Способ измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке. Влияние тонких пленок на показатель преломления


Оптика тонких плёнок — Википедия

Материал из Википедии — свободной энциклопедии

Дихроические фильтры создаются при помощи покрытия тонкими плёнками

О́птика то́нких плёнок Тонкие пленки, нанесенные на поверхность вещества, в частности на стекло, из которого изготовляются оптические приборы, значительно влияют на отражение и пропускание света, если их толщина соизмерима с длиной световой волны.

Наиболее интересные свойства имеют пленки с толщиной, которая равняется (четверти длины волны + целое число длин волн), либо (половина длины волны + целое число длин волн), которые, соответственно, максимально уменьшают или увеличивают отражение света поверхностью.

Если свет с длиной волны λ падает из среды с показателем преломления n1{\displaystyle n_{1}} под углом θ1{\displaystyle \theta _{1}} на вещество с показателем преломления n3{\displaystyle n_{3}}, покрытую тонкой пленкой с показателем преломления n2{\displaystyle n_{2}} и толщиной h{\displaystyle h}

ru.wikipedia.org

Показатель - преломление - пленка

Показатель - преломление - пленка

Cтраница 4

В табл. 30 приведена дисперсия пленок окислов элементов IV группы, прогретых при разных температурах. Из данных таблицы следует, что показатель преломления пленок ТЮ2 с уменьшением длины волны ( начиная с 430 нм) заметно повышается. У пленок ZrO2, НЮ2 и ТпО2 наблюдается плавный ход дисперсии по мере перехода в коротковолновую область спектра.  [46]

Если амплитуды обеих отраженных волн-одинаковы или очень близки друг к другу, то гашение света будет полным. Чтобы добиться этого, подбирают соответственным образЪм показатель преломления пленки, так как интенсивность отраженного света определяется отношением коэффициентов преломления двух граничащих сред.  [47]

При высокой температуре подложки, обеспечивающей рост крупных зерен, показатель преломления пленки приближается к значению, характерному для монокристаллического материала. Пленки CdS, создаваемые с помощью ионного распыления [162], имеют область резкого изменения коэффициента пропускания при значении длины волны около 0 52 мкм, соответствующем ширине запрещенной зоны CdS. В длинноволновой области спектра пленки обладают высокой прозрачностью.  [49]

Очевидно, первоначальная структура свежеприготовленных пленок является нестабильной и существенно отличается от структуры пленок, подвергнутых термообработке. Изменения структуры материала в процессе термообработки приводят к изменению величины показателя преломления пленок и почти не влияют на значение коэффициента поглощения.  [50]

В случае прозрачных пленок некоторые методы измерения толщины требуют знания показателя преломления пленки, но сами по себе не позволяют измерять показатель преломления. Поэтому необходимо описать некоторые дополнительные методы для определения показателя преломления.  [51]

В работе [1003] описаны принципы и разработана технология приборов, основанных на фотоиндуцированном изменении показателя преломления в халькогенидных пленках системы As - S. Распространение луча в волноводе контролируется освещением синим или красным светом, модифицирующим показатель преломления пленки.  [53]

В качестве однослойных просветляющих пленок могут быть использованы любые прозрачные пленки, удовлетворяющие этим основным условиям и требованиям эксплуатации изделий. Однако первое основное условие выполнимо лишь в тех случаях, когда разница между показателями преломления пленки и материала обрабатываемой детали достаточно велика.  [54]

Интересным и несколько необычным использованием принципа четвертьволнового трансформатора являются просветляющие покрытия, наносимые на рабочие поверхности оптических линз с целью уменьшения потерь света на отражение от стекла. Эти покрытия представляют собой прозрачные пленки из фтористых соединений толщиной в четверть длины волны оптических колебаний. Показатель преломления пленки выбирают равным среднегеометрическому от показателей преломления воздуха и стекла.  [56]

