Способ определения толщины пленочных материалов и покрытий
Изобретение относится -к измерительной технике и может применяться в устройствах для измерений с помощью волновых излучений. Целью изобретения является повышение производительности и точности измерений толщины пленочных материалов цтг§ за счет разделения оптического потока на зондирующий и опорный, совмещения ингредиента зондирующего потока с опорным и измерения яркости одной из полос получившейся интерференционной картины. Определение толщины происходит в следующем порядке: формируют экстремальные яркости интерференционной картины, фиксируют коды Ммакс и NMHH, определяют Мер (NMSKC + №Мин)/2, формируют это значение изменением начальной частоты опорного излучения до величины Vi и фиксируют код NI, задерживают поток опорного излучения на время г « 1/Vi и фиксируют.код NZ, устанавливают частоту Vi - Vi + A Vi и фиксируют код Мз, исключают задержку потока опорного излучения и фиксируют код N4, вычисляют приращения ANi N2-Ni, AN2 Na-Ni. AN3 N4-Nin (Л С V г U о ю о со ел
СОЮЗ СОВЕТСКИХ
СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ
РЕСПУБЛИК (я)л G 01 В 21/08
ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ
ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ
ПРИ ГКНТ СССР
ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ
К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4466446/28 (22) 24,06.88 (46) 07.01.91. Бюл. М 1 (72) В.А.Таран и Ю.А.Скрипник (53) 537.717 (088.8) (56) Shamlr Т. Optical parameters of partially
transmitting thin films 2: Experiment and
further analisis of à novel method for their
determination.— Applied Optics, 1976, ч. 15, N
1, р. 120-126, (54) СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ТОЛЩИНЫ
ПЛЕНОЧНЫХ МАТЕРИАЛОВ И ПОКРЫТИЙ (57) Изобретение относится -к измерительной технике и может применяться в устройствах для измерений с помощью волновых излучений. Целью изобретения является по.вышение производительности и точности измерений толщины пленочных материалов
„„ 4 „„1619035 А1 за счет разделения оптического потока нэ зондирующий и опорный, совмещения ингредиента зондирующего потока с опорным и измерения яркости одной из полос получившейся интерференционной картины.
Определение толщины происходит в следующем порядке; формируют экстремальные яркости интерференционной картины, фиксируют коды ймакс и Ймии, определяЮт Ncp = (1Чмакс + Ймин)/2, ФОРМИРУЮТ ЭТО значение изменением начальной частоты опорного излучения до величины 1 1 и фиксируют код N1, задерживают поток опорного излучения на время х «1/11 и фиксируют.код Й2, устанавливают частоту
1 2 = 11 + Л м1 и фиксируют код йз, исключают задержку потока опорного излучения и фиксируют код N4, вычисляют приращения
AN1 = 1ч2 - N1 12 = 1чз - N1. Л 1чз = N4 - N1 и
1619035
35 определяют толщину д по формуле д =
= fcpT /(и —.1)) (ЛМз/(Лйз- Лйг+ЛИ1))при х и Аи>, обеспечйвающих."превышение .. в 3 и более раза яркостей над порогом чувствительности; со- скорость света; п — показатель преломления контролируемого объекта. Данный способ осуществляется устройством, содержащим оптически связанные квантовый генератор 1, полупрозрачное зерИзобретение относится к области измерительной техники и может найти применение в устройствах для измерений с помощью волновых излучений, Целью изобретения являются повыше- 5 ние производительности и точности измерений толщины пленочных материалов и покрытий за счет разделения когерентного оптического потока на зондирующий и опорный, совмещения ингредиента зонди- 10 рующего потока с опорным и измерения яркости одной из полос получившейся интерференционной картины.
Определение толщины д контролируемого материала или покрытия произво- 15 дят в последовательности, при которой формируют экстремальные яркости интерференционной полосы, фиксируют коды электрических сигналов NMaxc и и ин их из.мерений, определяют среднее значение 20
Ймакс + Имин
Ncð " ", формируют это значение изменением начальной частоты опорного излучения до ее величины v> и фиксируют код N, задерживают поток опор- 25 ного излучения на время х«1/м1 и фиксируют код Йг, увеличивают частоту v> до ее значения г =т1 + Ьм1 и фиксируют код
Мз, исключают задержку потока опорного излучения и фиксируют код N4, вычисляют 30 приращения 1 = N2 - N1, Лйг = йз — N1, Лйз=Й4-N>,àòîëùèíó д контролируемого материала или покрытия определяют по формуле
Д со х (Л 43 (1) и 1 фаз-hN2+AN,) где cp — скорость распространения излучения в свободном пространстве; и — показатель преломления контролируемого материала или покрытия, при значениях х vl hv>, обеспечивающих превышение не менее, чем в три раза кало 2, контролируемый материал 3, неподвижное зеркало 4, подвижное зеркало 5, диафрагму 6, фотоприемник 7, микроЭВМ
8, включающую аналого-цифровой преобразователь 9, вычислитель 10, цифроаналоговый преобразователь 11, блок 12 управления генератором 1, блоки 13, 14 линейных перемещений зеркала 5 и материала 3, цифровой индикатор 15. 1 ил, измеряемых яркостей над порогом чувствительности.
