Способ определения толщины пленочных материалов и покрытий Советский патент 1991 года по МПК G01B21/08 

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение в устройствах для измерений с помощью волновых излучений.

Целью изобретения являются повышение производительности и точности измерений толщины пленочных материалов и покрытий за счет разделения когерентного оптического потока на зондирующий и опорный, совмещения ингредиента зондирующего потока с опорным и измерения яркости одной из полос получившейся интерференционной картины.

Определение толщины д контролируемого материала или покрытия производят в последовательности, при которой формируют экстремальные яркости интерференционной полосы, фиксируют коды электрических сигналов Ммакс и NMHH их из- мерений, определяют среднее значение

Ncp Ммакс -2У± ( формируют это значение изменением начальной частоты опорного излучения до ее величины Vi и фиксируют код NI, задерживают поток опорного излучения на время т « 1/vi и фиксируют код N2, увеличивают частоту v до ее значения vi -v + Avi и фиксируют код Ыз, исключают задержку потока опорного излучения и фиксируют код N4, вычисляют приращения ANt N2 - N1, Д№ N3 - NI. ДМз N4-N1, а толщину д контролируемого материала или покрытия определяют по формуле

AN3

Со Г

п-1 1ДЩ-ДМ2 +ANi

(D

где со - скорость распространения излучения в свободном пространстве;

п - показатель преломления контролируемого материала или покрытия, при значениях г и Avi , обеспечивающих превышение не менее, чем в три раза

0

5

0

5

0

5

0

измеряемых яркостей над порогом чувствительности.

На чертеже показана структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ.

Устройство содержит оптический квантовый генератор 1,полупрозрачное зеркало 2, контролируемый материал 3, неподвижное зеркало 4, подвижное зеркало 5, диафрагму 6, фотоприемник 7, вычислительный блок 8 (микроЭВМ), состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9, вычислителя 10, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 11, блока 12 управления генератором 1, блоков 13 и 14 линейных перемещений соответственно зеркала 5 и материала 3, цифрового индикатора 15.

Способ осуществляется следующим образом.

При равенстве оптических длин каналов распространение зондирующего и опорного потоков когерентного оптического излучения разность фаз колебаний совмещаемых потоков определяется фазовой задержкой зондирующего потока в контролируемом материала или покрытии:

A O 2ttVD(n-1) -.(2)

со

где VQ - начальная частота когерентного излучения;

д -толщина контролируемого материала или покрытия;

со - скорость распространения излучения в свободном пространстве;

п - показатель преломления контролируемого материала или покрытия.

При этом начальный нулевой сигнал No фотоприемника пропорционален косинусу полуразности фаз интерферируемых потоков и характеризуется соотношением

(1-Hb)loCos2jri)(n-1)- + AN0, (3)

Со

где So - чувствительность фотопреобразования полуразности фаз интерферируемых потоков в напряжение, В/град;

уо ASo/So - относительная мультипликативная погрешность преобразования от температурной и временной нестабильности параметров фотоприемника 7;

A No - абсолютная аддитивная погрешность преобразования от непостоянства темнового тока фотоприемника и дрейфа его нуля;

lo - интенсивность когерентного зондирующего излучения.

Изменение частоты исходного излучения до получения среднего выходного сигнала

Мср (Ммакс + Ммин)/2(4)

позволяет описать этот сигнал соотношением вида

Ncp-N1-S,(1+Xl)locos2 Vi (п-1)-+ДМ1.(5)

где Ымакс и NMMH - выходные сигналы фотоприемника 7, соответствующие минимальной и максимальной яркостям интерференционной полосы;

vi - значение частоты, обеспечивающее выходной сигнал Ni, характеризуемый 90° сдвигом фаз колебаний опорного и зондирующего излучений, совмещенных на апертуре фотоприемника 7;

Si, y ,ANi - чувствительность и погрешности преобразования разности фаз Api 90°.

При введении в опорный канал задержки

.T«1/vi,(6)

выходной сигнал фотоприемника характеризуется соотношением

Na-S2 (1+И) Ю cos2 7TV1 (п -1) А - Z + AN2 . (7)

где $2, У2 , А№ - чувствительность и погрешности преобразования разности фаз

90°-у(г).(8)

Увеличение частоты излучения v до ее значения г vi + ДУ1 при

1 (H2/V1) 1 ,(9)

а также последующее выведение задержки (6) из опорного канала приводит к следующим значениям выходных сигналов фотоприемника 7

Мз 5з (1 +уз) lo cos2 п (vi + Аи) x x(n-1) - -r 4-AN3;

СО

NA S4 ( lo cos2 л (vi + Avi) x

x(n-1)- +AN4, v yco

где 5з, уз - ANa и S4, УА , AN4- чувствительности и погрешности преобразований соответственно разности фаз

(r)+V(A) l);(12)

ДрЧ 90° + 0 (Дет) .(13)

Задержку опорных колебаний (6) выби- рают такой, что приращение Д фазового сдвига от ее введения превышает пороговую чувствительность фотопреобразовательной системы в 3 раза. Аналогичным же образом выбирают увеличение частоты Avi излучения (9).

Подобный выбор значений г, Aft позволяет считать, что вариации чувствительности преобразования квазилинейны, что обеспечивает выполнение равенств Si S2 S3 S4 So;(14)

Ъ (15)

ANi AN2 - AN3 . (16) Равенства (14)-(16) обеспечивают возможность вычислений приращений выход- ных сигналов фотоприемника 7:

ANi N2-Ni So( 1 +}b)lottfir; (17)

A Nz N3 - Ni - So (1 + yd) lo n x (n-i)-

CO

(18)

ANs N4 - N1 - So (1 + yo) x

(19)

х ояДУ1(п-1) -.

