч света 7 попадает на контрольное стекло 5, причем (сначала) самая малая часть измерительного света, как отраженный луч измерительного света 7а, отбрасывается обратно до полупрозрачного зеркала 9 В данном случае говорится об измерении отраже- ния. Для этой цели контрольное стекло 5 имеет плоскую переднюю поверхность (а), но шероховатую или диффузную заднюю поверхность (Ъ), чтобы к зеркалу 9 возвращался свет, отражен- ный только от передней поверхности (а).

Зеркало 9 отражает вернувшийся измерительный луч 7а под углом 90 и он затем попадает на регулируемый монохроматор 11, Посредством моно- хроматора 11 в направлении к фотоприемнику 12 пропускается только та часть измерительного луча 7а, на волну которой настроен монохроматор 11. Здесь имеется в виду кремниевый фотоприемник, выход которого через схему оценки (не показана) подключен к индикаторному устройству 13.

В устройстве важное значение имеет то, что измерительный луч 7 абсолютно перпендикулярно падает на контрольное стекло 5. Так как любое отклонение от перпендикулярности ведет к неуправляемым явлениям в смысле отражения по ходу луча от источника 6 света, то за окном 4 расположен еще один моно- хрОматор 14, который испотшяет ту же функцию, что и монохромдтор 11. Б ка- ч естве монохроматоров используются либо интерференционный линейный фильтр, либо интерференционный фильтр хода лучей, либо решеточные монохро- маторы. Пропускаемая длина волны ин8

терференционного фильтра хода лучей, а также решеточного монохроматора может изменяться с помощью шагового двигателя (не показан).

Оставшийся позади контрольного стекла 5 луч измерительного света показан пунктирной линией (Ъ). Это используется для так называемого измерения пропускания, т.е. пропущенной контрольным стеклом части измерительного света-, которая попадает через монохроматор в виде света определенной длины волны к фотоприемнику 15, который имеет ту же конструкцию, что и фотоприемник 12. Выход этого фотоприемника через ту же схему оценки подключается к индикаторному устройству 16.

Контрольное стекло 5 имеет для измерения пропускания две ровные или гладкие поверхности. При калибровке пропускания контрольное стекло можно также и не ставить, так что на светоприемник 15 поступит на несколько процентов большая часть света.

На фиг.1 показаны еще две нулевых диафрагмы 17а и 17Ь, из которых для измерения используется какая-нибудьодна. Чтобы избежать ошибочных измер ний эти нулевые диафрагмы при применении косо установленного окна 3 должны находиться либо на месте нулевой диафрагмы 17а, т.е. между линзой 10 и окном 3, или на месте нулевой диафрагмы 17Ь непосредственно перед контрольным стеклом 5, т.е. между окном 3 и контрольным стеклом 5. Нулвые диафрагмы нужны на указанных местах потому, что отражение происходит не только от контрольного стекла или объекта измерения, но также и от линзы, которую нельзя поставить косо.

При замере второй сравнительной величины 10 одну из обеих нулевых диафрагм 17а или 17Ь вводят в ход луча 8 в направлении стрелок, так что часть измерительного луча гаситс Нулевые диафрагмы состоят предпочтительно из матовой черной пластинки, предпочтительно клинообразной формы, что вызывает максимальное поглощение света.

Выходы обоих фотоприемников 12 и 15 соединены с переключателем 18, В показанном положении переключателя производится измерение отражения,

при переключении в другое положение может производиться измерение пропускания посредством фотоприемника 15. От переключателя 18 провод 19 идет к регулируемому усилителю 20, который имеет указанные выше свойства. Для установки определенного коэффициента усиления GL перед усилителем 20 приводом 21 включен за датчик 22, выход которого по проводу 23 подается к запоминающему устройству 24 для запоминания коэффициента усиления GL, который определяется по непокрытому слоем контрольному стеклу (или при отсутствии стекла) при описанном выше получении максимума первой сравнительной величины

V

С выхода усилителя 20 идет провод 25 к переключателю 26, выходы которого проводами 27 - 29 соединены с запоминающими устройствами 30 - 32. Запоминающее устройство 30 служит -для запоминания первой сравнительной величины I, , которая находится при максимально возможном усилении, причем усилитель еще не попадает в диапазон насыщения. Запоминающее устройство 31 служит для запомина- ния второй сравнительной величины 10, которая получается с использованием нулевой диафрагмы (или аналогично, заземлением входа усилителя) и усиливается с тем же коэффициентом усиления G, как и первая сравнительная величина I . Запоминающее устройство 32 служит для запоминания собственно измеряемой величины I от покрытого слоем объекта.

Все запоминающие устройства 24, 30, 31 и 32 соединены соответствующими проводами со схемой 33 оценки, в которой находится счетно-решающее устройство, с помощью которого произ водятся счетные операции.

