Устройство для контроля толщины пленок многослойных покрытий в процессе напыления Советский патент 1992 года по МПК G01B21/08 

Ё

Изобретение относится к измерительной технике. Целью изобретения является повышение точности контроля равнотолщинных покрытий и расширение номенклатуры контролируемых покрытий. Поставленная цель достигается тем, что результаты измерения получают с учетом коэффициентов а,/3, у, где «-точность измерения коэффициентов пропускания, /3 - произвольный предварительный коэффициент усиления, у- коэффициент разбаланса, зависящий от оптической толщины. 1 ил.

Изобретение относится к измерительной технике, в частности к оборудованию для изготовления многослойных интерференционных оптических покрытий.

Известны устройства для контроля толщин пленок в процессе осаждения покрытия, содержащие установленные последовательно на одной оптической оси источник света 1 объектива, спектральный прибор, фотоприемник и регистрирующий прибор. Контрольный образец размещен между первым и вторым объективами. Принцип действия известного устройства заключается в следующем. В процессе нанесения покрытия происходит осаждение пленкообразующего материала на контрольный образец. При этом измеряется энергетический коэффициент пропускания контрольного образца на определенной длине волны излучения, и процесс нанесения каждого слоя

прерывается в момент достижения определенного значения энергетического коэффициента пропускания.

Известны устройства для контроля толщин слоев, содержащие кварцевый резистор, установленный в вакуумной камере, и систему измерения его собственной частоты колебаний. В процессе осаждения пленкообразующего материала изменяется частота собственных колебаний кварцевого резонатора. Изменение частоты зависит от массы осажденного материала, а следовательно, и от толщины слоя. Нанесение каждого слоя прерывают в момент достижения определенного значения собственной частоты колебаний.

Наиболее близким к предлагаемому по технической сущности и достигаемому результату является устройство для контроля толщин пленок в процессе нанесения поXICJ

сл

ю

крытия, содержащее установленные последовательно по ходу светового луча оптическую систему, спектральный прибор с двумя диспергирующими элементами, модулятор, предназначенный для поочередного выделения излучения соответствующих длин волн, фотоприемник и регистрирующий прибор.

Недостатком известного устройства является не высокая точность контроля толщин слоев (относительная ошибка 10-15%), а также невозможность контролировать покрытия, состоящие из слоев неравной оптической толщины.

Целью изобретения является повышение точности контроля равнотолщинных покрытий и расширение номенклатуры контролируемых покрытий.

Устройство для контроля толщин пленок многослойных покрытий в процессе напыления, содержащее источник света и установленные по ходу светового луча оптическую систему, спектральный прибор с двумя диспергирующими элементами, модулятор, предназначенный для поочередного выделения соответствующих длин волн, фотоприемник и регистрирующий прибор, снабжено тремя умножителями, двумя коммутаторами, компаратором, расположенными соосно друг другу и по разные стороны от плоскости модулятора, светодиодом и фотодиодом, выход которого подключен через компаратор к третьему входу первого коммутатора, выход которого связан с вторым входом первого умножителя, первый вход и выход которого соединены соответственно с выходом фотоприемника и входом усилителя, а первый вход первого коммутатора связан с выходом второго умножителя, первый вход которого подключен к выходу второго коммутатора, первый и второй входы которого являются соответственно третьим и первым входами устройства, а второй вход его соединен с выходом третьего умножителя, первый и второй входы которого являются соответственно третьим и четвертым входами устройства, второй вход первого коммутатора и второго умножителя является вторым входом устройства.

На чертеже изображена схема предлагаемого устройства.

Устройство для контроля толщин пленок многослойных покрытий в процессе на- пыления содержит источник 1 света, оптическую систему 2, спектральный прибор 3, имеющий входную 4 и выходную 5 щели, и выполненный с двумя диспергирующими элементами 6 и 7, каждый из которых расположен под углом к оси прибора, обеспечивающим заполнение диспергированным светом половины выходной щели 5 спектрального прибора 3, оптические элементы 8 и 9, модулятор 10 с двигателем 11, фотоприемник 12, светодиод 13, фотодиод

14, компаратор 15, первый 16, второй 17 и третий 20 умножители, усилитель 18. регистрирующий прибор 19,первый 21 и второй 22 коммутаторы.

