Устройство для контроля толщины пленок многослойного оптического покрытия в процессе его нанесения осаждением в вакуумной камере

 

Изобретение относится к измерительной технике, к оптическому приборостроению и может найти применение при создании аппаратуры для изготовления многослойных оптических покрытий, наносимых путем осаждения веществ в вакуумной камере. Цель изобретения является повышение точности контроля (особенно, если одна или две волны, на которых ведется контроль, находится в УФ- или ИК-областях спектра). В устройстве для контроля толщины пленок многослойного оптического покрытия, содержащем источник света, оптическую систему, спектральный прибор с входной и выходной щелями, объективом и двумя диспергирующими элементами, переключатель монохроматических потоков и фоторегистрирующую систему, переключатель монохроматических потоков выполнен в виде зеркала, закрепленного на валу шагового двигателя, установлен в спектральном приборе с возможностью поочередного сопряжения объектива спектрального прибора с двумя каналами, в каждом из которых последовательно установлены регулируемая диафрагма, обрезающий нерабочие порядки фильтр, размещенный под углом к оси канала, и диспергирующий элемент, причем плоскости дисперсии обоих диспергирующих элементов совпадают, а выходная щель спектрального прибора является продолжением его входной щели. 3 ил.

Изобретение относится к оптическому приборостроению и может найти применение при создании аппаратуры для изготовления многослойных оптических покрытий, наносимых путем осаждения веществ в вакуумной камере.

Известны устройства для контроля толщины пленок, образующих многослойное оптическое покрытие, в процессе нанесения осаждением в вакууме на подложку, основанные на фотоэлектрическом принципе, в соответствии с которым о толщине пленок судят по известной зависимости коэффициента пропускания или отражения детали с наносимыми слоями от оптической толщины [1].

Известные устройства содержат источник излучения, оптическую систему, канал монохроматизации и фоторегистрирующую систему. Контроль производят по монохроматическому потоку на длине волны λ₀ , фиксируя момент достижения экстремума пропускания (или отражения) образца с контролируемой пленкой. Экстремум регистрируется, когда оптическая толщина h пленки становится равной h = Kλ₀ /4, K = 1,2,3,... (1) Точность контроля значительно повышается, если контроль вести по двум длинам волны λ₁ и λ₂ , определяемым из условия: + = . (2) В этом случае фиксируют разность фотоэлектрических сигналов, пропорциональных коэффициентам пропускания T (или отражения R) при λ₁ и λ₂ . Нанесение очередного слоя заканчивают, когда указанная разность становится равной нулю. Преимущество двухволнового метода обусловлено прежде всего двумя факторами. Во-первых, тем, что на результаты контроля не влияет нестабильность во времени яркости источника излучения, и может быть компенсировано изменение во времени чувствительности фоторегистрирующей системы.

Во-вторых, применение двухволнового метода на 1-2 порядка повышает чувствительность контроля. Это связано с тем, что в районе экстремума, фиксируемого при контроле на одной длине волны, погрешность толщины пленки пропорциональна корню квадратному от фотометрической погрешности, тогда как λ₁ и λ₂ выбираются из условия линейной или квадратичной зависимости между указанными погрешностями. Кроме того, чувствительность возрастает еще в два раза, так как о достижении пленкой требуемой толщины судят по разности двух сигналов.

Для достижения точности контроля, обеспечиваемой двухволновым методом, необходимо оптимизировать значения λ₁ и λ₂. Это лучше всего достигается в устройствах, в которых монохроматизация осуществляется с помощью спектрального прибора на основе диспергирующих элементов - дифракционных решеток либо их реплик.

Из работающих по двухволновому методу устройств наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату при использовании является устройство, содержащее источник излучения, оптическую систему, спектральный прибор, включающий входную и выходную щели, объектив, два диспергирующих элемента и переключатель монохроматических потоков, и фоторегистрирующую систему [2].

Однако это устройство имеет недостаточную точность контроля из-за низкого отношения сигнал/шум на выходе фоторегистрирующей системы. Это отношение существенно падает при работе в УФ- и ИК- областях спектра, в которых падают чувствительность фотоприемников и излучательная способность источника света. Малое отношение сигнал/шум вызвано тем, что в устройстве-прототипе используется менее половины апертуры оптической системы и апертуры объектива спектрального прибора.

