Интерференционный способ измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной толщины

 

1 ; обо .;.;, q

1:l.H f .н т; °, П И - А-О С НИЕ

ИЗОБРЕТЕНИЯ

Союз Советских

Социалистических

Республик

«»737817

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (Ü1) Дополнительное к авт. свид-ву— (22) Заявлено 09.1277 (21) 2553618/18-25 (51) М. Кл.

G N 21/4б с присоединением заявки ¹вЂ” (23) Приоритет

Государственный комитет

СССР ио делам изобретений и открытий

Опубликовано 3005.80. Бюллетень ¹ 20 (53) УДК 535.322. .4 (088.8) Дата опубликования описания 3005.80 (72) Авторы изобретения

Б. М. Комраков и Б. А. Шапочкин

Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного

Знамени высшее техническое училище имени Н.Э.Баумана (71) Заявитель (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ

ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК

ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЦИНЫ

Известен способ измерения показателя преломления диэлектрических пле-10 нок (1). Согласно этому способу пленку постоянной толщины, нанесенную на подложку (прозрачную или непрозрачную), освещают под углом падения, JfH близким к нулю, параллельным пучком 15 д света. Изменяют непрерывно длину вол- р ны и в проходящем или отраженном све- ч те регистрируют интенсивность света, м которая представляет собой зависимость с чередующимися максимумами и минимумами. Далее определяют величи- м ны экстремумов коэффициента процус- р кания или отражения и соответствующие пл им точные значения длин волк, Используя известный показатель преломления 25 подложки и найденные экстремумы коэф- ч фициента.пропускания или отражения В по формуле, связывающей эти величины, определяют показатель преломления пленки для длин волн, соответстI

Изобретение относится к области исследования оптических покрытий и преимущественно может использоваться для определения оптических констант диэлектрических пленок переменной толщины. вующих экстремумам. Погрешность определенйя показателя преломления пленок спектрофотометрическим способом составляет величину пЬрядка (1-2)%. Однако данный способ практически не обеспечивает требуемой точности для пленок переменной толщины.

Это объясняется тем, что в основу

Формулы, по которой определяется показатель преломления при спектрофотометрическом способе заложена постоянная толщина пленки. Поэтому, естолщина пленки переменная,1необхоимо уменьшить поле зрения регистриующего прибора до такой степени, тобы в пределах этого поля толщину ожно было считать постоянной. Однако при этом сильно падает энергия регистрируемого светового пучка. Крое того, даже незначительные смещения егистрирукддего прибора относительно енки вызывают дополнительное изменение интенсивности регистрируемого пучка из-за вариации толщины пленки, то практически невозможно учесть. се это снижает в несколько раз точность спектрофотометрического способа при контроле ттленок переменной толщины.

Фссъсси»»с»» МЖ 7" »

«Ъ:« !

737817

15

s in 4 (2) Наиболее близким техническим решением к изобретению является интерФеренционный способ измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной толщины, включающий изменение угла падения освещающего пленку пучка монохроматического света (2).

Интенсивность отраженного от некоторого участка пленки света эави« сит от угла падения и имеет вид чередующихся максимумов и минимумов.

Регистрируют два экстремума (не обязателсьно соседние) интенсивности и фиксируют соответствующие пм углы падения. Регистрируемая интенсивность является усредненной по некоторому участку пленки. Эти два угла и количество экстремумов, подсчитанных между двумя фиксированными экстремумами, позволяют определить показатель преломления пленки при условии, что ее оптическая толщина известна с погрешностью, не превышающей величины, соответствующей одному порядку интерференции. При нормальном падении све- та на пленку йорядок интерференции соответствует A/2 (3L — - длина световой волны). В данном способе оптическая толщина пленки с необходимой точностью определяется путем подсчета интерференционных полос на пологой ступеньке, которая обычно имеется на краю пленки. Известный способ поз- валяет определить показатель преломления в пленках постоянной толщины на любой длине волны с погрешностью порядка нескольких десятых процента, при этом подложка, в общем случае может быть неплоской.

