Устройство для контроля толщины пленок, в процессе напыления осаждением в вакуумной камере многослойного оптического покрытия

 

Изобретение относится к измерительной технике, а именно к изготовлению многослойных оптических покрытий.наносимых путем осаждения веществ в вакууме. Цель изобретения - повышение точности контроля за счет уменьшения случайной составляющей погрешности и снижения уровня мешающего излучения. Объективы зеркала создают изображение источника излучения в плоскости образца. Излучение, прошедшее оптический канал контроля, и излучение, прошедшее оптический канал сравнения, попадают в блок монохроматизации попеременно, что позволяет производить их временную селекцию. Сигналы поступают в систему управления и регистрации , на выходе которой расположен измеритель отношения, где производится вычисление отношения сигнала, пропорционального пропусканию образца, к сигналу, пропорциональному потоку, прошедшему оптический канал сравнения. Установка отношения производится путем перемещения прямоугольной отражающей призмы на каретке вдоль прямой 00, что приводит к тому, что пучки лучей из канала контроля и канала сравнения скользят по поверхности проецирующего оптического элемента. Система управления и регистрации соединена со всеми исполнительными механизмами, а модулятор установлен так, что одна кодирующая дорожка соединена с каналом сравнения и генератором опорного напряжения (ГОН), а другая - с одним из каналов контроля и ГОН, и оба ГОН подключены к системе управления и регистрации через фотоприемную систему. В процессе нанесения очередного слоя покрытия отношение меняется, так как оно пропорционально (либо равно) Т образца с контролируемой пленкой. По получаемым значениям отношения судят о толщине пленки. Команда на прекращение осаждения вырабатывается системой управления и регистрации, когда отношение достигнет требуемого значения . 1 з,п, ф-лы, 1 ил. Ј ч1 О ел VI о о

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК ацз G 01 В 11/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

IlO ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4482511/28 (22) 16.09.88 (46) 15.01.92, Бюл. N 2 (72) О.B. Александров и Л,Б, Кацнельсон (53) 581.717.1(088.8) (56) Авторское свидетельство СССР

N 1360336, кл. G 01 B 11/06, 1986, (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЪ| ПЛЕНОК В ПРОЦЕССЕ НАПЫЛЕНИЯ ОСАЖДЕНИЕМ B ВАКУУМНОЙ

КАМЕРЕ МНОГОСЛОЙНОГО ОПТИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ (57) Изобретение относится к измерительной технике. а именно к изготовлению многослойных оптических покрытий, наносимых путем осаждения веществ в вакууме. Цель изобретения — повышение точности контроля эа счет уменьшения случайной составляющей погрешности и снижения уровня мешающего излучения. Объективы зеркала создают изображение источника излучения в плоскости образца. Излучение, прошедшее оптический канал контроля, и излучение, прошедшее оптический канал сравнения, попадают в блок монохроматизации попеременно, что позволяет производить их временную селекцию, Сигналы поступают в систему управления и регистраИзобретение относится к измерительной технике и может быть применено при создании аппаратуры для изготовления многослойных оптических покрытий, наносимых путем осаждения веществ в вакууме, Цель изобретения — повышение точности контроля эа счет уменьшения случайной Ы2 1705700 А1 ции, на выходе которой расположен измеритель отношения, где производится вычисление отношения сигнала, пропорционального пропусканию образца, к сигналу, пропорциональному потоку, прошедшему оптический канал сравнения. Установка отношения производится путем перемещения прямоугольной отражающей призмы на каретке вдоль прямой 00, что приводит к тому, что пучки лучей из канала контроля и канала сравнения скользят по поверхности проецирующего оптического элемента. Система управления и регистрации соединена со всеми исполнительными механизмами, а модулятор установлен так, что одна кодирующая дорожка соединена с каналом сравнения и генератором опорного напряжения (ГОН), а другая — с одним из каналов контроля и ГОН, и оба ГОН подключены к системе управления и регистрации через фотоприемную систему. В процессе нанесения очередного слоя покрытия отношение меняется, так как оно пропорционально (либо равно) Т образца с контролируемой пленкой. По получаемым значениям отношения судят о толщине пленки. Команда на прекращение осаждения вырабатывается системой управления и регистрации, когда отношение достигнет требуемого значения, 1 з.п. ф-лы, 1 ил. составляющей погрешности и снижения уровня мешающего излучения, На чертеже изображена функциональная схема устройства.

