Способ измерения толщины тонких слоев

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения толщин тонких слоев. Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых толщин и повышение точности за счет определения толщины по новым параметрам провзаимодёйствовавшего излучения. Исследуемый слой освещается под разными углами частотно-модулированным излучением , а о толщине слоя судят по частоте биений отраженного тонким слоем излучения . Способ обеспечивает возможность измерения , согласно теоретическим оценкам, толщин слоев не менее 0,05 мкм, 4 ил.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (l9) (I l) (si)s G 01 В 11/06

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1 (21) 4861836/28 (22) 21.08.90 (46) 23;04.92. Бюл. hb 15 (71) Черновицкий государственный университет им. Юрия Федьковича (72) М.Т. Стринадко (53) 531.717.1(088.8) (56) Поль P.Â. Оптика и атомная физика.—

М.: Наука. 1966, с.256, 109, Комраков Б.М., Шапочкин Б,А. Измерение параметров оптического покрытия. —. М.:

Машиностроение, 1986, с.59-75. (54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫ

ТОНКИХ СЛОЕВ

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения толщин тонких слоев.

В метрологии тонких пленок наибольший интерес представляют такие методы определения толщины, которые одновременно позволяют определить и показатель преломления вещества. Это связано с тем, что в процессе технологических операций показатель преломления может существенно изменяться, внося дополнительную погрешность в процесс измерения толщины, кроме того, для тонких слоев важно учесть, что показатель преломления поверхности может на 10 отличаться от показателя преломления внутри слоя.

Область толщин 0,3-1 мкм остается наименее обеспеченной в метрологическом плане. Отсутствие йростых и надежных методов контроля в данной области, а также (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения толщин тонких слоев. Цель изобретения — расширение диапазона измеряемых толщин и.повышение точности за счет определения толщины llo новым параметрам провзаимодействовавшего излучения, Исследуемый слой освещается под разными углами частотно-модулированным излучением, а о толщине слоя судят по частоте биений отраженного тонким слоем излучения, Способ обеспечивает возможность измерения, согласно теоретическим оценкам, толщин слоев не менее 0,05 мкм, 4 ил. потребности промышленности, количество изделий которой со слоями в области толщин < 1 мкм, неуклонно растет, способствует разработке предлагаемого метода, призванного в основном обеспечить контроль толщин слоев < 1 мкм..

Наиболее .близким к. предлагаемому способу является способ, где исследуемый слой освещается лазерным излучением под различными углами падения, измеряется положение двух экстремумов в отраженном от слоя свете и определяется толщина слоя бг и показатель преломления п2 из системы уравнений, Недостатком данного способа является невозможность измерения толщин тонких слоев < 1 мкм в силу отсутствия двух экстремумов в диапазоне возможных углов паденияя 8l — е1. Кроме того, и ри малых толщинах экстремумы имеют достаточно

1728648 плавные изменения интенсивности, что снижает чувствительность метода в определении положения экстремума, тем самым снижается точность измерения толщин.

Цель изобретения — расширение диапазона измеряемых толщин и повышение точности измерений.

Поставленная цель достигается тем, что исследуемый слой освещают частотно-модулированным излучением, а толщину слоя определяют по частоте биений отраженного слоем излучения.

На фиг.1-3 приведены рисунки, поясняющие суть способа; на фиг.4 — схема реализации способа.

Суть способа заключается в следующем, Пусть частотно-модулированное лазерное излучение, например, по пилообразному закону (фиг.1) с известной величиной Р попадает на тонкую пленку (слой) под углом а (фиг.2). В точке А происходит амплитудное деление луча на двэ, один из которых отражается (луч 1), а второй преломляется, отражается от нижней грани пленки, вторично преломляется на верхней грани и распространяется в направлении, параллельном лучу 1 (луч 2). В связи с тем, что лучи проходят соответственно разные расстояния AD и АВ + ВС, да еще и с разной скорость1о(луч 1 в среде с показателем преломления п1, а луч 2 в среде с показателем преломления пг), то за счет временной задержки Л t между ними возникает частотный сдвиг hv, который можно экспериментально измерить Найдем взаимосвязь величины частотного сдвига Лv с параметрами пленки (толщиной t и показателем преломления пг).

Путь AD луч 1 проходит за время т1, которое можно найти из соотношения где V1 — скорость распространения луча в среде с показателем преломления п1.

Луч 2 проходит расстояние АВС зэ вре мя t2

АВ+ВС (2)

1сг где Чг — скорость распространения луча в среде с показателем преломления пг.

Следовательно, временной сдвиг между лучами 1 и 2 запишется — (3) г 1/1

Учитывая, что n1 = с/ч1, n = с/чг, получают

5t - — ((пг {АВ + BC)- п1А0), (4)

С

Из анализа треугольников АВС и ACD можно получить для величин АВ, ВС, AD следующие соотношения: .

AB = ВС, АВ = t/cosr; Ас = 2t tgr, 5 AD = 2ицгз!п а, (5) где r — угол преломления, связанный с углом падения известным соотношением

n1sln а = nzslnr. (6)

Для временного сдвига Лt получим

10 2t г. где t — толщина пленки (слоя); с — скорость света в вакууме.