Измерения неровностей высотой 1 - 10 мкм с помощью реплики начинают с ее изготовления. Испытуемую поверхность детали промывают чистым бензином или смесью бензина со спиртом, смачивают ацетоном и тотчас накрывают предварительно отрезанным куском 20X20 мм прозрачной пленки из ацетилацетата ( кинопленка), прижимая этот кусок к испытуемой поверхности через папиросную бумагу. Показатель преломления пленки должен быть известен. Через 20 - 30 мин, пленка отскакивает от поверхности или ее снимают. Получают зеркальный отпечаток поверхности - реплику, которую обрезают по углам в виде восьмигранника или круга. На зеркало иммерсионной камеры наносят 2 - 3 капли иммерсионной жидкости, например масла, с известным показателем преломления и реплику отпечатком накладывают на зеркало; На зеркало с репликой накладывают верхнюю прозрачную плоскопараллельную пластину и завертывают по резьбе до упора.  [57]

Почему при нанесении пленки поверхность стекла перестает отражать свет. Почему толщина пленки должна быть равна четверти длины волны падающего света. Почему показатель преломления пленки должен быть меньше показателя преломления стекла.  [58]

С целью уменьшения отражения света путем нанесения однослойной пленки используются прозрачные пленки с меньшим показателем преломления, чем у обрабатываемой детали. При этом уменьшение количества отражаемого света происходит вследствие интерференции лучей, отраженных от границ пленка - воздух и пленка-стекло. Значение показателя преломления пленки подбирается таким образом, чтобы интенсивности отраженных лучей / и 2 ( рис. 30) от обеих границ пленки были бы равны. Если толщина пленки обеспечивает разность хода отраженных лучей, равную половине длины волны Я, падающего излучения, то лучи 1 и 2 вследствие интерференции уничтожаются.  [59]

Наконец, еще одним способом повышения плотности окисных пленок может служить постепенное наслаивание. Увеличение плотности пленок сопровождается повышением показателя преломления пленок. Аналогичное явление наблюдается при нанесении пленок из растворов хлоридов или нитратов. С, тогда как у пленок той же толщины, полученных наслаиванием разбавленных растворов, показатель преломления может достигать 2 34 - 2 35 в случае прогрева их до 300 С.  [60]

Страницы:      1    2    3    4    5

www.ngpedia.ru

Показатель - преломление - пленка

Показатель - преломление - пленка

Cтраница 3

А - Д - относительный сдвиг фаз света, отраженного от покрытой пленкой окиси поверхности; п - показатель преломления пленки; А - постоянная для данной подложки величина, вычисленная по ее гониометрическим характеристикам.  [31]

Для высококачественной гетероэпитаксии требуется близость постоянных решетки пленки и подложки, а для создания оптического волновода необходимо, чтобы показатель преломления пленки превышал показатель преломления подложки.  [33]

Таким образом, полное уничтожение отражения при помощи однослойной пленки возможно лишь при выполнении двух основных условий: 1) показатель преломления пленки должен равняться корню квадратному из величины показателя преломления стекла и 2) оптическая толщина пленки должна быть равна / 4 длины волны света той области спектра, в которой желательно уменьшить отражение.  [34]

Последнее требование выполнимо только на стеклах с п 1 9 - 2 0, так как лишь в этом случае показатель преломления кремнеземистой пленки ( п 1 44 - 1 45) составляет корень квадратный из показателя преломления стекла. На остальных стеклах в зависимости от химического состава и показателя преломления отражательная способность может быть только уменьшена.  [35]

Кроме того, точность определения п2 обусловлена также возможной точностью отсчета параметров А и if на приборе и степенью их изменения с изменением показателя преломления пленки.  [37]

В первый момент образования ( после гидролиза) пленка содержит большое количество воды, часть которой испаряется в течение первых часов после нанесения, часть же удерживается пленкой в течение довольно продолжительного времени, что влияет на величину показателя преломления пленки. Прогрев уменьшает это количество воды. Температура прогрева в значительной степени определяет величину показателя преломления пленки из двуокиси титана: при t 200, 300, 400, 500 С п - 1 95; 2 00; 2 07; 2 20 соответственно.  [39]

Отсутствие в этих формулах глубины проникновения означает, что спектры не искажаются и не смещаются при углах, близких к arcsinrtsi - Измерения спектров ППВО тонких пленок могут быть выполнены в широкой области углов падения, причем на выбор углов не влияет показатель преломления пленки.  [41]