4 со

30Решение (17)-(19) приводит к промежуточному соотношению

AN,J)| . (20)

AN3-AN2 +ANi

кте. (7)

поаз

(8)

о ее

(9)

жки уюотоЮ)

(11)

ельот35

из которого следует зависимость (1).

Как видно из зависимости (1), результат определения искомого параметра д не зависит от частоты оптического излучения и ее

40 приращения, используемого в процессе измерений, а также от погрешностей преобразования разностей фаз в выходные сигналы фотоприемника.

Устройство работает следующим обра45 зом.

Оптическое излучение генератора 1 с помощью зеркала 2 разделяется на опорный и зондирующий потоки. Зондирующий поток проходит материал 3 и отражается от

50 зеркала 4, а опорный - от зеркала 5. Отраженные потоки совмещаются зеркалом 2, образуя в плоскости диафрагмы б интерференционную полосу, участок которой проецируется на апертуре фотоприемника 7.

55 Яркость интерференционной полосы преобразуется фотоприемником 7 и АЦП 9 в код, который вводится в память вычислителя 10, где и хранится.

По команде вычислительного блока 8 с помощью ЦАП 11 подается на блок 12 управПо команде вычислительного блока 8 с помощью ЦАП 11 подается на блок управления генератором 1 управляющее воздействие, которое изменяет частоту излучения лазера до достижения средней яркости (4) интерференционной полосы. Соответствующий результат (5) преобразования средней яркости (5) полосы вводится в память вычислителя 10.

Затем по команде вычислительного блока 8 через ЦАП 11 формируется и подается управляющее воздействие на блок 13 линейных перемещений, который перемещает зеркало 5 на заданную величину А (5 , обеспечивающую необходимую задержку т опорного потока. Соответствующий результат (7) преобразования яркости интерференционной полосы вводится в вычислитель 10.

Далее по команде вычислительного блока 8 с использованием блока 12 управления генератором 1 увеличивается частота vi излучения генератора 1 на величину (9). Соответствующий результат (10) вводится в вычислитель 10. После чего по команде вычислительного блока 8 формируется управляющее воздействие на блок 13 линейного перемещения, которой перемещает зеркало 5 в исходное положение, исключая задержку т из опорного потока. Соответствующий результат (11) вводится в вычислитель 10. Затем в память последнего вводятся постоянные величины п, т , со, алгоритмы (17)- (19) и (1). Далее вычислитель 10 вычисляет промежуточные значения (17)-(19) и, используя (1), определяют искомый параметр.

и

10

15

правляют зондирующий поток на контролируемый материал или покрытие, принимают зондирующий поток, прошедший материал или отраженный от подложки покрытия, совмещают его с опорным потоком, формируют интерференционную картину, измеряют яркости одной из ее полос и изменяют частоту излучения, вызывая изменение яркости интерференционной полосы, превышающее порог чувствительности интерференционной системы, отличающийся тем, что, с целью повышения производительности и точности измерений, определение искомого параметра проводят в последовательности, при которой формируют экстремальные яркости интерференционной полосы, фиксируют коды Ммакс и ММин электрических сигналов их измерений и определяют среднее значение 20 NCp (NM3Kc + NMvm)/2, формируют это значение изменением начальной частоты опорного излучения до ее величины Vi и фиксируют код NI, задерживают поток опорного излучения на время г « 1/vi и фиксируют код N2, увеличивают частоту v излучения до ее значения v + A vi и фиксируют код N3, исключают задержку потока опорного излучения и фиксируют код N4, вычисляют приращения ANi N2 - Ni,A N2 N3 - -N1, А N3 N4-N1, а толщину 6 контролируемого материала или покрытия при значениях т и Avi , обеспечивающих превышение не менее, чем в три раза измеряемых яркостей над порогом чувствительности, определяют по формуле « Со г (ANa

25

30

35

(п-1) AN3-AN2 + ANi

Изобретение относится -к измерительной технике и может применяться в устройствах для измерений с помощью волновых излучений. Целью изобретения является повышение производительности и точности измерений толщины пленочных материалов цт- г§ за счет разделения оптического потока на зондирующий и опорный, совмещения ингредиента зондирующего потока с опорным и измерения яркости одной из полос получившейся интерференционной картины. Определение толщины происходит в следующем порядке: формируют экстремальные яркости интерференционной картины, фиксируют коды Ммакс и NMHH, определяют Мер (NMSKC + №Мин)/2, формируют это значение изменением начальной частоты опорного излучения до величины Vi и фиксируют код NI, задерживают поток опорного излучения на время г « 1/Vi и фиксируют.код NZ, устанавливают частоту Vi - Vi + A Vi и фиксируют код Мз, исключают задержку потока опорного излучения и фиксируют код N4, вычисляют приращения ANi N2-Ni, AN2 Na-Ni. AN3 N4-Nin (Л С V г U о ю о со ел

Формулаизобретениягде со скорость распространения излучеСпособ определения толщины пленоч- 40ния в свободном пространстве; ных материалов и покрытий, в котором раз-п показатель преломления контролиделяют поток когерентного оптическогоруемого материала или покрытия. излучения на зондирующий и опорный, на