Устройство расположено в вакуумной

камере 23, где также находится и контрольный образец 24. Кроме того, устройство для контроля толщины пленок многослойных покрытий имеет четыре входа 25-28.

Управление устройством осуществляется путем подачи постоянных напряжений на эти входы. Величины постоянных напряжений зависят от режима работы (равнотол- щинное, неравнотолщинное покрытие), выбранныхдлин волн (At, А2)требуемых толщин слоев.

Сигнал на входе 25 определяет выбор режима, а сигнал на входе 26 - предварительный коэффициент усиления в обоих каналах. Сигнал на входе 27 задает соотношение между коэффициентами усиления каналов, обеспечивающее их балансировку, а сигнал на входе 28 позволяет устанавливать требуемое соотношение между коэффициентами усиления предварительно сбалансированных каналов, что необходимо при нанесении неравнотолщинных покрытий.

Перед началом нанесения покрытия необходимо сбалансировать каналы для выбранных длин волн, а затем установить на

входе устройства сигнал у, являющийся функцией от заданной оптической толщины покрытия.

Остановка процесса осаждения происходит по нулевому сигналу на выходе регистрирующего прибора (независимо от заданной оптической толщины), при этом момент достижения максимальной точности регистрации совпадает с моментом прерывания процесса нанесения покрытия.

Устройство при контроле четвертьволновых слоев, т.е. слоев с оптическими толщинами, кратными АО/М, работает следующим образом.

В вакуумную камеру 23 помещают контрольный образец 24. Свет от источника 1 с помощью оптической схемы 2 через образец 24 направляется на входную щель 4 спектрального прибора 3. Отраженный оптическим элементом 8 (зеркалом) параллельный пучок света направляется на два независимых диспергирующих элемента 6 и 7, Диспергированный лучистый поток фокусируется элементами 8 и 9 на выходную щель 5 спектрального прибора 3. Поток света с диспергирующего элемента 6 проходит через верхнюю половину щели, а с диспергирующего элемента 7 - через нижнюю половину.

Эти лучи - монохроматические с длинами волн AI и Az, удовлетворяющими соотношению

1/Ai + 1/А2 2/Ао; где md KAo/4,

К 1,2,...;

где md - заданная оптическая толщина пленки.

По ходу лучей между выходной щелью 5 и фотоприемником 12 расположен модулятор 10, приводимый во вращение двигателем 11. Модулятор 10 поочередно закрывает при вращении верхнюю и нижнюю половины щели 5. При этом на выходе фотоприемника 12 возникает сигнал, переменная составляющая которого может быть выражена зависимостью

-Рн/ФАт -ФА2 -ТкА, SA2/

где ФАт и ФА2 световые потоки, излучаемые источником на длинах волн AI иА2,

ТкЛ. г и ГцД..,- коэффициенты пропускания оптических каналов для длин волн AI и Аа;

5$.г- чувствительность фотоприемника на длинах волн AI / AZ ,

М - коэффициент усиления регистрирующего устройства;

RH - сопротивление нагрузки фотоприемника.

По обе стороны модулятора 10 перпендикулярно его плоскости вращения расположены светодиод 13 и фотодиод 14, катод которого связан с входом компаратора 15.

Промодулированный свет от светодиода 13 попадает на приемную площадку фотодиода 14, подключенного в фотовольтаическом режиме к входу компаратора 15.

Таким образом, на входе компаратора 15, связанном с третьим (управляющим) входом первого коммутатора 21, присутствует последовательность импульсов постоянной амплитуды с частотой и фазой, равной частоте и фазе переменной составляющей сигнала на выходе фотоприемника 12.

Перед началом нанесения слоя с целью повышения точности контроля оптических толщин наносимых слоев необходимо сбалансировать устройство, т.е. свести к нулю амплитуду переменной составляющей сигнала на выходе усилителя 18.