На рис. 3.7 приведены значения показателей преломления аморфных и поликристаллических пленок. Исследование авторами влияния отжига на показатель преломления пленок показало, что заметная кристаллизация происходит в интервале температур от 575 до 690 С На рис 3 7 представлены также спектральные зависимости коэффициента поглощения света в аморфных и поликристаллических кремниевых пленках.  [43]

Камеру с репликой ставят под объектив микроскопа и наблюдают в монохроматическом зеленом свете интерференционную картину. Цена интерференционной полосы зависит от показателей преломления пленки и жидкости, которые, естественно, должны быть заранее известны.  [44]

Страницы:      1    2    3    4    5

www.ngpedia.ru

Условия наблюдения интерференции на тонких пленках

Итак, при падении на пластинку плоской волны образуются две отраженные волны, разность хода которых определяется формулой (7.1). Выясним условия, при которых эти волны могут интерферировать. Рассмотрим случай с плоскопараллельной пластинкой.

Рис.7.6

Обе плоские отраженные волны распространяются в одном направлении, образующем с нормалью к пластинке угол, равный углу падения . Эти волны смогут интерферировать, если будут соблюдены условия как временной, так и пространственной когерентности.

Для того чтобы имела место временная когерентность, разность хода (7,1) не должна превышать длину когерентности, равную .Следовательно, должно соблюдаться условие

При нормальном падении световой волны на поверхность пленки

В полученном соотношении половиной можно пренебречь по сравнению с . Поэтому можно написать

(7.6)

(удвоенная, толщина пластинки должна быть меньше длины когерентности).

Таким образом, отраженные волны будут когерентными только в том случае, если толщина пластинки hне превышает- величины, определяемой соотношением (7.6)). Положив=5000и=20, получим предельное значение толщины, равное

Теперь рассмотрим условия соблюдения пространственной когерентности. Поставим на пути отраженных пучков экран Э (рис. 7.6). Приходящие в точку Р лучи 1 и 2 отстоят друг от друга на расстоянии DC. Из рис 7.6 видно, что. Если пленка освещается солнечным светом, а угловой размер солнца составляет0,01рад., то для выполнения условий пространственной когерентности необходимо, чтобы. Если предположить, что угол падения составляет 45и длина волны=5000, тоh<0,05мм. Для угла падения порядка 10° лространственная когерентность будет сохраняться при толщине пластинки, не превышающей 0,05мм. Таким образом, мы приходим к выводу, что вследствие ограничений, накладываемых временной и пространственной когерентностями, интерференция при освещении пластинки солнечным светом наблюдается только в том случае, если толщина пластинки не превышает нескольких сотых миллиметра. При освещении светом с большей степенью когерентности интерференция наблюдается и при отражении от более толстых пластинок или пленок, например, при использовании лазерного излучения интерференцию можно наблюдать на пленках толщиной больше 2см.

Просветленная оптика

При прохождении световой волны через линзы на каждой из поверхностей линзы световой поток частично отражается. В сложных оптических системах, где много линз или призм проходящий световой поток значительно уменьшается, кроме того, появляются блики. В перископах подводных лодок отражается до 50% входящего в них света. Для устранения этих дефектов оптических систем применяется прием, который называется просветлением оптики. Сущность приема заключается в том, что оптические поверхности покрываются тонкими пленками, создающими интерференционные явления. В просветленной оптике для устранения отражения света на каждую свободную поверхность линзы наносится тонкая пленка вещества с показателем преломления иным, чем у линзы. Толщина пленки подбирается так, чтобы волны отраженные от обеих ее поверхностей, погашали друг друга. Особенно хороший результат достигается в том случае, когда показатель преломления пленки удовлетворяет условию

(7.7)

Где nпл- показатель преломления пленки, который должен быть меньше показателя преломления линзы,- показатель преломления среды, в которой находится оптическая система,- показатель преломления линзы.

Соотношение (7.7) показывает, что диэлектрическая пленка, нанесенная на линзу, должна иметь показатель преломления меньше показателя преломления линзы и больше показателя преломления среды, в этом случае теряется половина длины волны на нижней и верхней отражающей поверхности. Разность хода отраженных световых волн от верхней поверхности пленки и от линзы определяется

,

для нормально падающих лучей

Назначение пленки заключается в гашении отраженного света, поэтому должно выполняться условие минимума

Отсюда определяем толщину просветляющей пленки

(7.8)

Условие (7.8) предъявляет очень жесткие условия к толщине просветляющей пленки, так как если она будет равна

, то присутствие покровного слоя наоборот увеличит коэффициент отражения света.