Составим систему для двух углов паде15 ния а1 иаг

At>= С n) — n)sin а1, 2т г (8)

ЛЬ = — пг — п1sin аг, где пс — показатель преломления окружающей среды, в которой производятся измерения.

Решение системы уравнения (8) приво25 дит к результату

Ьt1 С

2 (9) д,:A In — Л In a зо

Таким образом, зная временные задержки сигнала Ьt1и Лтгдлядвухугловоблучения а1 и аг, а также показатель преломления окружающей среды п1, по формулам (9) находим толщину исследуемой пленки (слоя) и показатель преломления. Временная задержка Л t определяется из диафрагмы (фиг.3) по экспериментально измеренной величине

4О Лм, определяющей частоту биений регистрируемого сигнала. Нэ фиг.За представлена зависимость изменения частоты освещающего лазерного пучка от времени. Данная зависимость характеризует частотно-модулированный источник и является всегда известной, кроме того, выбирал крутизну временного изменения частоты облучающего пучка, можно варьировать частоту биений

h v при сохранении временной задержки

5О Л t Так, уве чен е ру з ривод т к увеличению частоты биений, поскольку в определенный момент времени интерферирус ют сигналы с частотами эг и 1 1, для которых

Лv больше Лк Таким образом, выбирая

55 определенную крутизну временного изменения частоты освещающего лазерного луча, можно изменять интервал исследуемых толщин в достаточно широких пределах.

Определим нижний предел измеряемых толщин. Входящая в среду световая волна

1728648 возбуждает колебание диполей, которые излучают вторичную волну. Скорость распространения вторичной и первичной волн разная, что приводит при их сложении к гашению первичной волны, а в результате к . замещению первичной волны, распространяющейся со скоростью V>, вторичной волной, распространяющейся со скоростью Vz.

Длина замещения равна

1 = Л/(2 л (и - 1). (10)

Следовательно, для пленок (слоев) с показателем преломления и =1,5 — 2,0 в видимом диапазоне длина замещения L= (2-1)10 м.

Одно из условий, определяющих нижний предел измеряемых толщин, заключается в том, чтобы путь прохождения луча в среде был больше длины замещения, т.е. по крайней мере в случае нормального падения

t =«(1 — 0,5) 10 м или 1000k — 500А.

Условием, ограничивающим верхний предел измеряемых толщин, является разрешение регистрирующего узла в определении частоты биений Avотраженных верхней и нижней гранями пленки волн (волны должны смешиваться друг с другом. что выполняется автоматически при малых толщинах исследуемой пленки и достаточной большой ширине освещающего пучка).

Так, при В = 45 и Лv - =0,01 Гц находим иэ диафрагмы (фиг.1), что А=0,01 ед. времени. Пусть n> = 1, n2 = 1,5 a1= 0", тогда для максимальной толщины найдем значение, табаке = 10 см. Кроме рассмотренного, условиями, ограничивающими верхний предел измеряемых толщин, также являются регистрация максимальной частоты биений Ьг; параметры частотно-модулированного освещающего пучка — временной период частотно-модулированного излучения должен быть больше временной задержки между лучами, отраженными соответственно верхней и нижней гранями пленки. Наиболее жестким является последнее условие. Однако даже при частоте модуляции освещающего пучка 1 Гц толщина не должна превышать 1 м и растет по мере снижения частоты модуляции. Следовательно, практ:>чески ограничения по верхнему пределу отсутствуют.

5 Способ осуществляют следующим образом.

Частотно-модулированное излучение от источника 1 попадает на исследуемый слой

2 под углом а>, задаваемым и измеряемым

10 угломерным устройством 3, На внешней по -верхности слоя 2 частотно-модулированное излучение разделяется на две части, одна из которых отражается под углом а, а вторая проникает внутрь слоя и отражается внут15 ренней гранью слоя 2 и дальше распространяется в направлении, совпадающем с направлением распространения части излучения, отраженной внешней поверхностью (после выхода луча из слоя). В результате

20 интерференции возникают "биения" — регулярные изменения интенсивности, которые регистрируются ФЭУ-4 и частота их измеряется осциллографом 5. Измеряя таким образом два значения частоты биений

25 hv< и hn соответственно для двух углов падения частотно-модулированного излучения на исследуемый слой О1 и а, воспользовавшись известной зависимостью частоты биений Л1 от временной задержки

30 Л t (фиг.3), находят тол ину исследуемого слоя по формулам (9).

Способ расширяет диайазон измеряемых толщин и повышает точность измерений.

Формула изобретения

Способ измерения толщины тонких слоев, заключающийся в том; что последовательно направляют лазерное излучение на слой под разными углами к нему, регистри40 руют параметры отраженного иэлучен я v определяют толщину слоя, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью расширения диапазона определяемых толщин и повышения точности измерения, на слой направляют

45 частотно-модулированное излучение, а толщину слоя определяют по частоте биений отраженного излучения..

1728648

1728648

1728648

Составитель В.Климова

Техред М.Моргентал Корректор С.Черни

Редактор О.Головач

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101

Заказ 1398 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

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