На чертеже показана структурная схема устройства, реализующего предлагаемый способ, Устройство содержит оптический квантовый генератор 1, полупрозрачное зеркало
2, контролируемый материал 3, неподвижное зеркало 4, подвижное зеркало 5, диафрагму 6, фотоприемник 7, вычислительный блок 8 (микроЭВМ), состоящий из аналого-цифрового преобразователя (АЦП) 9, вычислителя 10, цифроаналогового преобразователя (ЦАП) 11, блока 12 управления генератором 1, блоков 13 и 14 линейных перемещений соответственно зеркала 5 и материала 3, цифрового индикатора 15.
Способ осуществляется следующим образом.
При равенстве оптических длин каналов распространение зондирующего и опорного потоков когерентного оптического излучения разность фаэ колебаний совмещаемых потоков определяется фаэовой задержкой зондирующего потока в контролируемом материала или покрытии:
Лфо = 2 л ир (n — 1) —, (2) д со где э — начальная частота когерентного излучения; д — толщина контролируемого материала или покрытия; со — скорость распространения излучения в свободном пространстве;
n — показатель преломления контролируемого материала или покрытия.
При этом начальный нулевой сигнал Np фотоприемника пропорционален косинусу полураэности фаз интерферируемых потоков и характеризуется соотношением
NSo(1 ) tp cos x (n -1) — + ЬЧ., (3) со где Sp — чувствительность фотопреобразования полуразности фаз интерферируемых потоков в напряжение, В/град;
1619035
Q = Мо/$о — относительная мультипликативная погрешность преобразования от температурной и временной нестабильности параметров фотоприемника 7;
Л Np — абсолютная аддитивная погреш- 5 ность преобразования от непостоянства темнового тока фотоприемника и дрейфа
его нуля;
lp — интенсивность когерентного зондирующего излучения. 10
Изменение частоты исходного излучения до получения среднего выходного сигнала
Ncp = (ймакс + ймин)/2 (4) позволяет описать этот сигнал соотношени- 15 ем вида
Ncp - Ng - $ (1+) 1) IP cos ЛИ (< ->) — + Л 1 .(5) г д со где Ймакс и Ймин — выходные сигналы фотоприемника 7, соответствующие мини- 20 мальной и максимальной яркостям интерференционной полосы; и1 — значение частоты, обеспечивающее выходной сигнал Nj, характеризуемый
90 сдвигом фаэ колебаний опорного и эон- 25 дирующего излучений, совмещенных на апертуре фотоприемника 7;
St, y1,hN1 — чувствительность и погрешности преобразования разности фаэ
h >=90. 30
При введении в опорный канал задержки т «1/ю, .(6) выходной сигнал фотоприемника характеризуется соотношением 35 и,-s>(1+hz) <о c ave ((n-1) — -Ч+ Ь2. (7) г д где S2, 12, Лйг — чувствительность и погрешности преобразования разности фаз
hpz = 90О ip (r) (8) 40
Увеличение частоты излучения и1 до ее значения 12 =v> +Лv> при
1(() - 1, (9) а также последующее выведение задержки 45 (6) из опорного канала приводит к следующим значениям выходных сигналов фотоприемника 7
Йз = $3 (1+ 3) lo cos л(vg+ hvar) х х ((и - 1 ) — — Г) + Лй3, д (10)
50 со
N4 = s4 (1 4) lo со$ л(Р1+ hvar) х
Х (и -1) — + ЛЙ4, д (11) со 55 где Яз, +, Жз и s4, g4, hN4- чувствительности и погрешности преобразований соответственно разности фаз
Л фз = 90 — ф (Г) + фР (А 1 ); (12)
h p4 = 90 + rp (hvar) ° (13)
Задержку опорных колебаний (6) выбирают такой, что приращение Л р фазового сдвига от ее введения превышает пороговую чувствительность фотопреобразовательной системы в 3 раза. Аналогичным же образом выбирают увеличение частоты hv> излучения (9).