При соблюдении условий (7.7) и (7.8) отражение света не происходит, и световой поток проходит сквозь оптическую поверхность без потерь.

Толщина просветляющей пленки, найденная по формуле (7.8) будет действительна лишь для вполне определенной длины волны, а белый свет содержит все длины волн видимого диапазона. Однако, при m=0

можно подобрать однослойные пленки, оказывающие хорошее просветляющее действие почти на весь видимый участок спектра. Обычно просветление проводят для средней ( желто-зеленой) области видимого света, подбирая такой диэлектрик, показатель преломления которого удовлетворяет условию (7.7). Для краев видимого спектра ( красный и фиолетовый свет) коэффициент отражения заметно отличается от нуля. Именно поэтому просветленные объективы кажутся в отраженном свете пурпурными, что соответствует смешению красного и фиолетового цветов. Для того, чтобы не происходило отражение света от оптических поверхностей в широком диапазоне длин волн и углов падения, применяются многослойные просветляющие покрытия.

Просветляющее покрытие образуется на поверхности линзы путем ее химической обработки (протравление в кислоте) или путем нанесения пленок фторидов при испарении в вакууме.

studfiles.net

способ измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке - патент РФ 2415378

Настоящее изобретение касается способа измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке. Заявленный способ включает облучение контролируемого покрытия оптическим излучением. При этом перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны падающего на контролируемое покрытие излучения. Далее регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны и определяют на основе этой зависимости зависимость коэффициента отражения от длины волны и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-покрытие-подложка» и по ним определяют толщину и показатель преломления покрытия. Данный способ позволяет повысить оперативность измерений. 3 ил.

Рисунки к патенту РФ 2415378

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, во встраиваемой технологической аппаратуре для оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их нанесения.

Известны способы измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных пленок на поверхности материала (см., например, [1-3]), заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, регистрируют отраженное от поверхности излучение и определяют параметры пленки по результатам анализа характеристик отраженного излучения (например, поляризационных характеристик, спектральных характеристик в различных участках спектра или интерференционной картины).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля характеристик покрытий (например, его показателя преломления и толщины) [2], заключающийся в том, что облучают контролируемое покрытие оптическим излучением, регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения в различных участках спектра, а параметры покрытия определяют по результатам анализа зарегистрированных потоков.

Недостатками способов [1-3] являются малая оперативность измерений и сложность их использования во встраиваемой технологической аппаратуре для оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их нанесения.

Избежать этого недостатка можно тем, что согласно способу контроля характеристик покрытий, включающему облучение контролируемого покрытия оптическим излучением, регистрацию отраженных от покрытия потоков излучения и определение параметров покрытия по результатам анализа зарегистрированных потоков, для измерения толщины и показателя преломления покрытия перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны излучения, падающего на контролируемое покрытие, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны, измеряют на основе этой зависимости коэффициент отражения и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух - покрытие - подложка» и по ним находят толщину и показатель преломления покрытия.

Наличие отличительного признака указывает на соответствие критерию "новизна".

Указанный отличительный признак неизвестен в научно-технической и патентной литературе, и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство содержит перестраиваемый по длине волны источник излучения 1, фотоприемник 2, блок 3 измерения коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка», блок 4 определения толщины и показателя преломления покрытия 5 на поверхности материала 6.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение источника 1 отражается поверхностью покрытия 5 и подложки 6, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок 3 измерения коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка», значения коэффициента отражения и его первой производной поступают в блок 4 для определения толщины и показателя преломления покрытия.

Длина волны излучения источника 1 перестраивается в узком спектральном диапазоне (дискретно или плавно) для определения зависимости отраженного потока излучения от длины волны и измерения на основе этой зависимости коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка».

