Оптический метод контролирования толщины пленок

Обязательное требование к положению контрольного образца — площадь его освещения источником не должна не изменяться в процессе напыления пленки. Поэтому либо контрольный образец должен оставаться неподвижным в течение технологического процесса, либо ось его вращения должна совпадать с осью вращения подложкодержателя. Напыление пленкообразующего материала происходит из испарителя 9 одновременно на контрольный образец и на рабочие детали. Испарителем может быть как термический резистивный испаритель (типа «лодочки»), так и электронно-лучевой испаритель.

Световой поток, прошедший через контрольный образец, через выходное окно 14 выходит из вакуумной камеры и попадает на линзу 15, которая фокусирует его на входную щель монохроматора 16. Оптическая система монохроматора направляет изображение источника излучения со входной щели на поверхность основного элемента монохроматора — диспергирующей дифракционной решетки. Дифракционная решетка в зависимости от угла поворота выделяет из спектра источника излучения узкий спектральный интервал нулевого порядка в окрестностях длины волны (0, который в первом приближении можно считать монохроматическим (т.е. имеющим в своем составе излучение только одной длины волны (0). Монохроматический световой поток фокусируется на выходной щели монохроматора, откуда собирается линзой 18 на чувствительной площадке фотоприемника — фотодиода 19. Для устранения мешающего излучения в виде спектров высших порядков, выделяемых дифракционной решеткой из спектра источника излучения помимо спектра нулевого порядка, между выходной щелью монохроматора и фотоприемником размещают блокирующие фильтры 17.

Входная и выходная щели монохроматора служат для изменения сигнала, в итоге поступающего на фотоприемник. Однако следует помнить, что при увеличении щели увеличивается спектральный интервал, который можно оценить по формуле:

(4)

где S — ширина раскрытия щели, мм; dλ/dl — параметр монохроматора, именуемый обратной линейной дисперсией.

Световой поток, попавший на фотоприемник, вызывает генерацию электрического сигнала, пропорционального коэффициенту пропускания оптического тракта измерительного канала. Затем электрический сигнал попадает на блок усилителя 20, настроенный на частоту модуляции. В блоке усилителя происходит усиление сигнала фотодиода и выделение переменной составляющей. Конденсатор С1 работает как фильтр и пропускает только переменную составляющую сигнала фотодиода, соответствующую промодулированному излучению источника света. Постоянная составляющая сигнала фотодиода, соответствующая фоновой засветке, вызванной излучением испарителя, через конденсатор не проходит. На операционном усилителе DA1 происходит усиление переменной составляющей сигнала фотодиода за счет сопротивлений R1 и R2, составляющего линию обратной связи операционного усилителя. Выходной сигнал операционного усилителя накапливается на конденсаторе С2.

Через оптоэлектронный ключ К1 сигнал с конденсатора С2 поступает на вход АЦП 21, имеющий в своем составе схему сравнения. В результате сравнения сигналов опорного и измерительного каналов происходит подавление шумов, вызванных флуктуациями излучения источника и электрическими наводками сети питания, а также калибровка сигнала измерительного канала. На оцифровку с выхода схемы сравнения АЦП поступает разностный сигнал, соответствующий отношению сигналов измерительного и опорного каналов.

Оцифрованные данные считываются контроллером с выходного регистра АЦП и передаются на устройство вывода информации — дисплей или цифровое табло с отображением значения измеряемого коэффициента пропускания. Одновременно происходит переключение выхода операционного усилителя на сопротивление R3 для разрядки конденсатора С2.

Заключение

Достоинством оптического метода контроля толщины прозрачной пленки является его независимость от значения показателя преломления и условий напыления (температура образца, давление остаточных газов в вакуумной камере, скорость испарения), которые оказывают влияние на него. Это вызвано тем, что при данном методе контролируется оптическая толщина пленки, а не геометрическая.

Рассмотренная схема устройства контроля позволяет контролировать толщину тонких пленок оптическим методом. Контроль осуществляется на одной длине волны по пропусканию светового потока, прошедшего через контрольный образец, на который напыляется пленка.

При напылении многослойной системы использование этого метода возможно либо путем сквозного контроля на одной длине волны (применяется при изготовлении интерференционных фильтров, у которых оптические толщины всех слоев кратны (/4), либо путем контролирования каждого слоя на своей контрольной длине волны. Такой способ применяется при напылении неравнотолщинных интерференционных систем. Кроме того, при изготовлении многослойных четвертьволновых систем (например, диэлектрических зеркал) применяют контроль по раздельным контрольным образцам или усиливают сигнал фотоприемника после напыления определенного количества слоев. Согласно Хассу [4], это связано с тем, что «различие между интенсивностью света в максимуме и ближайшем минимуме с увеличением числа слоев прогрессивно уменьшается; соответственно становится меньше разность сигналов, снимаемых с фотоэлементов. Это означает, что острота экстремумов падает, следовательно, уменьшается и точность, с которой определяется момент окончания напыления и обеспечивается желаемая толщина пленки». Переход после испарения определенного слоя на новый чистый контрольный образец с высоким пропусканием или усиление сигнала фотодиода позволяет преодолеть эту проблему.

Список использованных источников

1. Справочник технолога-оптика / под ред. М. А. Окатова — С.-Пб: Политехника, 2004.

2. Крылова Т. Н. Интерференционные покрытия. — Л.: Машиностроение, 1973.

3. Фурман Ш. А. Тонкослойные оптические покрытия. — Л.: Машиностроение, 1977.

4. Физика тонких пленок. Т.3 // под ред. Г. Хасса и Р. Э. Туна т.3// пер. с англ., М.:Мир, 1968.

Фурман Ш. А. Тонкослойные оптические покрытия — Л.: Машиностроение, 1977 — с.

140.

Фурман Ш. А. Тонкослойные оптические покрытия — Л.: Машиностроение, 1977 — с.

141.

Физика тонких пленок т.3 // под. ред. Г. Хасса и Р.Э.Туна//пер. с англ. — М.: Мир, 1968 — с.12

;

DA1

R3

R2

C2

K1

C1

R1

t1

t2

t3

t4

r1

r2

r3

i

h

n

(/4 2((/4 3((/4