Способ измерения толщины слоя на подложке Советский патент 1991 года по МПК G01B15/00 

Изобретение относится измерительной технике, в частности к измерениям толщины диэлектрических или магнитных материалов на слабопоглощающей подложке.

Цель изобретения - повышение точности измерений, а также одновременное измерение толщины и проницаемости исследуемого слоя на подложке за счет увеличения связи измеряемого образца с зондирующим электромагнитным полем.

На чертеже приведено устройство, реализующее способ.

Образец (диагностируемый слой) 1. расположенный на подложке 2, находится в резонансном поле открытого резонатора (ОР), состоящего из плоского 3 и сферического 4 зеркал, Резонатор возбуждается через отверстия 5 связи в сферическом зеркале.

Сущность способа заключается в следующем

Открытый резонатор возбуждают через отверстие 5 связи в сферическом зеркале 4 желательно на основном типе колебаний, поскольку обычно в этом случае диаметр пятна поля на образце 1 наименьший, а добротность резонатора и точность измерений максимальны. Фиксируются резонансная частота f, добротность Q, индексы типа колебания m, n, q пустого резонатора, а также расстояние L между зеркалами, радиус кривизны сферического зеркала R.

Затем в резонансное поле ОР вблизи плоского зеркала 3 параллельно ему помещают исследуемый образец 1 на подложке 2. При этом возможно расположение образца 1 как подложкой 2 к плоскому зеркалу, так и наоборот, что определяется достижеО 00

ю ч

2

нием максимальной точности измерений в каждом конкретном случае.

Передвигают образец 1 с подложкой 2 вдоль оси ОР и смещением сферического зеркала 4 в направлении к плоскому зеркалу 3 восстанавливают частоту резонанса равной резонансной частоте пустого ОР.

Зависимость смещения Л L сферического зеркала 4 от координаты da слабо- поглощающего образца 1 на оси ОР носит периодический характер, Проводя измерения Д L, находят максимальное смещение зеркала 4 ЛЬмакс, которое соответствует максимальной связи образца 1 с полем ОР. Затем аналогичным образом определяют минимальную добротность Омин ОР при перемещении в нем образца 1 на подложке 2.

По измеренным значениям Д Омин и L-макс, а также параметрам пустого резонатора и известным электродинамическим характеристикам материала подложки определяются неизвестные толщина и диэлектрическая (магнитная) проницаемость нанесенного на подложку слоя.

В первом случае для этого используется выражение

ALMaKc fl(d, e,fi),(1)

где ДЬмакс - измеренное максимальное смещение сферического зеркала из всех смещений, появляющихся при перемещении образца вдоль оси ОР

p-k(ti + dn+de) fi{d, Ј,/)

k -

m+Zn+T 2Vi(R,-L)

(2)

где d - толщина диагностируемого слоя;

de - расстояние от подложки до плоского зеркала;

k - волновое число;

L - расстояние между зеркалами в ОР;

R - радиус кривизны сферического зеркала;

m, n - индексы типа колебаний в ОР;

р - фаза коэффициента отражения от образца;

dn - толщина подложки.

Во втором случае, когда неизвестна кроме толщины слоя еще и его диэлектрическая Ј или магнитная проницаемость/, кроме (1) и (2) используется также уравнение

QMHH f2(d, e,fi)(3)

где Омин минимальная добротность ОР с образцом

2 rq+f4f P

(4)

мин

5

0

5

0

5

0

5

где q - число полуволн между зеркалами пустого ОР;

f - резонансная частота;

|г|,|гз1- модули коэффициентов отражения от диагностируемой структуры и сферического зеркала соответственно.

Ошибка измерений d,Јtlw диэлектрика или магнетика на слабопоглощающей подложке зависит от параметров исследуемого слоя и подложки, характеристик используемого резонатора и применяемой радиотехнической аппаратуры и может достигать 1 % и менее.

Таким образом, предложенный способ измерения толщины слоя на подложке отличается от известных повышенной точностью измерения, а также возможностью одновременного измерения толщины слоя и его магнитной или диэлектрической проницаемости. Способ прост в исполнении, не требует дефицитной радиоаппаратуры и больших экономических затрат.

Формула изобретения

Способ измерения толщины слоя на подложке, заключающийся в том, что контролируемый образец с нанесенным слоем приводят во взаимодействие с электромагнитным полем и определяют изменение характеристик поля, отличающийся тем, что с целью повышения точности и информативности измерений, электромагнитное поле возбуждают в открытом резонаторе, включающем плоское и сферическое зеркала, измеряют резонансную частоту f, добротность Q резонатора и расстояние L между зеркалами, контролируемый образец с нанесенным покрытием помещают в электромагнитное поле резонатора параллельно плоскому зеркалу, перемещают образец вдоль оси резонатора и смещают сферическое зеркало до восстановления частоты резонанса, фиксируют максимальный сдвиг Д|-макс сферического зеркала и минимальную добротность Омин резонатора, а тол- щи-ну и проницаемость слоя с учетом измеренных параметров определяют из соотношений

(й, Ј,//)

-4-p-k(d +dn +dB)

f

km + 2n + 1 2V{(R-L)

5527rcl+f|Ґ-p

55 QMMH(d,E,AO .

1

Ir3l

мин

где максимальный сдвиг сферического зеркала;

Омин - минимальная добротность резонатора с образцом;

|г|, р - модуль и фаза коэффициента отражения по магнитному полю рабочей волны от образца в резонаторе;

гэ - модуль коэффициента отражения по магнитному полю от сферического зеркала;

k - волновое число в вакууме;

d, dn, dB - толщины диагностируемого слоя, подложки и слоя воздуха между образцом и плоским зеркалом соответственно;

m, n, q - индексы типа колебания в резонаторе;

f - частота резонатора;

L - расстояние между зеркалами резонатора без образца;

R - радиус кривизны сферического зеркала.

Изобретение относится к измерению толщины материалов, например диэлектрического или магнитного слоя на слабопогле- щающей подложке. Целью изобретения является повышение точности измерений, а также одновременное измерение толщины и диэлектрической или магнитной проницаемости исследуемого слоя на подложке В способе используют открытый резонатор типа Фабри-Перо, в котором образец вместе с подложкой размещается в области максимального электрического или магнитного поля, измеряют возмущенные параметры резонатора и затем одновременно определяют толщину и проницаемость слоя на подложке. Обеспечиваемая при этом сильная связь образца с полем обуславливает повышенную точность измерения характеристик образца 1 ил