Недостатком прототипа является низкая точность определения показа- »теля преломления в 6ленках переменной толщины, В таких пленках при освещении монохроматическим светом возникают интерференционные полосы и при изменении угла падения интенсивности отраженного света, усредненная по некоторому участку пленки, будет носить настолько сложный характер, что фиксирование ее.для двух и более углов падения не позволяет опреде-"" лить показатель преломления пленки с требуемой точностью. Поэтому на плактике при реализации известного способа г(ля измерения пленок переменной толщины обеспечивают малое

" " "Ноле зрения региструрующего устройства,« в пределах которого толщину пленки можно считать постоянной. Это приводит к падению мощности ре«гис»тсрируемого отраженного пучка света. Кроме того, практически невозможно исклю« — чить смещения малого поля зрения регистрирующего устройства относительно пленки при изменении угла падения. Из-за этих факторов точностные воэможности спосог.а-прототипа при измерении показателя преломления пленок переменной толщины в несколько раэ ниже по сравнению с измерением пленок постоянной толщины.

Целью изобретения.. является повышение точности измерения показателя прелоиленйя диэлектрических пленок переменной толщины, что является важной задачей, например, при изготовлении оптических асферических поверхностей методом нанесения дополнительного слоя вещества в вакууме.

Укаэанная цель достигается тем, что измеряют ширину полос не менее чем для двух углов падения и вычисляют показатель преломления материала пленки по формуле ь,-ь, (1) где Ь,Ь вЂ” ширина интерференционной

20 полосы при углах падения и Е соогветственно.

Кроме того, уточняющим признаком способа является То что изменение угла падения освещающего пленку пучка осуществляют в плоскости, параллельной ингерференционным полосам в пленке и перпендикулярной ее поверхности.

В этом случае наблюдаемое изменение ширины полосы полностью обусЗ0 лавливается изменением угла падения световых лучей на пленку и не требуется введения дополнительных поправок, учитывающих проекционные искажения интерференционной полосы.

35 Способ позволяет определить показатель преломления в пленках переменной толщины не измеряя оптическую толщину пленки ни в одной ее точке.

Однако, если оптическая тблщина пленки иэвестна в какой-нибудь ее точке с погрешностью не превышающей величины, соответствующей одному порядку интерференции (также, как в прототипе), то показатель преломления пленки можно определить по результатам измерения ширины полосы для одного угла падения и смещения полосы при переходе к другому углу. Однако это является частным случаем данного способа, и расчетную формулу можно по50 лучить из формулы (1) путем простых преобразований.

Яа фиг. 1, 2, 3 изображена в трех проекцияХ схема, поясняющая ориентацию освещающего пучка относительно

55 исследуемой пленки; на фиг. 4 представлена оптическая схема устройства ддя реализации предлагаемого способа.

На исследуемую пленку 1 падает пучок 2, или 2 монохроматического

М света под углом падения Е,, или Я соответственно. Оптическая разность хода h между интерферирующими лучами

З(3 ) подсчитывается по формуле с

4= 2t

737817 б где t — толщина пленки в месте падения луча;

n — определяемый показатель преломления материала пленки;

Š— угол па„ения..

B формуле (2) опущена дополнительная разность хода Л /2, возникающая вследствие изменения фазы при отражении волны о-. оптически более плотной среды, 1ак как в данном случае это не влияет на получение окончательной формулы. Пленку переменной толщины на небольшом участке можно рассматривать как клин с углом 8 ..

Плоскость главного сечения клина лежит в плоскости YOZ, а изменение угла падения освещающего пучка осуществ-15 ляется в плоскости ХОУ, Этим выполня.ется уточняющий признак, указанный выше. Возникающие в пленке при угле падения E,q (E, ) интерференционные по2 лосы 4 (4 ) представляют собой рав- Щ ноотстающие прямые линии, параллельные оси OX. Ширина полос Ъ опреде ляется иэ формулы (2) и может быть запйсана в следующем виде

28 /п — а1 Я (3)

Определив ширину полосы Ъ при угле падения и Ь при 6<, имеем два уравнения с двумя неизвестными и и 8 .

