Интерференционный способ измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной толщины Советский патент 1980 года по МПК G01N21/46 

Наиболее близким техническим решением к изобретению является интерференционный способ измерения показателя преломления дизлектричёских пленок переменной толщины, включающий изменение угла падения освещающего пленку пучка монохроматического света 2 .

Интенсивность отраженного от некоторого участка пленки света зависит от угла Псшения и имеет вид чередующихся максимумов и минимумов. Регистрируют два экстремума (не обязательно соседние) интенсивности и фиксируют соответствующие лм углы падения. Регистрируемая интенсивность является усредненной по некоторому участку пленки. Эти два угла и количество экстремумов, подсчитанных между двумя фиксированньиий экстремумами, позволяют определить показатель преломления пленки при условии, что ее оптическая толщина известна с погрешностью, не превышающей величины, соответствующей одному порядку интерференции. При нормальном падении света на пленку порядок интерференции соответствует Л/2 (Л.- длина световой волны). В данном способе оптическая толщина пленки с необходимой точностью определяется путем подсчета интерференционных полос на пологой ступеньке, которая обычно имеется на краю пленки. Известный способ позволяет определить показатель преломления в пленках постоянной толщины на любой длине волны с погрешностью порядка нескольких десятых процента,, при этом подложка, в общем случае может быть неплоской.

Недостатком прототипа является низкая точность определения показа- теля преломления в Ьлёнках переменной толщины. В таких пленках при осйещении монохроматическим светом возникают интерференционные полосы и при изменении угла падения интенсивности отраженного света, усреднённая по некоторому участку пленки, будет носить настолько сложный характер, что фиксирование ее для двух и более УГЛОВ паден ия не позволяет опрёдеййтб показатель преломления пленки с требуемой точностью. Поэтому на плактике при реализации известного способа йля измерения пленок переменной толщины обеспечивают мгшое

Шлё зрения региструрующего устройства, в пределах которого толщину пленки можно считать постоянной. Это приводит к падению мощности регистрируемого отраженного пучка света. Кроме

tbrO, практически невозможно исключить смещейия малого поля зрения регистрирующего устройства относительно пленки при изменении угла падения. Из-за этих факторов точностные 1возможностй спосоьа-прототипа при измерении показателя преломления

:гшенок переменной толщины в несколько раз ниже по сравнению с измерением пленок постоянной толщины.

Целью изобретения является повышение точности измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной толщины, что является важной задачей, например, при изготовлении оптических асферических поверхностей методом нанесения дополнительного слоя вещества в вакууме.

Указанная цель достигается тем, что измеряют ширину полос не менее чем для двух углов падения и вычисляют показатель преломления материал пленки по формуле

.

b ,

Ц-bt

(1)

где b| ,b2 - ширина интерференционной полосы при углах падения и & соогветственно.

Кроме того, уточняющим признаком способа является то, что изменение угла падения освещающего пленку пучка осуществляют в плоскости, параллельной интерференционным полосам в пленке и перпендикулярной ее поверхности.

В этом случае наблюдаемое изменение ширины полосы полностью обуславливается изменением угла падения световых лучей на пленку и не требуется введения дополнительных поправок, учитывающих проекционные искажения интерференционной полосы.

Способ позволяет опре делить показатель преломления в пленках переменной толщины не измеряя оптическую толщину пленки ни в одной ее точке. Однако, если оптическая толщина пленки известна в какой-нибудь ее точке с погрешностью не превышающей величины, соответствующей одному порядку интерференции (также, как в прототипе), то показатель преломления пленки можно определить по результатам измерения ширины полосы для одного угла падения и смещения полосы при переходе к другому углу. Однако это является частным случаем данного способа, и расчетную формулу можно получить из формулы (1) путем простых преобразований.