Увеличить же указанные апертуры практически невозможно.

Рост апертуры оптической системы, т.е. рост сечений световых пучков, приводит к снижению технологических возможностей вакуумных установок, так как препятствует размещению внутри камеры вблизи ее оси различной технологической оснастки (испарителей, электродов и т.п.), а также снижает внутри вакуумированного объема полезную площадь сечения, в котором осаждаются пленки равномерной толщины.

Увеличение апертуры спектрального прибора недопустимо, так как это приводит к уменьшению монохроматизирующих свойств спектрального прибора (снижает его разрешающую способность) и к возрастанию его габаритов, что с учетом необходимости крепления прибора на вакуумной установке также нежелательно. Это практически не позволяет с его помощью осуществлять контроль на основе двухволнового метода в УФ- и ИК- областях спектра.

Целью изобретения является повышение точности контроля.

Это достигается тем, что устройство для контроля толщины пленок многослойного оптического покрытия в процессе нанесения осаждением в вакуумной камере, содержащее источник излучения, оптическую систему, спектральный прибор, включающий объектив, на оптической оси которого расположены входная и выходная щели, два диспергирующих элемента и переключатель монохроматических потоков, и фоторегистрирующую систему, снабжено двумя диафрагмами и двумя фильтрами отрезающего типа, установленными попарно последовательно на оптической оси объектива между переключателем монохроматических потоков и соответствующими диспергирующими элементами. Переключатель монохроматических потоков выполнен в виде плоского зеркала и установлен с возможностью поворота по ходу излучения за объективом вокруг оси, лежащей в отражающей плоскости, а входная и выходная щели расположены в одной плоскости.

На фиг. 1 представлена схема предлагаемого устройства при контроле по пропусканию; на фиг. 2 - то же, по отражению, на фиг. 3; показана схема выполнения спектрального прибора.

При контроле по пропусканию (см. фиг. 1) устройство содержит источник 1 излучения, оптическую систему, состоящую из линз 2, 3 и окон 4, 5, спектральный прибор 6 и фоторегистрирующую систему 7. Окна 4, 5 закреплены в вакуумной камере 8, снабженной термическими и (или) электронно-лучевыми и другими испарителями 9 и узлом 10 прерывания осаждения.

При контроле по отражению (см. фиг. 2) устройство содержит источник 1 излучения, оптическую систему, состоящую из линз 2, и окна 5, спектральный прибор 6 и фоторегистрирующую систему 7.

Спектральный прибор содержит (см. фиг. 3) входную и выходную щели 11 и 12, объектив 13, переключатель 14 монохроматических потоков, закрепленный на оси шагового двигателя 15, диспергирующие элементы 16 и 17, диафрагмы 18 и 19 и установленные под углом γ к оптическим осям каналов фильтры 20 и 21 отрезающего типа.

Диафрагмы 18 и 19 (см. фиг. 3) представляют собой шторки, вводимые в пучок лучей, падающих на диспергирующий элемент и отраженных от него. Возможны другие варианты исполнения диафрагм, например типа ирисовой либо "кошачий глаз".

Фильтры 20 и 21 могут быть выполнены как из цветных оптических стекол, так и многослойных систем, построенных на основе интерференционных (лазерных) зеркал.

Образец 22 (см. фиг. 1 и 2) с контролируемыми пленками, образующими многослойное покрытие, расположен в вакуумной камере 8.

Предлагаемое устройство работает следующим образом.

Многослойное покрытие изготавливают путем осаждения на оптические детали пленок, составляющих покрытие.

Вещества, образующие пленки, испаряются в вакуумной камере 8 (см. фиг. 1 и 2) из испарителей 9 в требуемой последовательности. При этом оптические детали (на фиг. 1 и 2 не показаны) и образец 22 с контролируемыми пленками находятся на равном расстоянии от испарителей 9.

Процесс нанесения на оптические детали пленки заканчивают при достижении контролируемой пленкой требуемой (расчетной) толщины, чему соответствует равенство коэффициентов пропускания (Т) или отражения (R) образца 22 для λ₁ и λ₂ , т.е.