Источник излучения 1 облучает вертикально плоскую подложку с нанесенным на нее покрытием. Фотоприемник 2 на длине волны излучения регистрирует мощность Р( ) излучения, отраженного исследуемой поверхностью. Считается, что источник излучения расположен на небольшом расстоянии от подложки с покрытием, а размеры приемной оптики достаточно велики, так что приемник перехватывает все отраженное излучение. Тогда принимаемая мощность Р( ) может быть представлена в виде:

где:

PO - мощность, излучаемая источником;

Rref( ) - коэффициент отражения подложки с покрытием.

В случае тонких прозрачных покрытий (когда пропускание покрытия мало отличается от единицы) для коэффициента отражения R ref( ) трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие -подложка» имеем (см., например, [4]):

где:

n2,3( ), k2,3( ) - показатели преломления и поглощения материала покрытия и подложки соответственно; r12, r23 - коэффициенты отражения на границе сред «воздух (вакуум) - покрытие» и «покрытие - подложка» соответственно. При n2 n3 для r23 берется верхний знак, при n2<n3 - нижний знак.

Перестройка длины волны излучения в узком спектральном диапазоне (около некоторой центральной длины волны o) дает возможность определить (в окрестности длины волны o) зависимость Rref( ) от . Это позволяет найти R'ref( ) - производную Rref( ) по .

Зависимость R'ref( ) от параметров трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие -подложка» в случае прозрачных покрытий легко найти. Для прозрачных покрытий, для которых не только пропускание пленки мало отличается от единицы, но и (для прозрачных пленок эти условия, как правило, выполняются), из (2), дифференцируя Rref( ) по , получим (учтя, что изменения по величин r12, r23 и n2 во много раз более медленные, чем изменения по величины cos[2 ( )]):

где:

Левая часть (3) зависит только от данных измерений (коэффициента отражения Rref( ) и его первой производной R'ref( )), а правая - от данных измерений (Rref( )), оптических характеристик подложки (n3, k 3, которые считаются известными), длины волны и показателя преломления покрытия n2. Так как в (3) входят тригонометрические функции, то в общем случае из (3) нельзя однозначно определить n2. Однако для тонких покрытий в интервале однозначности (2 или ) выражение (3) позволяет однозначно найти n2 (решая численно относительно n2 нелинейное уравнение (3)).

Если найден показатель преломления покрытия, то из (2), (3) для тонких покрытий можно найти толщину покрытия d:

Таким образом, определение показателя преломления и толщины прозрачных тонких (с толщиной ) покрытий на подложке можно провести, измеряя коэффициент отражения системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка» и его первую производную. Это может быть реализовано, используя один перестраиваемый по длине волны в узком диапазоне лазер.

На фиг.2, 3 для примера приведены результаты математического моделирования работы описанного способа для измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий. Здесь показаны погрешности d и n (в процентах) определения толщины и показателя преломления покрытия в зависимости от действительных значений толщины d и показателя преломления n2 покрытия. Погрешности определялись как модуль разности найденных и заданных величин, деленный на заданное значение величины. Считалось, что среднеквадратическое значение погрешности измерения коэффициента отражения и его первой производной равны 0.1%, центральная длина волны излучения O-0.808 мкм. Оптические характеристики подложки соответствовали характеристикам стекла n3=1.52, k 3=0, а показатель преломления прозрачной пленки (k 2 0) мог изменяться в диапазоне n2=1.8-2.8.

Из чертежей видно, что способ позволяет с большой точностью находить толщину и показатель преломления тонких прозрачных покрытий в диапазоне показателя преломления покрытия n2 =1.8-2.8 и диапазоне толщин покрытий, по крайней мере, от 10 нм до 100 нм. Отметим, что измеряемый (с заданной точностью) диапазон толщин покрытий можно менять, изменяя центральную длину волны o. Для меньших длин волн этот диапазон смещается в область меньших толщин, для больших длин волн - в область больших толщин.

Таким образом, описанный способ позволяет обеспечить измерение толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий с большой точностью в широком диапазоне изменения параметров покрытия.

Заявляемое изобретение направлено, в частности, на решение задачи оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их получения.

Измерительное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонент и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Способ эллипсометрического исследования тонких пленок на плоских подложках. Патент РФ на изобретение № 2133956 от 27.07.1999. МКИ G01N 21/21.

