Устройство для измерения толщины тонкой пленки на прозрачной подложке

 

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения - повышение точности измерения за счет исключения погрешностей от нестабильности источника излучения и фотоприемника. Устройство содержит источник 1 излучения, оптическую систему 2, состоящую из эта-;- лонного и измерительного канйлов,фотоприемник 15 и электронный блок 16 обработки сигналов, моделирующий закон Бугера-Ламберта. Световой поток от источника 1 света разделяется на два канала, в одном из них располагается измеряемый объект, а в другом - эталонный светофильтр 9.Световые потоки посредством оптического СлЭ Q1 СП ас 65 со фие. /

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (!91 !1!) (Ю4 G 01 В 2!/08

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

Н АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ НОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ (21) 4055531/24-28 (22) 15.04,86 (46) 30.11.87. Бюл, М 44 (/2) Н,Н. Алферьев, В.В, Бобро, В.И, Вязанкин, В.Д. Кочкин и В.А.Шунин (53) 531 . 7 17 (088, 8) (56) Патент США 11 3918815, кл. G 01 В 11/28, 1975. (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗИЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ

ТОНКОЙ ПЛЕНКИ НА ПРОЗРАЧНОЙ ПОДЛОЖКЕ (57) Изобретение относится к контрольно-измерительной технике. Цель изобретения — повышение точности измерения за счет исключения погрешностей от нестабильности источника излучения и фотоприемника. Устройство содержит источник 1.излучения, оптическую систему 2, состоящую из эта-, лонного и измерительного каналов,фотоприемник 15 и электронный блок 16 обработки сигналов, моделирующий закон Бугера-Ламберта. Световой поток от источника 1 света разделяется надва канала, в одном из них располагается измеряемый объект, а в другом — эталонный светофильтр 9.Световые потоки посредством оптического

1355869 коммутатора 10 попеременно направляются на фотоприемник 15, усиленные сигналы с которого запоминаются в аналоговых запоминающих блоках (АЗБ), Блок синхронизации инициирует выборку сигналов из АЗБ в блок задания модели, в котором процесс поглощения ,потока света слоем вещества моделируИзобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в технологическом оборудовании, применяемом в приборостроении, для измерения толщины нанесенных и наносимых тонких пленок на прозрачные подложки.

Цель изобретения — повышение точ,ности измерения за счет исключения 10 погрешностей от нестабильности источника излучения и фотоприемника.

На фиг. 1 показана структурная схема устройства для измерения толщины тонкой пленки на прозрачной под- 1б ложке; на фиг ° 2 — структурная схема электронного блока обработки сигналов; на фиг. 3 — структурная схема блоков синхронизации; на фиг. 4 функциональная схема блока задания 20 модели; на фиг. 5 — график зависимости интенсивности P плоской монохроматической волны от толщины слоя (за-! кон Бугера-Ламберта); на фиг. 6 график разряда конденсатора (модели- 25 рующая кривая); на фиг. 7 — временные диаграммы работы блока синхронизации; на фиг. 8 — временные диаграммы работы электронного блока обработки сигналов. 30

Устройство для измерения толщины тонкой пленки на прозрачной подлож.ке содержит источник 1 излучения,оптическую систему 2, состоящую из кон- денсора 3, интерференционного све- З5 тофильтра 4, светочувствительного блока сО светоделителем 5 и призмой

6, направляющей излучение на измеряемую тонкую пленку 7, размещенную на прозрачной подложке 8, эталонного светофильтра 9 и блока коммутации свесветовых потоков, снабженного обтюратором 10, связанным с осью электродвигателя 11, призмами 12 и 13 и линется разрядом конденсатора на активное сопротивление. При совпадении значений эталонного и измеряемого (с RC-цепи) напряжений компаратор выдает сигнал на включение индикатора, где отображается число, пропорциональное толщине пленки в абсолютных единицах. 2 з.п.ф-лы, 8 ил. зой 14, фотоприемник 15 и электронную систему 16 обработки сигналов.

Система 16 включает усилитель 17, два аналоговых запоминающих блока (АЗБ)

18 и 19, блок 20 синхронизации, генератор 21 цикла, управляющий триггер;

22, блок 23 задания модели, стабиль- ный генератор 24, элемент И 25, дво-. ично-десятичный счетчик 26, дешифратор 27 и блок 28 индикаторов. Блок

20 синхронизации выполнен в виде триггера 29 Шмитта, четырех одновибраторов 30-33, элемента И 34 и двоичного счетчика 35. Блок 23 задания модели содержит ключ 36 заряда, токоограничивающий резистор 37, конденсатор 38, инвертор 39„ клю . 40 разряда, резистор 41 и компаратор 42, I