Подобный выбор значений t;hvar позволяет считать, что вариации чувствительности преобразования квазилинейны, что обеспечивает выполнение равенств
Si = S2 = S$ = S4 So (14)
11 = . Q = 4 = Q (15)
ЛN1=. hN2 = ЛИЗ=ЛN4=ЛNp. (16)
Равенства (14)-(16) обеспечивают воэможнОсть вычислений приращений выходных сигналов фотоприемника 7:
Л М = N2 — N1 = So (1 + у ) lp л 1 1т; (17)
Лйг =Из — Nt = — Sp(1+14з) 1ол х
x (hv (n — 1) — — г r); д со (18)
ЛМ3 = N4 N1 = — Sp (1+ 113) Х
X lp лЛи1(п — 1) †. д (1 9) со
Решение (17)-(19) приводит к промежуточному соотношению д (n — 1)—
Л 13 Л 2 + Л 11 (20) из которого следует зависимость (1).
Как видно из зависимости (1), результат определения искомого параметра д не зависит от частоты оптического излучения и ее приращения, используемого в процессе измерений, а также от погрешностей преобразования разностей фаэ в выходные сигналы фотоприемника, Устройство работает следующим образом.
Оптическое излучение генератора 1 с помощью зеркала 2 разделяется на опорный и зондирующий потоки. Зондирующий поток проходит материал 3 и отражается от зеркала 4, а опорный — от зеркала 5. Отраженные потоки совмещаются зеркалом 2, образуя в плоскости диафрагмы 6 интерференционную полосу, участок которой проецируется на апертуре фотоприемника 7.
Яркость интерференционной полосы преобразуется фотоприемником 7 и АЦП 9 в код, который вводится в память вычислителя 10, где и хранится.
По команде вычислительного блока 8 с помощью ЦАП 11 подается на блок 12 управ1619035
Формула изобретения
Способ определения толщины пленочных материалов и покрытий, в котором разделяют поток когерентного оптического излучения на зондирующий и опорный, нагде co — скорость распространения излучения в свободном пространстве; и — показатель преломления контролируемого материала или покрытия.
Составитель В. Шабанова.
Техред М.Моргентал Корректор Н. Король
Редактор Н. Бобкова
Заказ 36 Тираж >,(Подписное
ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР
113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., 4/5
Производственно.-издательский комбинат "Патент", r. Ужгород, ул.Гагарина, 101
По команде вычислительного блока 8 с помощью ЦАП 11 подается на.блок 12 управления генератором 1 управляющее воздействие, которое изменяет частоту излучения лазера до достижения средней яркости (4) интерференционной полосы, Соответствующий результат (5) преобразования средней яркости (5) полосы вводится в память вычислителя 10, Затем по команде вычислительного блока 8 через ЦАП 11 формируется и подается управляющее воздействие на блок 13 линейных перемещений, который перемещает зеркало 5 на заданную величину Лд, обеспечивающую необходимую задержку т опорного потока. Соответствующий результат (7) преобразования яркости интерференционной полосы вводится в вычислитель 10.
Далее по команде вычислительного блока 8 с использованием блока 12 управления генератором 1 увеличивается частота vt излучения генератора 1 на величину(9). Соответствующий результат (10) вводится в вычислитель 10, После чего по команде вычислительного блока 8 формируется управляющее воздействие на блок 13 линейного перемещения, которой перемещает зеркало
5 в исходное положение, исключая задержку t из опорного потока. Соответствующий результат (11) вводится в вычислитель 10, Затем в память последнего вводятся постоянные величины и, т, со, алгоритмы (17)— (19) и (1). Далее вычислитель 10 вычисляет промежуточные значения (17)-(19) и, используя (1), определяют искомый параметр, 5
35 правляют зондирующий поток на контролируемый материал или покрытие, принимают зондирующий поток, прошедший материал или отраженный от подложки покрытия, совмещают его с опорным потоком, формируют интерференционную картину, измеряют яркости одной из ее полос и изменяют частоту излучения, вызывая изменение яркости интерференционной полосы, превышающее порог чувствительности интерференционной системы, о т л ич а ю шийся тем, что, с целью повышения производительности и точности измерений, определение искомого параметра проводят в последовательности, при которой формируют экстремальные яркости интерференционной полосы, фиксируют коды ймакс и NMw электрических сигналов их измерений. и определяют среднее значение асср = (Импекс + йасин)/2, формируют это значение изменением начальной частоты опорного излучения до ее величины ю1 и фиксируют код Nt, задерживают поток опорного излучения на время s «1A > и фиксируют код Nz, увеличивают частоту и1 излучения до ее значения vz .= wt + Av> и фиксируют код Мз, исключают задержку потока опорного излучения и фиксируют код N4, вычисляют приращения ЛК1 = N2 — Nt,A N2 = Язв — Й1, Л йз = И4 — М1, а толщину д контролируемого материала или покрытия при значениях т ut At», обеспечивающих превышение не менее, чем в три раза измеряемых яркостей над порогом чувствительности, определяют по формуле
co (AN (n-1) (AN3 АМ2+Лм1