2. Способ контроля просветляющих покрытий. Авторское свидетельство №

1298532 от 23.03.1987. МКИ G01B 11/06.

3. Интерферометрическое устройство для измерения физических параметров прозрачных слоев (варианты). Патент РФ на изобретение № 2141621 от 04.02.1998. МКИ G01B 11/06, G01N 21/45.

4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, 855 с.

ФОРМУЛА ИЗОБРЕТЕНИЯ

Способ определения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке путем облучения контролируемого покрытия оптическим излучением, отличающийся тем, что перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны падающего на контролируемое покрытие излучения, регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны, определяют на основе этой зависимости зависимость коэффициента отражения от длины волны и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-покрытие-подложка» и по ним определяют толщину и показатель преломления покрытия.

www.freepatent.ru

Способ измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке

Настоящее изобретение касается способа измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке. Заявленный способ включает облучение контролируемого покрытия оптическим излучением. При этом перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны падающего на контролируемое покрытие излучения. Далее регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны и определяют на основе этой зависимости зависимость коэффициента отражения от длины волны и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-покрытие-подложка» и по ним определяют толщину и показатель преломления покрытия. Данный способ позволяет повысить оперативность измерений. 3 ил.

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, во встраиваемой технологической аппаратуре для оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их нанесения.

Известны способы измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных пленок на поверхности материала (см., например, [1-3]), заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, регистрируют отраженное от поверхности излучение и определяют параметры пленки по результатам анализа характеристик отраженного излучения (например, поляризационных характеристик, спектральных характеристик в различных участках спектра или интерференционной картины).

Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля характеристик покрытий (например, его показателя преломления и толщины) [2], заключающийся в том, что облучают контролируемое покрытие оптическим излучением, регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения в различных участках спектра, а параметры покрытия определяют по результатам анализа зарегистрированных потоков.

Недостатками способов [1-3] являются малая оперативность измерений и сложность их использования во встраиваемой технологической аппаратуре для оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их нанесения.

Избежать этого недостатка можно тем, что согласно способу контроля характеристик покрытий, включающему облучение контролируемого покрытия оптическим излучением, регистрацию отраженных от покрытия потоков излучения и определение параметров покрытия по результатам анализа зарегистрированных потоков, для измерения толщины и показателя преломления покрытия перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны излучения, падающего на контролируемое покрытие, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны, измеряют на основе этой зависимости коэффициент отражения и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух - покрытие - подложка» и по ним находят толщину и показатель преломления покрытия.

Наличие отличительного признака указывает на соответствие критерию "новизна".

Указанный отличительный признак неизвестен в научно-технической и патентной литературе, и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

На фиг.1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.

Устройство содержит перестраиваемый по длине волны источник излучения 1, фотоприемник 2, блок 3 измерения коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка», блок 4 определения толщины и показателя преломления покрытия 5 на поверхности материала 6.

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение источника 1 отражается поверхностью покрытия 5 и подложки 6, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок 3 измерения коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка», значения коэффициента отражения и его первой производной поступают в блок 4 для определения толщины и показателя преломления покрытия.

Длина волны излучения источника 1 перестраивается в узком спектральном диапазоне (дискретно или плавно) для определения зависимости отраженного потока излучения от длины волны и измерения на основе этой зависимости коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка».

Источник излучения 1 облучает вертикально плоскую подложку с нанесенным на нее покрытием. Фотоприемник 2 на длине волны излучения λ регистрирует мощность Р(λ) излучения, отраженного исследуемой поверхностью. Считается, что источник излучения расположен на небольшом расстоянии от подложки с покрытием, а размеры приемной оптики достаточно велики, так что приемник перехватывает все отраженное излучение. Тогда принимаемая мощность Р(λ) может быть представлена в виде:

где:

PO - мощность, излучаемая источником;

Rref(λ) - коэффициент отражения подложки с покрытием.

