Интерференционный толщиномер Советский патент 1981 года по МПК G01B21/08 

1

Изобретение относится к области измерения и контроля толщины тонких пленок, например эпитаксиальных пленок кремния, интерференционным методом и может быть использовано в цвеной металлургии при производстве полупроводниковых структур.

Известно устройство, содержащее спектрофотометр и служащее для контроля толщины пленки в процессе ее выращивания l. Это устройство не позволяет, однако/ измерять толщину уже выращенной пленки.

Наиболее близким к изобретению является интерференционный толщиномер, содержащий спектрофотометр, детектор максимумов, входом подключенный .к выходу спектрофотометра счетчик интервалов, сигнальный вход которого соединен с выходом детектора максимумов, блок управления, первый вход которого соединен с выходом детектора максимумов, второй с выходом конца развертки спектрофотометра, а первый выход - с управляйщим входом счетчика интервалов, и регистрирующий прибор

Этот толщинометр обладает методической погрешностью, обусловленной вычислением результата измерения d по приближенной формуле d a(K-n/(),

где а - константа, зависящая от материала пленки;К - число максимумов интерференционной картины;

-O.JVK волновые числа, при которых наблюдаются первый и послед0ний максимумы.

Однако эта формула является приближенной, более точный результат дает вычисление толщины по формуле ш

Е

5

-i+i i

где п К-1, т.е. число интервалов между максимумами интерференционной картины. . .

0 Известный толщиномер не позволяет, кроме того, контролировать длительность каждого из указанных интервалов, что может весьма важно в практике измерений.

5 Целью изобретения является повышение точности и расширение функциональных возможностей.