Оптическую систему 2 образуют конденсора 3, служащий для формирования параллельного пучка света, интерфе- . ренционный светофильтр 4, предназначенный для выделения спектральной области пучка света, для которой коЭффициент пропускания измеряемой пленки 0,2-0,8, светочувствительная система, состоящая из светоделителя 5, выполненного в виде светоразделительной призмы или полупрозрачного зеркала, и призмы 6, делящей световой поток на два пучка, на пути одного из которых располагается тонкая пленка 7, размещенная на прозрачной под- ложке 8, а на пути другого — эталонный светофильтр 9, система коммутации световых потоков, содержащая обтюратор 10, соединенный с осью электродвигателя 11, и две призмы 12 и 13, и предназначенная для попеременного направления световых потоков с эталонного и измерительного каналов через линзу 14 на фотоприемник 15

;(фотоумножитель), преобразующий све3 товой поток в пропорциональный элект1 рический сигнал и соединенный с входом усилителя 17 электронной системы 16 обработки сигналов. Усилитель 17 предназначен для усиления и согласования выходного уровня фотоприемника 15 с блоками 1820. Выход блока 20 синхронизации соединен с вторым входом первого АЗБ 18, а выходы АЗБ 18 и 19 и триггера 22 соеди- Ю иены с блоком 23 задания модели.Генератор 21 цикла соединен с вторым входом счетчика 26 и первым входом триггера 22, второй вход которого соединен с выходом блока 23. Стабиль- 15 ный генератор 24 и первый выход триггера 22 соединены с входами элемента

И 25, выход которого соединен с первым входом счетчика 26. Дешифратор

27 соединен входами с выходом счет- 20 чика 26, а выходами — с блоком 28 индикаторов. Второй выход триггера

22 соединен с входом гашения дешифратора 27. Блок 20 синхронизации, обеспечивающий заданный алгоритм ра- 25 боты электронной схемы системы 16, содержит триггер 29 Шмитта, выход которого подключен к входу первого одновибратора 30, соединенного выходом с входом второго одновибратора 30

31, второму входу элемента И 34 и первому входу счетчика 35, выходами соединенного с входами одновибраторов 32 и 33. Выход элемента И 34 и подключен к второму входу счетчика 35

35. Ключ 36 заряда блока задания модели соединен с первым резистором 37, соединенным с конденсатором 38, ключом 40 разряда и компаратором 42.

Ключ 40 разряда соединен с выходом 40 инвертора 39 и вторым резистором 4 1.

Устройство работает следующим образом.

Свет от источника 1, пройдя через 45 конденсор 3 и интерференционный светофильтр 4, приобретает форму параллельного пучка и, частично поглотившись, сохраняет узкую полосу о спектра (100 A), соответствующую максимальному поглощению пленки,затем расщепляется призмой 5 (или полупрозрачным зеркалом) на два пучка, один из них проходит через измеряемую тонкую пленку 7 на прозрачной подложке 8, а другой — через эталонный светофильтр 9. Далее через оптическую систему коммутации свет поступает на фотоприемник 15, временная

69 зависимость освещенности которого приведена на фиг. 7g. В интервале времени t, — фотоприемник 15 освещается пучком света, прошедшим через измеряемую пленку, а в интервале

t4 — пучком света, прошедшим через эталонный светофильтр. Интервалы времени t,— t и t4 — t (t, ), сформированные оптическим коммутатором, обеспечивают возможность синхронизации электрической схемы.

Злектрический сигнал с фотоприем- ника 15 через усилитель 17 поступает на.входы АЗБ 18 и 19, образованных последовательным соединением микросхем K284KHi и К5ч42Д14 с разделительным конденсатором, имеющим малый ток утечки, и блок 20 синхронизации, который выдает импульсы разрешения выборки (фиг. 7u,х) АЗБ 18 и 19. Работа блока 20 поясняется диаграммами на фиг. 7. Сигнал с выхода АЗБ 19, являющийся эталонным, подается на вход компаратора 42 блока 23 задания модели, а сигнал с выхода АЗБ 18, являющийся измеряемым, — на ключ 36 заряда блока 23.

Интенсивность ч" плоской монохрома- тической волны после прохождения сквозь слой поглощающего вещества толщиной d связана с интенсивностью

Ф,этой волны на входе в слой следующим соотношением (закон Бугера-Ламберта): Р =Ф е

-gJ где <6 — коэффициент поглощения, .зависящий только от длины волны света, химической природы и состояния вещества (не зависит от интенсивности света).

Его физический смысл легко установить, преобразовав уравнение к следующему виду:

1 эт I о = — 1п — при d = e

d ф э С1 э т.е. коэффициент поглощения численно равен единице, деленной на толщину слоя вещества, по прохождению которого интенсивность света уменьшается в е раз, Данный процесс моделируется разрядкой конденсатора на активное сопротивление. Емкость С, заряженная до напряжения У(Ф„), отключается от источника энергии, и одновременно ее обкладки замыкаются на сопротивление

1355869

R . 0 To Me eH e He HHee e ee разрядка. Учитывая начальные условия

t = 0, Uü,= U(g)„), П(ф ) (R с

С зт

Формула изобретения

1. Устройство для измерения толщины тонкой пленки на прозрачной

55 подложке, содержащее оптически связанные источник излучения, оптическую систему, фотоприемник и электронную систему обработки сигналов, соеКонденсатор 38 блока 23 должен быть термостабильным, в качестг<. резистора 41 используется прецизионный 10 проволочный подстроечный резистор.