В случае тонких прозрачных покрытий (когда пропускание покрытия мало отличается от единицы) для коэффициента отражения Rref(λ) трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие -подложка» имеем (см., например, [4]):

где:

n2,3(λ), k2,3(λ) - показатели преломления и поглощения материала покрытия и подложки соответственно; r12, r23 - коэффициенты отражения на границе сред «воздух (вакуум) - покрытие» и «покрытие - подложка» соответственно. При n2≥n3 для r23 берется верхний знак, при n2<n3 - нижний знак.

Перестройка длины волны излучения λ в узком спектральном диапазоне (около некоторой центральной длины волны λo) дает возможность определить (в окрестности длины волны λo) зависимость Rref(λ) от λ. Это позволяет найти R'ref(λ) - производную Rref(λ) по λ.

Зависимость R'ref(λ) от параметров трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие -подложка» в случае прозрачных покрытий легко найти. Для прозрачных покрытий, для которых не только пропускание пленки мало отличается от единицы, но и (для прозрачных пленок эти условия, как правило, выполняются), из (2), дифференцируя Rref(λ) по λ, получим (учтя, что изменения по λ величин r12, r23 и n2 во много раз более медленные, чем изменения по λ величины cos[2β(λ)]):

где:

Левая часть (3) зависит только от данных измерений (коэффициента отражения Rref(λ) и его первой производной R' ref(λ)), а правая - от данных измерений (Rref(λ)), оптических характеристик подложки (n3, k3, которые считаются известными), длины волны λ и показателя преломления покрытия n2. Так как в (3) входят тригонометрические функции, то в общем случае из (3) нельзя однозначно определить n2. Однако для тонких покрытий в интервале однозначности (2β≤ π или ) выражение (3) позволяет однозначно найти n2 (решая численно относительно n2 нелинейное уравнение (3)).

Если найден показатель преломления покрытия, то из (2), (3) для тонких покрытий можно найти толщину покрытия d:

Таким образом, определение показателя преломления и толщины прозрачных тонких (с толщиной ) покрытий на подложке можно провести, измеряя коэффициент отражения системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка» и его первую производную. Это может быть реализовано, используя один перестраиваемый по длине волны в узком диапазоне лазер.

На фиг.2, 3 для примера приведены результаты математического моделирования работы описанного способа для измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий. Здесь показаны погрешности Δd и Δn (в процентах) определения толщины и показателя преломления покрытия в зависимости от действительных значений толщины d и показателя преломления n2 покрытия. Погрешности определялись как модуль разности найденных и заданных величин, деленный на заданное значение величины. Считалось, что среднеквадратическое значение погрешности измерения коэффициента отражения и его первой производной равны 0.1%, центральная длина волны излучения λO-0.808 мкм. Оптические характеристики подложки соответствовали характеристикам стекла n3=1.52, k3=0, а показатель преломления прозрачной пленки (k2≈0) мог изменяться в диапазоне n2=1.8-2.8.

Из чертежей видно, что способ позволяет с большой точностью находить толщину и показатель преломления тонких прозрачных покрытий в диапазоне показателя преломления покрытия n2=1.8-2.8 и диапазоне толщин покрытий, по крайней мере, от 10 нм до 100 нм. Отметим, что измеряемый (с заданной точностью) диапазон толщин покрытий можно менять, изменяя центральную длину волны λo. Для меньших длин волн этот диапазон смещается в область меньших толщин, для больших длин волн - в область больших толщин.

Таким образом, описанный способ позволяет обеспечить измерение толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий с большой точностью в широком диапазоне изменения параметров покрытия.

Заявляемое изобретение направлено, в частности, на решение задачи оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их получения.

Измерительное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонент и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость".

Источники информации

1. Способ эллипсометрического исследования тонких пленок на плоских подложках. Патент РФ на изобретение №2133956 от 27.07.1999. МКИ G01N 21/21.

2. Способ контроля просветляющих покрытий. Авторское свидетельство №

1298532 от 23.03.1987. МКИ G01B 11/06.

3. Интерферометрическое устройство для измерения физических параметров прозрачных слоев (варианты). Патент РФ на изобретение №2141621 от 04.02.1998. МКИ G01B 11/06, G01N 21/45.

4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, 855 с.