Поставленная цель достигается тем, что толщиномер снабжен п блоками преобразования, логическим блоКОМ, усилител ем постоянного тока, цифровым управляемым резистором, генератором импульсов и источником эталонного напряжения, разрядные выходы счетчика интервалов соединены со входами логическогоблока и цифрового управляемого резистора, включенного в цепь обратной связи усилителя постоянного тока, выход которого соединенсо входом регистрирующего при.бора; первые, вторые и третьи входы блоков преобразования соединены соответственно с выходом генератора импульсов,, подключенного входом ко второму выходу блока управления, с выходом исто ника эталонного напряжения и с третьим выходом блока управления четвертые входы блоков преобразования соединены с выходами логического блока, а выходы объединены и соединены со входом усилителя постоянног тока. Кроме того, каждый блок преобразования содержит два ключа, счетчик и подключенный к его разрядным выходам цифровой управляемый резистор, включенный между вторым входом и выходом блока преобразований, сигнальные входы первого и второго ключей являются соответственно первым и третьим входами блока преобразования, а их выходы соединены соответственно с сигнальным и управляющим входами счетчика, управляющие входы ключей объединены и об разуют четвертый вход блока преобра зования. На фиг. 1 представлена блок-схем толщиномера; на фиг. 2 - структура блокапреобразования. Устройство содержит спектрофотометр 1, имеющий линейную по волновым числам развертку спектра во времени, детектор 2 максимумов, под ключенный входом к выходу спектрофотометра 1 и генерирующий на выход короткие импульсы в моменты максиму мов интерференционной картины; блок 3 управления, координирующий работу других блоков и подключенный одним входом к выходу конца развертки спе трофотометра, другим - к выходу детектора 2 максимумов, объединенному с сигнальным входом счетчика 4 инте Вошов, служащего для фиксации числа интервалов между пройденными максимумами интерференционной картины, разрядные выходы которого соединены со входами цифрового управляемого резистора 5, проводимость которого пропорциональна (за исключением начального значения) числу пройденных интервалов интерференционной картин и со входами логического блока б, обеспечивающего изменение режима ра боты устройства в соответствии с чи лом пройденных максимумов интерфере ционной картины. Кроме того, устройство включает усилитель 7 постоянного тока, в цепь отрицательной обратной связи которого включен цифровой управляемый резистор 5, а выход соединен со входом регистрирующего прибора 8, генератор 9 импульсов, вход которого соединен со вторым выходом блока 3 управления, источник 10 эталонного напряжения и п блоков 11 преобразова ния, первые входы которых соединены с выходом генера.тора 9 импульсов, вторые - с выходом источника 10 эталонного напряжения, третьи с третьим выходом блока 3 управления, четвертые - с выходами логического блока б, а выходы объединены и соединены со входом усилителя ) постоянного тока/1-й блок преобразования (, 2, п) служит для преобразования длительности - -го интервала между максимумами интерференционной картины в пропорциональную ей (за исключением начального значения) величину сопротивления. Каждый блок преобразования содержит (фиг. 2) первый и второй ключи 12 и 13 соответственно, счетчик 14 и подключенный к его разрядным выходам цифровой управляемый резистор 15, включенный между вторым входом и выходом блока преобразования, сигнальные входы первого и второго ключей яьляются соответственно первым и третьим входами блока преобразования, а выходы их соединены соответственно с сигнальным и управляющими входами счетчика 14. Управляющие входы ключей объединены и образуют четвертый вход блока п эеобразования. При нулевом содержимом счетчиков сопротивление резистора 15 первого блока 11 преобразования равно а резисторы остгшьных блоков представляют собой разрыв цепи. , Толщиномер работает следующим образом. После установки пленки, толщина которой подлежит измерению, в спектрофотометр 1 и его запуска (одновременно запускается блок 3 управления ) формируются импульсы на первом и третьем выходах блoka 3 управления. Импульс с первого выхода устанавливает счетчик 4 интервалов в исходное состояние, при котором единичный потенциал имеется на всех выходах логического блока б, т.е. все ключи блоков 11 преобразования открываются и импульс с третьего выхода блока 3 управления проходит на управляющие входы счетчиков 14 всех блоков преобразования, устанавливая эти счетчики в нуль. При указанном исходном состоянии счетчика 4 интервалов проводимость цифрового управляемого резистора 5 не равна нулю. flepBEiiH импульс с выхода детектора 2 максимумов переводит счетчик 4 интервалов в состояние, при котором единичный потенциал имеет только один выход логического блока 6, соединенный со входом первого блока 11 преобразования. Блок 3 управления сигналом со второго выхода запускает генератор- 9 импуль сов, выходные импульсы которогоначинают поступать на счетчик 14 блока 11 преобразования. Второй им пульс с выхода детектора 2 максимумов переводит счетчик 4 интерваитон, снабженный цепью циклического переноса, в состояние 00...01, при кото ром возбужден выход логического бло ка 6, соединенный со входом второго блока 11 преобразования. Таким обра зом, с этого момента импульсы с выхода генератора 9 будут поступать н счетчик14 второго блока 11 преобра зования, на счетчике же первого бло ка преобразования останется зафикси рованным число, пропорциональное дл тельности первого интервала между максимумами интерференционнЬй картины. Далее схема работает аналогично. Каждый импульс с выхода детектора 2 максимумов увеличивает на единицу содержимое счетчика 4 интерзалов и переключает через логический блок 6 выход генератора 9 импульсов на вхо счетчика следующего блока преобразования. При этом проводимость цифрового управляемого резистора 5 ока зывается пропорциональной числу пройденных интервалов между максимумами интерференционной клртины, а сопротивление цифрового управляемого резистора i-го блока преобразования - пропорциональным длительности i-го из указанных интервалов. В момент окончания развертки спектрофотометра 1 возникает импуль на его выходе, соединенном со входом блока 3 управления.Получив этот импульс, блок 3 управления прекращает работу генератора 9 импульсов и формирует импульс на третьем выходе. Этот импульс поступит на управляющий вход счетчика тЬлько одного блока 11 преобразования, номер которого на единицу больше номера последнего интервала между максимумами интерференционйой картины, соответствующий счетчик б1/дет возвращен в нуль, т.е. его цифровой управляемый резистор будет разомкнут Напряжение, которое установится на выходе усилителя 7 после окончания развертки спектрофотометра, выразится формулой п Ur-f vT -v). 1г-| 14-1 1 где Е - выходное напряжение источника 10 эталонного напряжения;т.е. результат измерения, фиксируе мый регистрирующим прибором 8, в некотором масштабе представляет толщину пленки образца, установленного в спектрофотометр. Масштаб можно изменять нерперывно или дискретно, регулируя, например, величину Е или частоту импульсов генератора 9. Формула изобретения 1.Интерференционный толщиномер, содержащий спектрофотометр, детектор максимумов, входом подключенный к выходу спектрофотометра, счетчик интервалов, сигнальный вход которого соединен с выходом детектора максимумов, блок управления, первый вход которого соединен с выходом детектора максимумов, второй - с выходом конца развертки спектрофотометра, а первый-выход - с управляющим входом счетчика интервалов, и регистрирукидий прибор, о т л и чающийся тем, что, с целью повышения точности и расширения функциональных возможностей, он снабжен п блоками преобразования, логическим блоком, усилителем постоянного тока, цифровым управляемым резистором, генератором импульсов и -источником эталонного напряжения, разрядные выходы счетчика интервалов соединены со входами логического блока и цифрового управляемого резистора, включенного в цепь обратной связи усилителя постоянного тока выход которого соединен со входом регистрирующего прибора, первые, вторые и третьи входы блоков преобразования соединены соответственно с выходом генератора импульсов, подключенного входом ко второму выходу блока управления, с выходом источника эталонного напряжения и с третьим выходом блока управления, четвертые входы блоков преобразования соединены с выходами логического блока,, а выходы объединены и соединены со входом усилителя постоянного тока. 2. Интерференционный толщиномер по П.1, отличающийся тем, что каждый блок преобразования содерж два ключа, счетчик и подключенный к его разрядным выходам цифровой управляемый резистор, вклюенный между вторым входом и выхоом блока прербразрвания, сигнальые входы первого и второго ключей вляются соответственно первым и ретьим входаили блока преобразования, а их выходы соединены соотетственно с сигнальным и управляющим входами счётчика, управляющие входы ключей объединены и образуют четвертый вход блока преобразования

Источники информации, принятые во внимание при. экспертизе

1.Патент США № 2312691, кл. 356-308, 1971.

2.Авторское свилетельство СССР по заявке № 2157728, кл.С 01 В 19/38, 1975, (прототип).