Способ измерения толщины тонких прозрачных пленок Советский патент 1977 года по МПК G01B11/06 

1

Изобретение относится к области измерительной техники и может найти применение в устройствах оптической обработки информации, голографии и фазовоконтрастной микроскопии для контроля оптической толщины фазовых элементов и фильтров.

Известен способ измереиия оптической разности хода и оптической толщины, основанный на использовании интерференционной мнкроскопии.

Точность двухлучевых интерфере1щионных микроскопов не превыщает л/10, где л - длина света. В ирименяемые многолучевые интерференционные микроскопы входит сложный в изготовлении интерферометр Фабри-Перо.

Наиболее близким по технической сущности к изобретению является способ измереиия скорости образования и толщины пленок, заключающийся в том, ЧТО плоскую аксиальную волну от когерентного источника света направляют на фазовую дифракционную рещетку, изготовленную в качестве образца-свидетеля одновременно с контролируемой пленкой, и, учитывая дифракционную картииу, судят о толщине пленки.

В этом способе фазовая дифракциоиная решетка работает на отражение. Разность фаз отраженного излучеиия не учитывает оптические свойства фазосдвигающего слоя, иоэтому для измерения оитических толщин элементов.

работающих на пропускание, способ непригоден. Точность измерения составляет А/8, где /. - длина волны излучения.

Целью изобретения является повыщение точности измерения оптических толщин (оптической разностн хода) н разностп фаз.

Для этого световую волну дополнительно пропускают через амплитудный растр с изменяемым параметром и с пространственной частотой, равной частоте дифракционной решетки, и через положительную линзу, передний фокус которой совнадаст с плоскостью решетки, измеряют в задней фокальной плоскости последовательные гащення дифракционных максимумов, вызванные изменением параметра растра, а контролируемую величину вычисляют по формуле

2х -./мл

Л 0,0+

при I ) 2 Vм

2х

Л:(0, , (1)

/к

оптическая разность хода;

период растра;

длина волны;

порядок дифракции;

изменение параметра (ширины ) растра. На чертеже показано устройство для реализации предлагаемого способа. Поток когерентного излучения от лазера 1 расширяется телесколической системой 2 и освещает фазовую дифракционную решетку 3, ироходит через нее н падает на периодические транспаранты 4, 5 с периодом, равным периоду фазовой дифракционной решетки. Транспаранты 4 и 5 представляют собой тонкие непрозрачные экраны с прорезанными на них щелями, пропускающими световой ноток, причем расстояние между щелями равно ширине щелей. Транспаранты перемещаются во взаимно противоположных направлениях параллельно нанравлению периодизма фазовой дифракциоиной решетки. Совокупное действие траиспарантов образует растр с переменной шириной щелей. Изменение ширины щелей растра позволяет регистрировать в заднем фокусе линзы 6, передний фокус которой совмещен с фазовой дифракционной решеткой, последовательные rauicHHH дифракционных максимумов. Дифракционная картина регистрируется при помощи микроскопа 7, в плоскости пространственного спектра 8 совпадающей с задней фокальной плоскостью лннзы. Пространственный спектр представляет ряд узких дифракционных максимумов на темном фоне. Относительная величина максимумов определяется нзмеряемой разностью фаз и значением параметра растра, в соответствии с уравнением . Г sine / /М - /L-у ч X максIolr, ц ; /.1 где /-интенсивность света в пространственном спектре; / - период растра; N - число периодов растра; в - угол дифракции; k - волновое число; бф - разность фаз лучей, прошедших через выстуиы и выемки дифракциоиной решетки; X - значение параметра раст)а. В уравнении (2) член ) характеризует функцию отсчета, представляющую собой последовательность периодически повторяющихся дифракционных макснмумов, величина которых пропорциональна Л. Эти максимумы - главные, между ними можно наблюдать N-2 побочных максимумов, пренебрежимо малых по сравнению с главными максимумами при . Произведение функций sin e / / -(T-.(|..)+ij описывает огибающую функции отсчета. Как видно из уравнения (2), огибающая гасит дифракционные маскимумы функции отсчета независимо от значения бф ири x l( (3), Ч 4т j где /п ±4, ±5, ±6... - номер дифракционного максимума. Помимо ожидаемых гашений дифракционных максимумов, определяемых условием (3), в зависимости от значения бф наблюдают гашения днфракционных максимумов функции отсчета при ) при. 1 т2-кт / т(-+т при . (4) 2 т 1 Следовательно, для , изменяя х. в пределах от О до //4, наблюдаем последовательные гашения дифракционных максимумов, причем в отличие от гашений, описываемых формулой (3), когда гасятся одновременно иоложительные и отрицательные максимумы одного номера, здесь имеет место гашение дифракционных максимумов либо только с ноложительиым номером, ири или только с отрицательным номером при . Решая уравнения (4) относительно йф, находим искомую величину. 1т1аибольшая точность измерений оптических толщин достигается в случае проведения измерений в области дифракционного максимума, определяемого по формуле , л/ Шт. У ДГ где х - погрешность параметра растра, зависит от точности направляющих периодических транспарантов и составляет 2 мкм; Am - погрешность при наблюдении гашеПИЯ дифракционного максимума, зависит от зфовня рассеянного света и ие превышает 0,1; / - чисто конструктивно выбираем равным 1 мм. Эти конкретные значения параметров схемы, являющейся одной из возможных реализаций способа, дают оптимальное значение т 7, т. е. в данном случае измерение целесообразно проводить в области седьмого дифракциониого максимума. Таким образом, иредлагаемый способ позволяет увеличить точность измерения оптических толщин до величины /,/40, в то время как точность измерения известным способом (прототип) л/8.

Формула изобретения

Способ измерения толнлшы тонких прозрачных пленок, заключающийся в том, что плоскую аксиальную световую волну от когерентного источника света направляют на фазовую дифракционную решетку, изготовленную в качестве образиа-свидетеля одновременно с контролируемым объектом, и, учитывая создаваемую дифракционную картииу, судят о толщине пленок, отлн чающийся тем, что, с целью повышения точности контроля толщины, световую волну донолнительно пропускают через амплитудный растр с изменяемым нараметром и с пространственной частотой, равной частоте дифракционной решетки, и через положительную линзу, передний фокус которой совпадает с плоскостью решетки, измеряют в задней фокальной плоскости последовательные гашения дифракционных максимумов, вызванные изменением параметра растра, а контролируемую величину вычисляют по формуле

2х т

при

0,5-f --.

Л

т

Чх I при ,

0,5- - &т

где Д - оптическая разность хода;

/ - период фазовой решетки и растра; . - длина волны; X - изменение иараметра; п - порядок дифракции.

/аи-.