Интерференционное устройство дляизмерения показателя преломлениядиэлектрических пленок переменнойтолщины

 

Q Il N C A H И Е (805141

ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ

Союз С онетскнк

Соцкапкстнческмз

Республик

Знамени высшее, техническое училище им. Н. Э. Баумана

»-. (54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННОЕ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПОКАЗА ТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ

ПЛЕНОК ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЩИНЫ

Изобретение относится к оптическим покрытиям и, преимущественно, может использоваться дпя определения оптических констант диэлектрических- слоев переменной толщины.

Сдин из известных приборов для изме

5 рения цоказатепя преломления диэлектрических пленок содержит оптический квантовый генератор, модулятор, поворотный столик крепления исследуемой пленки и поворотный регистрирующий блок fl).

Недостатком устройства является наличие поворотных элементов, что делает

его практически непригодным для измере ния пленок в процессе их получения в ва15 кууме, так как обеспечить поворот с высокой точностью под вакуумным колпаком черезвычайно сложно, а оптический квантовый генератор позволяет измерить показатель преломления пленок только на

ОднОЙ длине волныа

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к предлагаемому является устройство дпя изме,рения показатели преломления диэлектри.ческих пленок переменной толщины, содержащее источник света, вспомогательное зеркало, поворотный столик, на котором устанавливается исследуемая ниенна,обьектив, набор интерференционных светофильтров и регистрирующий блок. B дан ном устройстве вращением поворотного стопика обеспечивается изменение угла падения световых лучей на пленку. В отраженном от нее свете регистрируют интерференционные экстремумы интенсивности, по числу которых дпя некоторого диапазона углов падения можно определить покаэатепь преломления пленок постоянной толщины с погрешностью менее 1% (21.

Однако наличие поворотного столика существенно усложняет конструкцию при бора и увеличивает трудоемкость измерений, что денает невозможным применение его для контроля показателя преломления слоев в процессе их получения в вакууме, так как обеспечить поворот столика на некоторый угол с высокой точностью под

S05141

50 вакуумным колпаком очень сложно. Êðoме того, данное устройство позволяет измерить слои переменной толщины только при значительном уменьшении поли зрения наблюдательной системы, в предепах которого толщину пленки можно считать постоянной. Это приводит к падению мощности регистрируемого отраженного пучка света. При этом практически невозможно исключить смещения малого поля зре- 10 ния наблюдательной системы относительно пленки при изменении угпа падения пу-. тем вращения столика. И.";за этих факто- ров точностные возможности устройства при измерении показателя преломления пленок переменной толщины в несколько раз н««же по сравнению со случаем измерения пленок постоянной толщины.

Цель изобретения - упрощение конструкции устройства путем исключения по» воротных элементов и уменьшение трудо емкости измерений.

Бель достигается тем, что в известное интерференционное устройство дпя измерения показателя преломления диэлек трических пленок переменной топщинь«, содержащее канал, включающий источник света и вспомогательное зеркало, и последовательно расположенные объектив, набор интерфере«щионных фильтров и регистриру ющий блок, введены в торой канал набпю де«щя, вк«почающий источник света и зеркало, и собирающая призма, расположенная перед обьективом, при этом угол между оптическими осями каналов набщодеиия и угол между линиями, соединяющими точку ., пересечения оптических асей каналов с центрами источников света, лежат в одной плоскости и равны между собой, а аптичес кие длины путей вдоль оптических осей канадов от точки их пересечения до точки сое- 40 динения в призме равны.

1(роме того, собирающая йр««зма состоит из двух призм с частично отражающей границей между ними, лежащей в цпоскости, проходящей через точку пересечения оптических осей каналов наблюдения, причем главное сечение собирающей призмы сов падает с плоскостью, образованной этими оптическими осями.

На фиг. 1 представлена оптическая схема устройства; на фиг. 2-4 - исспедуемый участок цпенки (в увеличенном масштабе в трех проекциях) и его ориеитация относительно освещакидих пучков света. 55

Устройство содержит источники 1 и 2 света и диффузно-рассеивающие пропуска«щие пластинки 3 и 4, явпяющиеся по су ществу вторичными излучателями с постоя««най яркостью IIo ««оверх««ости. HGMep«f емая пленка 5 нанесенная на подложку

6, находится в неподвижном положении.

Наблюдательная. часть устройства включает два канала, сформированные с помощью зеркал 7 и 8, далее установлены собирающая призма, состоящая из двух призм 9 и 10 с частично отражающей границей 11 между ними, объектив 12, набор интерференционных фипьтрбв 13 и регистрирующее устройство 14.

На фиг. 2 представлен участок исследуемой пленки 5 переменной толщины, который можно считать клином с углом при вершине Q На другой проекции (фиг. 3) толщина пленки постоянна. При освещении пленки пучком лучей 15 (15 ) под углом падения Я (Е ) отраженные интерфери1 2 рующие лучи 16 (16 ) формируют интерференционную картину в виде прямых раа» ноотстоящих полос 17 (17 ) (фиг. 4), параллельных ребру клина. Пленка располагается таким образом, что центральная точка 0 исследуемой области совмещена с точкой пересечения оптических осей каналов наблюдения, при этом ребро клина« видной пленки должно быть параллельно плоскости, в которой нежат оптические оси каналов наблюдения и пинии, соединяющие точку пересчения этих осей и центры вторичных источников света 3 и 4.

Оптические длины путей вдоль оптических осей каналов от точки 0 их пересечения да точки 0 соединения в призме должны быть равны. Это обеспечивает равенство увеличений в обоих каналах наблюдения.