Для балансировки каналов устройства на его первый вход 25, связанный с третьим (управляющим) входом второго коммутатора 22, подается сигнал, обеспечивающий прохождение на выход коммутатора, связанный с первым входом второго умножителя 17, сигнала а, поступающего на первый

вход второго коммутатора 22 с третьего входа 27 устройства.

На второй вход второго умножителя 17, связанный с вторым входом первого коммутатора 21, поступает с второго входа 26 постоянный сигнал Д

Таким образом, на выходе умножителя 17, связанном с первым входом первого коммутатора 21, присутствует сигнал а Д Поскольку, управляющий вход коммутатора 21 коммутируется (сигналом с выходом компаратора 15) синхронно с коммутацией световых потоков, попадающих на чувствительную площадку фотоприемника 12, то на выходе первого коммутатора 21, связанном

с вторым входом первого умножителя 16, присутствует сигнал с переменной составляющей: /3(1 -а) той же частоты и фазы, что и сигнал, поступающий с выхода фотоприемника 12 на первый вход умножителя

Следовательно, на выходе регистрирующего прибора 19, связанном через усилитель 18с выходом первого умножителя 16, присутствует сигнал с переменной составляющей:

ВЬ1У1-М-Яи-рэь( xS MHzrDGZ }

Q1 Qp M Rux-p

Изменяя сигнал а на третьем входе устройства, добиваются нулевого сигнала на выходе регистрирующего прибора 19, т.е. выполнение соотношения:

PvTKV5 i VTKV5 a et 52: где a gA2/gAi

После этого уровень сигнала на третьем входе 27 устройства фиксируется и остается постоянным.

Повторная балансировка устройства необходима либо в случае изменения рабочих

длин волн А иА, либо в случае изменения материала (показателя преломления п0) контрольного образца 24.

В процессе осаждения на контрольном образце слоя наносимого материала сигнал на выходе блока регистрации изменяется в соответствии с зависимостью:

uU6blx-UvU -M-RH-%(3z(

где F1 Q1z; F uT

Т,-,, и Tftj- коэффициенты пропускания контролируемого образца с покрытием на выбранных длинах волн AI иА2.

Моментам равенства TT, Тл соответствует достижение наносимым слоем оптической толщины, равной md КЛо/4, К 1,2,...

Таким образом, при остановке процесса осажденияв моменты.когда Аивых ) 0, обеспечивается достижение контролируемым слоем заданной оптической толщины, кратной До/4, т.е. обеспечивается контроль с высокой точностью (не зависящей от действительных значений показателей преломления контролируемого образца и испаряемого материала, а также от условий протекания технологического процесса) равнотолщинных оптических покрытий. При этом регистрация момента достижения слоем заданной оптической толщины происходит при максимальной

i 3(АТ) чувствительности устройства I . . к

изменению измеряемой величины AT.

Кроме того, прерывание процесса нанесения по нулевому сигналу гарантирует более высокую точность определения оператором момента достижения заданной толщины слоя, а также упрощение автоматизации процесса нанесения.

Устройство при контроле нечетвертьволновых оптических покрытий работает следующим образом.

Пусть необходимо нанести слой с оптической толщиной

md Ј/lo/4, где С- любое положительное число.

Зная заданную оптическую толщину слоя, определяют коэффициент разбаланса Y.

B + CcosjrAo/Ai-1

У в + с cos УГ ЛО/AI t

При контроле нечетвертьволновых слоев необходимо на выходе предварительно сбалансированного устройства перед началом нанесения слоя обеспечить амплитуду переменного сигнала, пропорциональную величине (1 -у.

Для этого после проведения балансировки каналов на вход 25 устройства, связанный с управляющим входом коммутатора 22, подается управляющий сигнал, открывающий коммутатор для прохождения сигнала, поступающего на его второй информационный вход, связанный с выходом третьего умножителя 20. На четвертом входе 28 устройства, связанном с вторым входом умножителя 20, устанавливается заранее рассчитанный сигнал у.