На фиг. 1, 2, 3 изображена в трех проекциях схема, поясняющая ориентацию освицающего пучка относительно исследуемой пленки на фиг. 4 представлена оптическая схема устройства для реализации предлагаемого способа

На исследуемую пленку 1 падает пучок 2, или 2 монохроматического света под углом падения 6 , или 62 соответственно. Оптическая разность хода Д меяСцу интерферирующими лучами З(З) подсчитывается по формуле

rf- - ,

(2) где t - толщина пленки в месте падения луча; п - определяемый показатель преломления материала пленки; с - угол падения. В формуле (2) опущена дополнитель ная разность хода Л/2, возникающая вследствие изменения фазы при отражении волны от оптически более плотной среды, 1ак как в данном случае это не влияет на получение окончательной формулы. Пленку переменной толщины на небольшом участке можно рассматривать как клин с углом Q Плоскость главного сечения клина лежит в плоскости yOZ, а изменение угла падения освещающего пучка осущест ляется в плоскости ХОУ. Этим выполня ется уточняющий признак, указанный выше. Возникающие в пленке при угле падения 6ц (L) интерференционные полосы 4 (4 ) представпяют собой равноотстающие прямые линии, параллельные оси ОХ. Ширина полос Ь определяется из формулы (2) и может быть записана в следующем виде 2В Vn - sin4 (3) Определив ширину полосы Ь при угле падения и Ъг при 6 , имеем два уравнения с двумя неизвестными п ив Исключая в, получим расчетную формулу (1) для вычисления показателя пре ломления диэлектрических пленок переменной толщины. Представленное на фиг. 4 устройст во, реализующее способ, содержит исследуемую пленку 1, источник света 5 регулируемое по положению зеркало б поворотный столик 7, на котором устанавливается исследуемый образец с пленкой 1. (Подложка, на которую нанесена пленка не показана, так как ее оптические свойства совершенно не влияют на результат измерения показателя преломления пленки данным способом). Исследуемая пленка размещается на столике 7 в соответствии с фиг. 1-3, т.е. в плоскости чертежа толщина пленки постоянна, а .в плоскости, ей перпендикулярной, толщина пленки переменная. Следовательно, ин терференционные плосы, возникающие в пленке, расположены параллельно плоскости чертежа. Наблюдение полос осуществляется через интерференционный фильтр 8 и микроскоп, состоящий из объектива 9 и окуляра Ю. Микроскоп сфокусирован на точку пленки, лежащую на оси вращения. С помощью полупрозрачной пластинки 11 свет по падает на фотоэлектрическое приспособление 12, измеряющее изменение ши рины интерференционных полос. Сущес вующие в настоящее время фотоэлектр ческие устройства позволяют выполни измерение смещений интерференционны (ПОЛОС, а, следовательно, и измерени ширины полос. С погрешностью не превышающей 0,005 ширины полосы. Устройство работает следующим образом. Пр|И некотором угле падения , иэмерЯ1Йтйшрину полосы Ь с помощью фотоэлектрического приспособления 12. Затем проворачивают пленку вокруг оси OZ (ось, пёрпендйкулярная плоскости чертежа) иiобеспечивают другой угол падения , , при котором измеряют ширину полосы Ь„. Для сокращения размеров источника света 5 применено зеркало 6, положение которого регулируется так, чтобы лучи света от источника попадали после отражения от пленки в наблюдательный микроскоп. Углы 6 , bj фиксируются с помодью дополнительного;приспособлений (на чертежах нЪ по1 Га§анд) . Удобно в качестве базового прибора использовать выпускаемые промьишенностью гониометры-спектрометры. В этом -случае при установке исследуемого образца с пленкой на поворотный столик гониометра, угол поворота этого столика может быть зафиксирован с очень высокой степенью точности (погрешность порядка нескольких секунд). Измеренные величины б , 6j , b( 2 позволяют по формуле (1) вычислить показатель преломления пленки. Изобретение позволяет измерить показатель преломления материала пленок переменной толщины с более высокой точностью, чем известные в настоящее время способы. Формула изобретения 1.Интерференционный способ измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной: толщины, включающий H3keHeHHe угла падения освещающего пленку пучка монохроматического света, отличающй и тёй, что, с целью повышения точности измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной толщины, измеряют ширину полос не менее чем для двух углов падения и вычийляют показатель преломления материала пленки по формуле: bg sin Се - b 9in6 Ч где Ь ,Ь - ширина полосы при углах падений 6), 6, соответственно. 2,Способ поп, 1, отличающийся тем, что изменение угла Псщения освещающего пленку пучка осудествляют в плоскости, параллельной лнтерференционнглм полосам в пленке и перпендикулярной ее поверхности.