Главное сечение собирающей призмы, состоящей из элементов 9 и 10, должно лежать в плоскости, образованной оптиескими осями каналов наблюдения, а частично отражающая граница 11 собирающей призмы допжна находиться э плоскости, проходящей через точку пересечения оптических осей каналов. При таком расположении элементов устройства и исследуемой пленки наблюдаемое смещение интерференционных полос обуславливается только изменением угла падения световых пучей, освещающих пленку, и не требуется введения дополнительных поправок, учитывающих проекционное искажение интерференционной полосы при наблюдении ее под разными углами. Разность углов (-,) должна быть значительной.

Лпя обеспечения измерений пленок в широком диапазоне параметров можно вы

808141 (4)

35 (2) 1 29

45 где 6 - угол клина. брать, например, следующие значения углов; E = 10+ E =- 60.

Устройство работает следукж им обраt зом. .. Включается источник 1 света, обеспечивающий освещение пленки под углом падения 6.-1, и устанавливается необходимый интерференционный фильтр, иэ набора 13, выделяющий требуемую длину волны Я,. В поле зрения регистрирующего устройства Ie

14 наблюдается интерференционная картина в виде полос 17. Выбирается одна светлая или темная полоса, идущая, например; вдоль оси ОХ. Для этой .полосы справедливо следующее равенство 15

О 2 где И - показатель преломления пленки на.длине волны А 1 . Ц вЂ” порядок интерференционной полосьц о - геометрическая толщина пленки в точке О..

Второе соегеемое (т) и пропой части равенства (1) характеризует потерю полуволны на границе пленка-подложка для случая, когда показатель преломления пленки больше показателя преломления подложки. Это соответствует практически важному случаю пчелки моноокиси крем-ЗО ния, нанесенной на подложку из стекла

К8. Порядок N выбранной полосы можно определить, подСчитывая число полос от края пленки.

Далее с помощью регистрирующего устройства 14 измеряют расстояние Ь между полосой порядка N и соседней полосой.

Величина 5< связана с параметрами плен40 ки, длиной волны А, и углом падения следующей зависимостью

Решая совместно уравнения (1), (2) и (3), получаем расчетную формулу для вычисления показателя преломления слоя

Таким образом, измерение показателя преломления пленки на предлагаемом устройстве сводится к измерению ширины 6 интерференционной полосы при угле пацения Я и смещения Z) полосы при переходе к другому углу Я и вычислению l1

Г по формуле (4), которая может быть запрограммирована на любой вычислительной машине, например, типа Электроника 50 .

Порядок полосы tV определяется путем подсчета числа полос от края пленки. Можно также испольэовать метод нескольких длин волн, Точность измерения показателя преломления И зависит, в основном, от погрешностей при определении величин Ь и Z

При использовании в качестве регистрирующего блока 14 фотоэлектрического устройства эти величины могут быть измерены с погрешностью, равной 0,005 полосы. Это приводит к погрешности показателя преломления порядка 1%, что обеспечивает известное устройство для случая измерения покаэателч преломления пленок постоянной толщины.

Основным преимуществом предлагаемого изобретения является отсутствие поворотных элементов, что значительно упрс щает его и делает возможным применение для измерения показателя преломления пленок переменной толщины в процес се их получения в вакууме непосредственно на деталях. Такие измерения при изготовлении асферических поверхностей методом нанесения дойолнйтельного слоя вещества в вакууме исключают получение бракованных деталей из-за вариации показателя преломления слоя, которых получается около 20%.

Затем источник 1 света выключается, а источник 2 включается, что обеспечива-. ет освещение пленки под углом падения

Я Это вызывает. смещение выбранной полосы порядка N на величину Z ко1(. у торая также измеряется с помощью регистрирукнцего блока 14. Смещение М

/ полосы можно описать уравнением

N„-й(со+г„В)/и --и и йтiй (Й

Формула изобретения

1. Интерференционное устройство для измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной толщины, содержащее канал, включающий источник света и зеркало, и последовательно расположенные объектив, набор интерференционных фильтров и регистрирующий блок, Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

1. Черняев В. Н. и др.- Прибор дня

10 измерения показателя преломления тонких диэлектрических пленок. - Оптико-меха» ническая промыщпенность, 1975, N9 12, с. 38.-40.

2.ÐÉàÌn w.h.,Ñoèràd Е.Е., Nondestructive Ьесег и иаМои og

T+ic%ness anct ReOractive видех

of Transparent т Cn15 -3SN «1о—, - urnaC of Researcи and DeveCe и еиь1964, VO4. 8, ¹ 1. с. 43-48 (прототип) .,7 . 8051 о т и и ч а ю ш е е с я тем, что, с ае-. пью упрсицения конструкции устройства путем исключения поворотных эпементав и уменьшения трудоемкости измерений, в него введены второй канал наблюдения, S включаквций источник света и зеркало, и собиракщая призма, расположенная перед обьектнвом, при этом угол между оп тнческими осями каналов наблюдения и угол между линиями, соединяющими точку пересечения оптических осей каналов с центрами источников счета, лежат в одной плоскости и равны между собой, а оптические длины путей вдоль оптических осей каналов от точки их пересечения до точки соединения в призме равны„

2. Ус7ройство по п. 1, о т л и ч аю щ е е с я тем, что собиращцая приз ма состоит из двух призм с частично отражакщей границей между ними, лежащей

41

8 в плоскости, проходящей через точку пе,. ресечения оптических осей двух каналов наблюдения, причем главное сечение собираккцей призмы совпадает с плоскостью, образованной этими оптическими осями.

5 б

Фиг.У

Составитель Н. Гусева

Редактор М, Келемеш Техред,Ж.Кастелевич Корректор М Шароши

Заказ 10868/63 Тираж 918 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-36, Раушская наб. p. 4/6

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