Первый вход третьего умножителя 20, как и первый вход коммутатора 22, подключены к входу 27 устройства, на котором присутствует сигнал а. Следовательно, на

0

5

выходе умножителя 20, связанном через коммутатор 22 с первым входом второго умножителя 17, присутствует сигнал а у, а на информационных входах коммутатора 21, управляемого компаратором 15, присутствуют соответственно сигналы уЗ,а, у иД

Поскольку сигнал на выходе коммутатора 21, связанном с вторым входом первого умножителя 16, меняется синхронно с сигналом на выходе фотоприемника 12, связанном с первым входом этого же умножителя, то переменная составляющая сигнала на входе регистрирующего прибора 19, связанном через усилитель 18с выходом умножителя 16, имеет амплитуду:

/X VP- A

0

5

0

5

0

5

0

5

5vP-«4b

AUBb,x(o) QySz(1-y)F (1-y). В процессе осаждения вещества переменная составляющая сигнала на выходе усилителя изменяется по закону

Дивых-Р съ.-Таз)

Отсюда вытекает, что в случае остановки процесса напыления по нулевой амплитуде переменной составляющей сигнала, т.е., когда , обеспечивается заданное соотношение Тл/Тд., у гарантирует получение пленки с требуемой оптической толщиной nid - ЕАо/4.

Кроме того, необходимо заранее рассчитать порядковый номер появления нулевого выходного сигнала, так как одному и тому же значению коэффициента у могут соответствовать разные значения оптической толщины слоя.

Например, при соотношении между рабочими длинами волн

Ai 1,5 1

h 0,75 До

одному и тому же значению/соответствуют значения относительной оптической толщины слоя Ј |о вычисляемые по формуле

e,2- arccos(Јt/j;cj)

При md КАо/4, К - 1, 2т.е. при 6 К,

коэффициенту 1. Это значит, что четвертьволновые покрытия можно наносить непосредственно после балансировки, так как при у- 1 на обоих информационных входах коммутатора 22 присутствуют одинаковые сигналы а.

Относительная ошибка i(r ,d) контроля четвертьволновых покрытий с помощью предлагаемого устройства определяется по формуле

(nld)tr B+CcOSTTKAo/Ai

(пю; a KCsinjrK /Al ,

где «-точность измерения коэффициентов пропускания.

Так, например, при нанесении слоя сернистого цинка с показателем преломления щ 2,3 на подложку из стекла К 8, показа- тель преломления которого п0 1,5 с заданной оптической толщиной nid 130 нм при а 0,002; Ai 1,5 ДоД2 0,75 АО, относительная погрешность нанесения четвертьволнового слоя составит около 0,5%. Причем, при сквозном контроле многослойных оптических покрытий, например зеркальных, относительная ошибка контроля каждого последующего слоя не превышает погрешности контроля первого слоя, что связано с увеличением чувствительности метода по мере роста числа слоев.

Если через р ( обозначить относительную ошибку контроля нечетвертьволнового слоя, то ее численное значение может быть определено по формуле

0,01 В -CcosO,667r&

p(ty

д (md),

сзтСЩбяГ где О (гио1)- относительная ошибка контроля четвертьволнового слоя при одинаковых рабочих параметрах устройства.

Формула изобретения Устройство для контроля толщины пленок многослойных покрытий в процессе на- пыления, содержащее источник света и установленные последовательно по ходу

0 5

0

5

0

светового луча оптическую систему, спектральный прибор с двумя диспергирующими элементами, модулятор, предназначенный для поочередного выделения соответствующих длин волн, фотоприемник с усилителем и регистрирующий прибор, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля равнотолщинных покрытий и расширения номенклатуры контролируемых покрытий, оно снабжено тремя умножителями, двумя коммутаторами, компаратором, расположенными соосно друг с другом и по разные стороны от плоскости модулятора светодиодом и фотодиодом, выход которого подключен через компаратор к третьему входу первого коммутатора, выход которого связан с вторым входом первого умножителя, первый вход и выход которого соединены соответственно с выходом фотоприемника и входом усилителя, а первый вход первого коммутатора связан с выходом второго умножителя, первый вход которого подключен к выходу второго коммутатора, первый и второй входы которого являются соответственно третьим и первым входами устройства, а второй вход его соединен с выходом третьего умножителя, первый и второй входы которого являются соответственно третьим и четвертым входами устройства, второй вход первого коммутатора и второго умножителя является вторым входом устройства.

J

19