Устройство содержит источник 1 излучения, модулятор 2, выполненный в виде прерывателя с двумя кодирующими дорожками

1705700

3 и 4. генераторы 5 и 6 опорного напряжения (ГОН), оптический переключатель 7 каналов для контроля по пропусканию или

Отражению с приводом 8, В оптический канал для контроля llo пропусканию входят объективы 9-11, плоские зеркала 12-14 и окна 15 и 16. В оптический канал контроля по отрвжению входят объективы 17, 18 и 11, плоские зеркала 19, 20 и 14 и окна 21 и 16.

Прямоугольная отражающая призма 29 расположена на каретке 35 с приводом 36.

Каретка 35 установлена с возможностью перемещения вдоль прямой 00, Проецирующий оптический элемент 30 снабжен ползуном 37 с приводом 38. Полэун 37 установлен с возможностью перемещения вдоль оптической оси проецирующего оптического элемента 30, 55

В месте пересечения оптических осей каналов для контроля по пропусканию и отражению расположен образец 22 с контролируемыми пленками, образующими многослойное оптическое покрытие. Образец 22 устанавливают в вакуумной камере

23, снабженной окнами 15, 16 и 21, термическими и (или) электронно-лучевыми и т.п. испарителями 24 и узлом 25 прерывания осаждения, Устройство содержит оптический канал сравнения, в который входят объектив 26 и плоские зеркала 27 и 28.

По ходу лучей ось оптических каналов для контроля после зеркала 14 и ось оптического канала сравнения после зеркала 28 лежат на прямой 00, на которой расположена прямоугольная отражающая призма

29. Отражающая грань I призмы 29 находится в канале контроля, а отражающая грань

II — e канале сравнения. Угол между гранями

1 и П равен 90, они расположены под углом 450 к прямой 00.

Ilocne призмы 29 оси оптических каналов контроля и сравнения перпендикулярйы прямой 00 и параллельны, На их пути расположены проецирующий оптический элемент 30, выполненный в виде линзы, и плоское зеркало 31. После зеркала 31 расположен блок 32 монохроматиэации.

За выходной щелью монохроматора, входящего в блок 32, находится фотоприемная система 33, выход которой подключен к системе 34 управления и регистрации.

Модулятор 2 установлен так, что кодирующая дорожка 3 соединена с каналом сравнения и ГОН 5, а кодирующая дорожка

4 — с одним из каналов контроля и ГОН 6, и оба ГОН подключены к системе 34 управления и регистрации через фотоприемную систему 33.

Система 34 управления и регистрации соединена со всеми исполнительными механизмами, в том числе с узлом 25 прерывания осаждения, приводами 8, 36 и 38, приводами управления блока 32 монохроматиза ции.

На фиг. 1 показан вариант выполнения устройства, в котором лучистый поток от источника 1 излучения падает на образец 22 с контролируемыми пленками под некоторым углом. Расчеты показывают, что в реальных условиях угол будет иметь значение, не превышающее 2 . Возможен вариант выполнения, при котором поток падает на подложку по нормали, т.е. идет вдоль оси вакуумной установки, В этом случае при контроле по отражению разделение падающего на образец 22 и отраженного от него потока производится светоделителем, установленным под нижним окном вакуумной камеры на ее оси.

Объективы 9 — 11, 17, 18 и 26 и проецирующий оптический элемент 30 могут быть выполнены зеркальными.

Блок монохроматизации может представлять собой набор полосовых фильтров или клиновой фильтр, выделяемая которым длина волны меняется вдоль его поверхности.

Устройство работает следующим образом.

Многослойное покрытие изготавливают путем осаждения на оптические детали пленок, составляющих покрытие. Вещества, образующие пленки, испаряются в вакуумной камере 23 иэ испарителей 24 в требуемой последовательности, Оптические детали и образец 22 с контролируемыми пленками находится на равном расстоянии от испарителя 24.

Процесс нанесения на оптические детали пленки заканчивают при достижении контролируемой пленкой требуемой (расчетной) толщины. чему соответствует известное расчетное значение коэффициента пропускания Щ или отражения (R) образца

22. В этот момент системой 34 управления и регистрации вырабатывается команда, по которой узел 25 прерывания осаждения перекрывает поток испаряемого вещества и выключаются испарители, При контроле по пропусканию оптический переключатель 7 каналов устанавливается в положение, показанное на чертеже сплошными линиями. Установка осуществляется приводом 8, представляющим собой шаговый двигатель. на оси которого закреплено зеркало оптического переключателя 7.