T(λ₁)=T(λ₂) или R(λ₁)=R(λ₂) (3) где λ₁ и λ₂ соответствуют условию (2) При контроле по пропусканию, (см. фиг. 1) линза 2 создает изображение источника 1 - лампы накаливания на контрольном образце 22, расположенном внутри вакуумной камеры 8. Пучок лучей падает на образец под углом i. Лучистый поток, прошедший контролируемую пленку, попадает на линзу 3, которая переносит изображение нити накала источника света на вход спектрального прибора 6.

Лучистый поток проходит в спектральный прибор 6 через входную щель 11 (см. фиг. 3), которая расположена в фокальной плоскости объектива 13. Создаваемый объективом 13 параллельный поток направляется на переключатель 14 монохроматических потоков, выполненный в виде плоского зеркала и установленный с возможностью поворота. Переключатель 14 закреплен на валу шагового двигателя 15.

Переключатель 14 попеременно направляет поток на диафрагмы 18 и 19 и далее на фильтры 20 и 21 отрезающего типа.

Диафрагмы и фильтры установлены попарно 18, 20 и 19, 21 на оптической оси объектива 13 между переключателем 14 монохроматических потоков и соответствующим диспергирующим элементом (16 либо 17). Фильтры 20 и 21 предназначены для подавления излучения, дифрагированного диспергирующими элементами (дифракционными решетками) в высоких порядках спектра.

Оптическая ось объектива 13, соответствующая положению переключателя 14, показанному сплошной линией, и оптическая ось объектива 13, соответствующая положению переключателя 14, показанному пунктирной линией, образуют угол 2β, ( β - угол поворота плоского зеркала, выполняющего роль переключателя 14 монохроматических потоков). В варианте исполнения, показанном на фиг. 3, β - угол поворота оси шагового двигателя 15.

Когда переключатель 14 направляет излучение на диспергирующий элемент 16, дифрагированное им монохроматическое излучение с длиной волны λ₁ , направляется в обратном ходе по оси объектива 13 и фокусируется им в выходную щель 12, а оттуда - в фоторегистрирующую систему. Когда работает диспергирующий элемент 17, в фоторегистрирующую систему попадает излучение с длиной волны λ₂ . Фоторегистрирующая система 7 (см. фиг. 1) наряду с фотоприемником, усилителем и другими элементами содержит микропроцессор, в котором путем временной селекции вычисляется значение Φ сигнала.

Φ= K[ I(λ₁)-I(λ₂)], (4) где I ( λ₁ ) и I ( λ₂ ) - монохроматические потоки излучения, выходящие из спектрального прибора, когда работают диспергирующие элементы 16 или 17 (см. фиг. 3) соответственно; K - коэффициент пропорциональности.

Значения I ( λ₁ ) и I ( λ₂ ) пропорциональны коэффициентам пропускания T ( λ₁ ) и T ( λ₂ ) образца 22 с контролируемой пленкой. Длины волн λ₁ и λ₂ выбирают из условия получения максимальной точности контроля для наносимой пленки либо группы пленок, входящих в многослойное покрытие. При этом должно обеспечиваться выполнение условия (2).

Перед нанесением контролируемой пленки с помощью регулируемых диафрагм 18 и 19 устанавливается равенство начальных значений I ( λ₁ ) и I ( λ₂ ), т. е. настраивают прибор так, чтобы Φ = 0. При этом желательно, чтобы сигналы, соответствующие монохроматическим потокам, были достаточно велики. Для этого сначала устанавливают отсчет на длине волны, на которой значение сигнала меньше.

По мере нанесения контролируемой пленки абсолютное значение Φ сначала растет, а затем падает, при этом значение Φ может быть как положительным, так и отрицательным. В момент, когда Φ = 0, фоторегистрирующая система 7 (см. фиг. 1) вырабатывает команду, по которой узел 10 прерывания осаждения перекрывает поток вещества, поступающего с испарителей 9 на образец 22 с контролируемой пленкой. Одновременно выключаются испарители 9.