Способ определения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке путем облучения контролируемого покрытия оптическим излучением, отличающийся тем, что перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны падающего на контролируемое покрытие излучения, регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны, определяют на основе этой зависимости зависимость коэффициента отражения от длины волны и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-покрытие-подложка» и по ним определяют толщину и показатель преломления покрытия.

www.findpatent.ru

14.Измерение показателя преломления подложки с помощью

периодических структур [5]

Периодические структуры позволяют выполнить измерение показателя преломления подложки, на которой находится пленка AgCl-Ag. Возможность таких измерений связана с тем, что минимальное значение , что видно из ф.(11.11). Развитие периодической структуры при возбуждении моды с таким значениембудет происходить в том случае, если толщина пленкибудет меньше определенной величины, которая дает толщину отсечкимоды и находится из дисперсионного уравнения (10). Приииз (11.12) получаем :

(14.1)

Например, вычислим для случая облучения пленки, находящейся на стекле (), пучком отHe-Ne лазера с . При этих данных получаем. Приготовив пленку снемного меньшеи облучив ее при нормальном падении пучком указанного лазера, получим периодическую структуру с периодом :

(14.2)

Выполнив измерение и зная, из этой формулы находим.

Получить можно и без измерений периода. Для этого нужно облучать пленку-поляризованным пучком, подбирая такой угол падения пучка, чтобы выполнилось условие автоколлимации (13.3). При этом преимущество в своем развитии имеет периодическая структура с периодом(ф.(12.4)). Приравнивая (12.4) и (13.3), получаем :

(14.3)

где - измеренный угол падения при выполнении условия автоколлимации. Оценки показывают, что ошибка при измерениях не превышает. Таким образом, этот метод дает возможность измерять показатель преломления с точностью до двух знаков после запятой, а именно такая точность необходима для решения многих оптических задач.

Самым важным преимуществом метода измерений показателей преломления диэлектрических подложек с помощью периодических структур является то, что измерения можно выполнять на очень маленькой площадке, совпадающей с сечением лазерного пучка. Обычно лазерные пучки имеют диаметр около 1 мм. Если же применить для индуцирования периодической структуры сфокусированный пучок, то диаметр уменьшится до величины . Ни один из известных методов измерений показателей преломления не дает возможности проводить измерения на столь малых участках исследуемого образца.

Заключение

Мы познакомились с фотоиндуцированными нелинейными оптическими эффектами, которые развиваются в фоточувствительных пленках AgCl-Ag.

1.Действие интенсивного белого света приводит к образованию коллоида серебра в поликристаллической пленке хлористого серебра. При этом возникает резонансная полоса поглощения, приводящая к окрашиванию пленки. При больших экспозициях частички коагулируют, укрупняются и коллоидная полоса поглощения ослабляется (эффект Гершеля).

2.Линейно поляризованный белый свет создает в пленке дихроизм (эффект Вейгерта). Дихроизм связан с образованием цепочек из мелких гранул серебра. Цепочки имеют преимущественную ориентацию относительно направления поляризации облучающего пленку пучка.

3.Монохроматический линейно поляризованный свет создает дихроизм и приводит к эффекту фотоадаптации. Фотоадаптация связана с частотным выжиганием дыры в поляризованной полосе поглощения из-за разрушения действующим светом цепочек определенного размера.

4.Монохроматический линейно поляризованный свет при больших экспозициях создает в пленке периодические структуры, связанные с возбуждением волноводных мод. Эти структуры подобны дифракционным решеткам, штрихи которых образуются частичками серебра. Можно получать решетки с частотой штрихов более, чем 2500 штр./мм. Эти структуры дают уникальную возможность для измерений показателей преломления диэлектрических подложек на очень малых площадках диаметром ~ 10 мкм.

Все указанные эффекты связаны с коллоидными частичками серебра, которые поглощают свет резонансным образом. Эти частички перераспределяются в матрице хлористого серебра под действием света. Изменение частоты, поляризации света, угла падения действующего пучка приводят к изменениям в строении коллоида. При этом изменяются оптические характеристики композитной среды AgCl-Ag без изменения ее фазового состава. В этом проявляются ее нелинейные оптические свойства (оптические свойства зависят от интенсивности действующего света ; точнее – от экспозиции )

studfiles.net


sitytreid | Все права защищены © 2018 | Карта сайта