От схемы 33 оценки провод 34 управления идет к обоим монохромато- рам 11 и 14, чтобы либо устанавливать их на определенную длину волны, либо управлять ими для прохода определенного спектра длин волн. Обратна связь 35 идет к задатчику 22 для коэффициента усиления. Посредством схемы 33 оценки таким образом дости- гается то, что коэффициент усиления выбирается как раз столь большим, что первая сравнительная величина 1 достигает еще допустимого уровня,

прежде чем усилитель 20 войдет в насыщение.

Схема 33 оценки проводом 36 соединена с индикаторным устройством 13, которое изображено в виде экрана электронно-лучевого индикатора, однако может быть применен координатный графопостроитель, печатающее устройство или цифровое индикаторное устройство, если, например, нужно индицировать один единственный результат измерения на определенной длине волны.

На фиг.З по абсциссе отложена длина волны, тогда как по ординате первая и вторая сравнительные величины, а также коэффициент усиления GL, как они обычно получаются. Единицы измерения не указываются, так как важен лишь принцип измерения. Следует иметь в виду, что кривая 36 для первой сравнительной величины после подъема ее за счет соответствующего усиления идет почти горизонтально. Примерно такой же вид имеет кривая 37 для второй сравнительной величины 10. Напротив, совсем иначе ведет себя кривая 38 для коэффициента усиления С, , которая изображает необходимое усиление, Которое должно быть выставлено, чтобы получать максимально большие значения для I . Эта кривая имеет явно выраженный минимум. i

На фиг.4 по оси абсцисс тоже отложена длина волны, тогда как ордината показывает ход измеряемой (усиленной) величины I, измеренной для покрытого слоем контрольного стекла на выходе фотометра, а также абсолютные величины пропускания и отражения. Кривая 39 символизирует ход измеряемой величины I по спектру, которая хоть и характеризует ход отражения или пропускания по спектру, однако в относительных единицах, которые позволяют лишь в принципе оценить результаты покрытия изделия слоем в процессе покрытия. На основе расчетных операций получается кривая 40, которая показывает спектральную зависимость величин пропускания Т или отражения Р в абсолютных величинах. Кривая 40 хотя и подобна кривой 39, однако строится с учетом переменного коэффициента усиления (кривая 38 на фиг.З), т.е. кривая 39 является искаженной относительно абсолютной кривой 34.

111584759

ормула изобретения

те му те ка ны

и

1. Фотометрическое устройство для измерения и управления толщиной оптически активных слоев, содержащее оптически связанные источник света, монохроматор и фотоприемник, усилитель и схему оценки с выходом, предназначенным для индикаторного блока и/или контура регулирования, о т л чающееся тем, что, с целью обеспечения измерения и индикации абсолютных величин характеристик в проходящем и/или отраженном свете покрытых слоями объектов при произвольных толщинах слоев, усилитель имеет характеристику коэффициента усиления по меньшей мере в пределах двух десятичных порядков величины, линейную с отклонением максимум 2%, предпочтительно максимум 1 %, устройство снабжено сменными элементами, представляющими собой непокрытое слоем контрольное стекло, прозрачное или с диффузной задней стороной, для формирования первой I сравни

ю

15

тельной величины, и нулевую диафрагму для формирования второй 10 сравнительной величины, запоминающими блоками первой IL, второй 10 сравнительных величин и сигнала G, ,пропорцию

нального коэффициенту усиления, за- датчиком коэффициента усиления, запоминающие блоки сравнительных величин I и IQ включены после усилителя, а запоминающий блок сигнала GQ включен после задатчика, все запоминающие блоки подключены к счетно-решающему блоку схемы оценки, который соединен по обратной связи с задатчиком коэффициента усиления.

2.Устройство по п.1, отличающееся тем, что оно снабжено запоминающим блоком для измерительной величины I, включенным между усилителем и счетно-решающим блоком схемы оценки.

3.Устройство по п.1, отличающееся тем, что счетно-решающий блок схемы оценки выходом регулирования связан с монохроматором.

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано для измерения и управления толщиной оптически активных слоев. Целью изобретения является обеспечение измерения и индикации абсолютных величин характеристик в проходящем и/или отраженном свете покрытых слоями объектов при произвольных толщинах слоев, причем как для отдельных длин волн измерительного света, так и по выбору - для определенного спектра для отображения спектральных свойств объекта в виде кривой с абсолютными значениями. Предлагаемое устройство имеет регулируемый усилитель с характеристикой коэффициента усиления по меньшей мере в пределах двух десятичных порядков величины линейной с отклонением максимум 2% и два сменных элемента: непокрытое слоем контролье стекло и нулевую диафрагму для формирования сравнительных величин при анализе измерительной величины и регулировки усилителя. 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

&-

/

Фаг.1

e/

в

ffjf

6SmSI

IL I 4

Т

К I

1584759

36