Объективы 9 и 10 и зеркала 12 и 13 создают изображение источника 1 излучения в пло1705700 скости образца 22, на которую наносят контролируемые пленки. Объективом 11, проецирующим оптическим элементом 30, зеркалами 14 и 31, отражающей гранью 1 прямоугольной отражающей призмы 29 изображение источника 1 переносится в плоскость входной щели монохроматора 32.

Излучение проходит в вакуумную камеру 23 и выходит из нее через окна 15 и 16.

Кроме того, источник 1 изображается на выходной щели монохроматора 32 с помощью оптического канала сравнения. В этом случае изображение стрсится объективом 26, проецирующим оптическим элементом 30, зеркалами 27, 28 и 31 и отражающей гранью II прямоугольной отражающей призмы 29.

Излучение, прошедшее оптический канал контроля по пропусканию через о6разец 22, кодируется кодирующей дорожкой 3 модулятора 2, а излучение, прошедшее оптический канал сравнения — кодирующей дорожкой 4.

Выделяемый блоком 32 монохроматизации поток излучения с длиной волны о подается в фотоприемную систему 33, которая содержит фотоприемник, например фотоэлектронный умножитель либо фоторезистор, усилитель, АЦП и временной селектор каналов (ВСК). Фотоэлектрический сигнал усиливается и после АЦП в цифровом виде поступает в ВСК, расположенный на выходе фотоприемной системы 33. Кроме того, на два управляющих входа ВСК подаются опорные сигналы с ГОН 5 и 6.

Сигналы с ГОН 5 совпадают по фазе с сигналами, снимаемыми с фотоприемника при попадании на него лучистого потока. пропущенного образцом 22 с контролируемой пленкой. Сигналы с ГОН 6 фазированы с сигналами, вызванными потоками в оптическом канале сравнения. Излучение, прошедшее оптический канал контроля, и излучение, прошедшее оптический канал сравнения, попадают в блок 32 монохроматизации попеременно, что позволяет производить их воеменную селекцию.

С двух выходов ВСК сигналы поступают в систему 34 управления и регистрации, на выходе которой расположен измеритель отношения, где производится вычисление отношения сигнала, пропорционального пропусканию образца 22, к сигналу, ïðoпорционал ному потоку, прошедшему оптический канал сравнения.

Начальное значение этого отношения, равное единице, либо отличающееся от нее не более, чем в 3-4 раза, устанавливается перед нанесением слоя либо группы слоев.

Начальное значение отношения должно быть равно 1, когда контроль ведут по истинным значениям коэффициента пропускания образца 22 с контролируемой пленкой.

Установка отношения производится путем перемещения прямоугольной отражающей призмы 29 на каретке 35 вдоль прямой

00. Движение каретки 35 осуществляется приводом 36 по командам из системы 34 управления и регистрации, На отражающие грани I u II призмы 29 падают параллельные пучки лучей. Перемещение призмы вдоль прямой 00 приводит к тому, что пучки лучей из канала контроля и канала сравнения скользят по поверхности проецирующего оптического элемента 30.

lip« этом структура обоих пучков и направление их распространения остаются неизменными.

Весь поток, прошедший проецирующий элемент 30, собирается на входной щели монохроматора, расположенной в фокальной плоскости проецирующего элемента 30.

Форма и размеры светового пятна на входной щели не зависит от положения прямоугольной отражающей призмы 29, При перемещении меняется только соотношение потоков, прошедших через проецирующий оптический элемент 30, от оптических каналов контроля и сравнения, Световой размер элемента 30 согласован со световым размером зрачка монохроматора.

Перемещение призмы 29 вдоль прямой

00 в сторону плоского зеркала 28 приводит к увеличению доли потока, попадающего в блок 32 монохроматизации из канала контроля, и уменьшает долю потока из канала сравнения и, наоборот, перемещение призмы 29 в сторону плоского зеркала 14 увеличивает относительную долю потока из канала сравнения.

В процессе нанесения очередного слоя покрытия отношение меняется, так как оно пропорционально (либо равно) Т образца 22 с контролируемой пленкой, По получаемым значениям отношения судят о толщине пленки, Команда на прекращение осаждения вырабатывается системой 34 управления и регистрации, когда отношение достигнет требуемого значения.