Для того, чтобы обеспечить полное заполнение апертуры объектива 13 лучами, дифрагированными обоими диспергирующими элементами 16 и 17, они установлены так, что их плоскости дисперсии совпадают и заполнение апертуры достигается в обоих рабочих положениях переключателя 14, оптически сопряженного с указанными деталями спектрального прибора. При этом возникает опасность того, что свет, дифрагированный в нерабочих порядках одним из диспергирующих элементов, после отражения от деталей конструкции спектрального прибора может попасть на другой элемент, затем вновь на первый элемент и далее в выходную щель. Это приведет к появлению мешающего излучения в приборе и к снижению точности контроля.

Чтобы исключить указанный эффект, входная и выходная щели 11 и 12 расположены в одной плоскости (вид по стрелке В на фиг. 3). При таком расположении параллельный поток падает на диспергирующий элемент под углом α /2 к его плоскости дисперсии.

α = где l - расстояние по высоте между центрами входной и выходной щелей; f - фокусное расстояние объектива 13.

Другим источником погрешности может служить излучение, которое второй раз попадает на один и тот же диспергирующий элемент, отразившись в обратном ходе от расположенного перед ним фильтра. Чтобы исключить этот эффект, фильтры 20 и 21 размещены под углом γ к оптической оси канала, значение которого должно соответствовать условию γ> (α + ) = , где h - высота входной (выходной) щели.

В ряде случаев для повышения точности контроля целесообразно оптимизировать ширину выделяемого спектрального интервала Δλ . В рассматриваемом устройстве значение Δλ определяется произведением обратной линейной дисперсии спектрального прибора на геометрическую ширину щели, меняя которую можно снижать погрешность при контроле слоя данного конкретного покрытия.

При контроле по отражению, т.е. когда I (λ₁) и I (λ₂) пропорциональны коэффициентам отражения R (λ₁) и R (λ₂) образца, линза 2' (см. фиг. 2) создает изображение источника 1' излучения лампы накаливания на контрольном образце 22. Лучистый поток, отраженный контролируемой пленкой, попадает на линзу 3, которая переносит изображение нити накала на вход спектрального прибора 6. Пучки лучей падают и отражаются от образца под углом i. Далее работа ведется так же, как при контроле по пропусканию.

Возможен вариант исполнения устройства, в котором пучки лучей от источников излучения 1 (либо 1') (см. фиг. 1 и 2) падают на образец 22 с контролируемой пленкой по нормали (i = 0). В этом случае при контроле по отражению лучи, падающие на образец 22 и отраженные от него, разделяются с помощью светоделителя, коэффициенты отражения и пропускания которого примерно равны. Светоделитель устанавливается под углом 45^о к падающим на него пучкам.

Таким образом, в предложенном устройстве практически отсутствуют потери лучистой энергии, вызванные неполным использованием сечений апертур оптических элементов, входящих в него.

В известном устройстве два монохроматических излучения после выходной щели спектрального прибора идут разными путями (расходятся). Поэтому, чтобы собрать всю энергию, выходящую из спектрального прибора, требуется приемник с фоточувствительной площадкой в несколько десятков квадратных миллиметров. Тогда как высокочувствительные приемники ИК-излучения имеют фоточувствительную площадку на один-два порядка меньше. Возможность применения в предлагаемом устройстве приемников с маленькой фоточувствительной площадкой позволяет на порядок повысить точность контроля, когда одна или обе рабочие длины волны лежат в ИК-области спектра.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНОК МНОГОСЛОЙНОГО ОПТИЧЕСКОГО ПОКРЫТИЯ В ПРОЦЕССЕ ЕГО НАНЕСЕНИЯ ОСАЖДЕНИЕМ В ВАКУУМНОЙ КАМЕРЕ, содержащее источник излучения, оптическую систему, спектральный прибор, включающий объектив, на оптической оси которого расположены входная и выходная щели, два диспергирующих элемента и переключатель монохроматических потоков, и фоторегистрирующую систему, отличающееся тем, что, с целью повышения точности контроля, оно снабжено двумя диафрагмами и двумя фильтрами отрезающего типа, установленными попарно последовательно на оптической оси объектива между переключателем монохроматических потоков и соответствующими диспергирующими элементами, переключатель монохроматических потоков выполнен в виде плоского зеркала и установлен по ходу излучения за объективом с возможностью поворота вокруг оси, лежащей в отражающей плоскости, а входная и выходная щели расположены в одной плоскости.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3