По синхроимпульсу, поступающему с генератора 21 цикла (фиг. 8), сбрасывается двоично-десятичный счетчик 26, и устанавливается в состояние "1" 15 управляющий триггер 22, реализованный на базе D-триггера, Выходные сигналы триггера 22 закрывают ключ 36 заряда и открывают (через инвертор 39) ключ

40 разряда конденсатора 38 и разре- 20 шают поступление счетных импульсов со стабильного генератора 24 через эле— мент И 25 на двоично-десятичный счетчик 26 и гашение индикаторов блока 28, реализованного на светодиодных семи- 25 сегментных индикаторах, например

АПС324А, посредством дешифратора 27.

При достижении напряжением конденса— тора 38 значения П, равного П(Ф,„„), компаратор 42 напряжения, реализован- 30 ный, например, на базе микросхемы

К554САЗ, выдает сигнал на сброс управляющего триггера 22, в результате чего на счетчик 26 прекращается поступление импульсов, включаются индикаторы блока 28, разряд конденсатора 38 сменяется его зарядом. До прихода следующего импульса ".енератора 21 цикла на индикаторах блока, 28 высвечивается число, пропорциональное 40 толщине измеряемой тонкой пленки 7.

Частоты, генераторов имеют соотношение, при котором глаз оператора не улавливает кратковременного гашения индикации. Для настройки блока 23 за45 дания модели на конкретный физикохимический состав слоя постоянная времени Т разряда конденсатора 38 выставляется в соответствии с коэффициентом поглощения света данной спектральной части этим слоем.

50 диненную с ним, о тли ч ающе ес я тем, что, с целью повышения точности измерений, оптическая система выполнена в виде конденсора и интерференционного светофильтра, установленных последовательно по ходу пучка излучения, оптически связанных светочувствительного блока, состоящего из светоделителя и призмы, эталонного светофильтра и блока коммутации световых потоков, постоящего из двух призм и обтюратора с электродвигателем, и линзы, а электронная система обработки сигналов содержит у"илитель, первый и второй аналоговые запоминающие блоки (АЗБ), блок синхронизации, генератор цикла, управляющий триггер, блок задания модели, стабильный генератор, элемент И, двоично-десятичный счетчик, дешифратор и блок индикаторов, причем вход усилителя электронного блока обработки сигналов является входом блока, а выход соединен с первым входом перво: о АЗБ и первым входом второго АЗБ, выход генератора цикла соединен с вторым входом двоично-десятичного счетчика и первым входом управляюшего триггера, соединенного первым выходом с вторым входом элемента И, а вторым выходом — с входом гашения дешифратора, выходы которого подключены к входам блока индикаторов, а выход стабильного генератора соединен с первым входом элемента И, соединенного выходом с первым входом двоично-десятичного счетчика, выходы которого подключены к входам дешифратора.

2. Устройство по п.1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что блок синхронизации содержит триггер Шмитта, первый, второй, третий и четвертый одновибраторы, элемент И двоичный счетчик, причем вход триггера Шмитта соединен с выходом ус.илителя, а выход— с входом первого одновибратора, вторым входом элемента И и первым входом двоичного счетчика, соединенного первым выходом с входом гретьего одновибратора, а вторым выходом — с входом четвертого одновибратора, выход которого подключен к второму входу первого АЗБ,кроме того, выход первого одновибратора соединен с входор второго одновибратора, подключенного выходом к первому входу элемента И, выход которого подключен к второму

1355869 входу двоичного счетчика, а выход третьего одновибратора соединен с вторым входом второго АЗБ.

3. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что блок задания модели выполнен в виде ключа заряда и разряда, конденсатора, первого и второго резисторов, инвертора и компаратора, причем первый вход ключа заряда соединен с выходом первого АЗБ, второй вход — с первым выходом управляющего триггера, а выход— с первым резистором, соединенным с конденсатором, первым входом компаратора и первым входом ключа разряда, второй вход которого подключен к выходу инвертора, выход ключа разряда соединен с вторым резистором, вход инвертора соединен с первым выходом управляющего триггера, второй вход

fp компаратора соединен с выходом второ

ro АЗБ, а выход — с третьим входом управляющего триггера.

13558Ü9

1355869

84/1

Pvz, 7

З7У8

22 и

Редактор А, Огар Заказ 5767/37 Тираж 677 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

1 13035, Москва, Ж-35, Раушская наб.,д. 4/5

Производственно-полиграфическое предприятие, г. Ужгород, ул. Проектная, 4. е (Ят)

jQ,) Составитель В, Чулков

Техред И.Верес Корректор М. Шароши