Исключая 9, получим расчетную Формулу (1) для вычисления показателя прелофаления диэлектрических пленок переменной толщины.

Представленное на фиг. 4 устройство, реализующее способ, содержит исследуемую пленку 1, источник света 5, регулируемое по положению зеркало 6, поворотный столик 7, иа котором устанавливается исследуемый образец с пленкой 1. (Подложка, на которую на- 40 несена пленка не показана, так как ее оптические свойства совершенно не влияют на результат измерения показателя преломления пленки данным способом) . Исследуемая пленка размещается на столике 7 в соответствии с фиг. 1-3, т.е. в плоскости чертежа толщина пленки постоянна, а,в плоскости, ей перпендикулярной, толщина пленки переменная. Следовательно, ии- О терференционные плосы, возникающие в пленке, расположены параллельно плоскости чертежа. Наблюдение полос осуществляется через интерференциониый фильтр 8 и микроскоп, состоящий из объектива 9 и окуляра 10. Микро- 55 скоп сфокусирован на точку пленки, лежащую на оси вращения. С помощью полупрозрачной пластинки 11 свет попадает на фотоэлектрическое приспособление 12, измеряющее изменеийе ши- ц рины интерференционных полос. Сущест вуиицие в настоящее время фотоэлектрические устройства позволяют выполнить измерение смещений интерфереициоиных полос, а, следовательно, и измерений ширины полос, с погрешностью не превышающей 0,005 ширины полосы.

Устройство работает следующим образом.

При некотором угле падения Е(иэ-. меряЫт иирину полосы Ь r. помощью фотоэлектрического приспособления 12.

Эатем поворачивают пленку вокруг оси OZ (ось, перпендикулярная плоскости чертежа) и1обеспечивают другой угол падения Б, при котором измеряют ширину полосы Ь . Для сокращения размеров источника света 5 применено зеркало 6, положение которого регулируется так, чтобы лучи света от источника попадали после отражения от пленки в наблюдательный микроскоп.

Углы Е 2 фиксируются с помощью дойолнительного приспособления (на чертежах не показайО). Удобно в качестве базового прибора использовать выпускаемые промышленностью гониометры-спектрометры. В этом случае при установке исследуемого образца с пленкой на поворотный столик гониометра, угол поворота этого столика может быть зафиксирован с очень высокой степенью точности (погрешность порядка нескольких секунд) . Измеренные величины б, E, b,,4< позволяют по формуле (1) вычислить показатель преломления пленки, Изобретение позволяет измерить показатель преломления материала пленок переменной толщины с более высо-кой точностью, чем известные в настоящее время способы.

Формула изобретения

1. Интерференционный способ измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной тол. щииы, включающий изменение угла падения освещающего пленку пучка монохроматического света, о т л и ч а ю щ ii и С"я тем, что, с целью повышения точности измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной толщины, измеряют ширину полос не менее чем для двух углов падения и вычисляют покаэатель преломления материала пленки по формуле:

b sin б b gin6r

2 ф 2 и = У

Ь Ъ, 2 где b,,b — ширина полосы при углах падения 6,, Е<, соответственно.

2. Способ по п. 1, о т л и ч а ю— шийся тем, что изменение угла падения освещающего пленку пучка осуществляют в плоскости, параллельной янтерференционным полосам в пленке и перпендикулярной ее поверхности.

737 a17 в

7 Äèç. Ф

Составитель Н. Гусева

Редактор Н. Коляда Техред М.Петко

Заказ 2653/24- . Тираж 1019, Подписное

ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретениЯ и открытий

113035, Москва, Ж-35, Payracxas наб., д. 4/5

Корректор М. Шароиж

Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Раков A.Â. Спектрофотометрия тонкопленочных йолупроводниковых структур, М,, 1975, с. 71-76.

2, W.À. PIiskin, R.P. Esch, Refractive index of Si+ Й1Хтпв brown

on siIicon, Journal of IeppIied

Physics, 1965, v. 36, Р б, р, 20112013 (прототип).