При контроле по отражению перекидное зеркало оптического переключателя 7 устанавливается в положение, показанное пунктирными линиями. В этом случае объективы 17 и 18 и зеркала 19 и 20 через окно

21 создают изображение источника 1 излучения в плоскости образца 22, на которую наносятся контролируемые пленки. Далее изображение так же, как в случае контроля

1705700 по пропусканию через окно 16, проектируется в плоскость входной щели монохроматора. Дальнейшая работа устройства аналогична контролю по пропусканию, Перед нанесением покрытия (слоя) устанавливают режимы работы устройства с помощью задатчиков, расположенных в системе 34 управления и регистрации. Один из задатчиков служит для выбора контроля либо по пропусканию, либо IlO отражению.

Другими задатчиками устанавливают длину волны 4>, вводят начальное (конечное) расчетное значение отношения, пропорционального Т (либо R), с которого следует начать (закончить) контроль каждого слоя, устанавливают первоначальный уровень сигнала, соответствующего оптическому каналу контроля, задают после какого числа совпадений с требуемым значением отношения либо после какого числа достижений экстремумов следует прекратить нанесение слоя.

Сравнение фактических значений с данными, установленными на задатчиках. осуществляется в компараторах. Момент достижения экстремального значения производится в узле определения экстремума.

Решение задач. связанных с последовательностью выработки команд и коммутации блоков и узлов в системе 34 управления и регистрации производится в логикокоммутирующем блоке, который также вырабатывает команды на включение и выключение всех исполнительных механизмов, в том числе привода 8 установки вида ,контроля (по пропусканию либо по отражению), привода 36 перемещения призмы 29, проводов управления монохроматором 32, узла 25 прерывания осаждения и привода

38 перемещения проецирующего оптического элемента 30.

Операция перемещения оптического элемента 30 производится в случае, когда он выполнен в виде линзы. Ползун 37, которым снабжена линза, с помощью привода 38 по командам с системы 34 управления и регистрации перемещает ее вдоль оптической оси так, чтобы обеспечить максимальный сигнал, вызванный потоком из канала контроля. Такой эффект достигается в момент получения наиболее резкого изображения источника 1 излучения и, так как линза обладает хроматизмом, то положение, соответствующее фокусировке, будет разным для разных длин волн.

Если на входной щели добиться резкого изображения для длины волны, то для длин волн, отличных от 4,, световой размер

55 пятна на входной щели будет больше. В связи с тем, что ширина входной щели монохроматора, определяющая выделяемый им спектральный интервал, меньше диаметра пятна, доля монохроматического лучистого потока, попадающего в монохроматор, будет тем меньше, чем больше длина волны отличается отQ, . За счет этого эффекта линза выполняет роль предварительного фокального монохроматора. повышающего спектральную селективность устройства в целом.

Устройство позволяет увеличить точность контроля толщины пленок, так как в нем снижен уровень случайных погрешностей, что обусловлено ростом отношения сигнал/шум.

Формула изобретения

1. Устройство для контроля толщины пленок в процессе напыления осаждением в вакуумной камере многослойного оптического покрытия, содержащее генератор опорного напряжения (ГОН) и последовательно установленные источник излучения, модулятор, оптический переключатель каналов для контроля по пропусканию или отражению, блок монохроматизаций, фотоприемную систему и систему управления и регистрации, канал сравнения, оптически связанный с источником излучения и блоком монохроматизаций, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что, с целью повышения точности контроля, оно снабжено кареткой с приводом, последовательно установленными перед блоком монохроматизации прямоугольной отражающей призмой. размещенной на каретке, проецирующим оптическим элементом и вторым ГОН, модулятор выполнен в виде прерывателя с двумя кодирующими дорожками. а призма ориентирована так, что одна из ее отражающих граней расположена под углом 45 к оптической оси одного из каналов контроля, другая — под углом 45 к оптической оси канала сравнения, каретка установлена с возможностью перемещения в направлении, перпендикулярном к оптической оси проециру щего элемента, а модулятор установлен так. что одна из его кодирующих дорожек соединена с каналом сравнения и одним из ГОН, а другая — с одним из каналов контроля и вторым ГОН, и оба ГОН подключены к системе управления и регистрации через фотоприемную систему.

2. Устройство по п.1, о т л и ч а ю щ е ес я тем, что проецирующий элемент выполнен в виде линзы и установлен с возможностью перемещения вдоль ее оптической оси.1705700

Составитель В,Климова

Рвдвстор М.Кобылянская Техред М.Моргентал Корректор А,Осауленко

Закаэ 18S Тираж Подписное !

ВИИИПИ Государственно о комитета fl0 изобретениям и открытиям и ри ГКНТ СССР

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб.. 4/5

Пронзаодстеенно издательские комбинат "Патент, г, Ужгород. ул Гагарина. 101