Устройство для интерферометрического контроля толщины тонких покрытий оптических элементов

(51) МПК НАЦИОНАЛЬНЫЙ ЦЕНТР ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНОЙ СОБСТВЕННОСТИ УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ ПОКРЫТИЙ ОПТИЧЕСКИХ ЭЛЕМЕНТОВ(71) Заявители Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Мозырский государственный педагогический университет имени И.П.Шамякина(72) Авторы Ропот Петр Иосифович Шепелевич Василий Васильевич Васильев Руслан Юрьевич Ропот Алексей Петрович Горбач Елена Анатольевна(73) Патентообладатели Государственное научное учреждение Институт физики имени Б.И.Степанова Национальной академии наук Беларуси Учреждение образования Мозырский государственный педагогический университет имени И.П.Шамякина(57) Устройство для интерферометрического контроля толщины тонких покрытий оптических элементов содержит источник лазерного излучения, оптически связанный с телескопической системой, делительным кубом со скошенной гранью,камерой и компьютером, между телескопической системой и делительным кубом со скошенной гранью помещена плоскопараллельная прозрачная пластинка с измеряемым покрытием, причем напылена только 1/4 часть пластинки угол скоса в делительном кубе со скошенной гранью обеспечен 5-7 интерференционными полосами в аппретурекамеры, а время экспозициикамеры соответствует условию 1/,где- время экспозиции,- частота основной высокочастотной составляющей производственных вибраций.(56) 1. Герасимова Л.А. Новый интерференционный метод измерения толщины и показателя преломления тонких пленок / Л.А. Герасимова // Оптический журнал. - 1998. - Т. 65, 2. - С. 78-82. 2. Москалев В.А. Интерференционный способ определения толщины прозрачных плоскопараллельных объектов патент СССР 1693371 / В.А.Москалев, Л.А.Смирнова // Бюл. изобр. - 1991. -43. Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована для измерения оптической толщины тонких пленок непосредственно при напылении многослойных покрытий. В 1 рассматривается измерение толщины тонких пленок, которое основано на регистрации двух составных интерференционных картин полос равной толщины. В предварительно отъюстированный интерферометр Физо (зеркала интерферометра параллельны друг другу) помещался исследуемый образец. Опорный и предметный пучки отражались от установленной под углом 45 светоделительной пластинки и формировали в плоскости телекамеры первую интерференционную картину. Для получения второй интерференционной картины зеркала интерферометра выводились из пучка света, и наблюдалась картина, сформированная лучами, отраженными первой и второй поверхностями исследуемого образца. В обоих случаях соблюдается нормальное падение света на исследуемое покрытие. Каждая интерференционная картина состоит из двух частей, сдвинутых друг относительно друга от покрытия, нанесенного на подложку, и собственно от самой подложки. Интерференция наблюдается в монохроматическом свете. Из значений смещения соответствующих частей интерференционных картин друг относительно друга определяют оптическую толщину покрытия с точностью до 5 нм. Геометрическая толщина покрытия может быть определена при проведении измерений на дополнительной длине волны. Устройство не применимо для контроля толщины покрытий в процессе их напыления. Известно устройство для определения толщины прозрачных плоскопараллельных объектов 2. Устройство содержит монохроматический источник света, оптически связанный с полупрозрачным зеркалом, непрозрачный экран для прикрытия половины одного из двух зеркал интерферометра и устройство точного перемещения второго зеркала. Монохроматический свет от источника, падая на полупрозрачное зеркало, делится на два пучка опорный и предметный. Предметный проходит через прозрачный плоскопараллельный объект и отражается от зеркала интерферометра Майкельсона. Опорный пучок,отражаясь от второго зеркала интерферометра, образует в плоскости наблюдения интерференционную картину. Затем часть первого зеркала прикрывают непрозрачным экраном и получают в плоскости наблюдения составную интерференционную картину. С помощью устройства точного перемещения меняют разность хода между частями интерференционной картины до их полного совмещения. Толщину объекта определяют на основании регистрации момента полного наложения интерференционных полос в обеих интерференционных картинах, а в качестве параметра принимают изменение длины опорного пучка. Точность данного устройства зависит от способа регистрации перемещения зеркала интерферометра. Устройство малопригодно для контроля толщины тонких покрытий в процессе их напыления. Задачей предлагаемой полезной модели является создание устройства, позволяющего контролировать толщину тонких покрытий непосредственно при напылении многослойных покрытий в вакуумных установках. Поставленная задача решается с помощью устройства для интерферометрического контроля толщины тонких покрытий оптических элементов. 72582011.04.30 Устройство для интерферометрического контроля толщины тонких покрытий оптических элементов содержит источник лазерного излучения, оптически связанный с телескопической системой, делительным кубом со скошенной гранью,камерой и компьютером, между телескопической системой и делительным кубом со скошенной гранью помещена плоскопараллельная прозрачная пластинка с измеряемым покрытием, причем напылена только 1/4 часть пластинки угол скоса в делительном кубе со скошенной гранью обеспечен 5-7 интерференционными полосами в аппретурекамеры, а время экспозициикамеры соответствует условию 1/,где- время экспозиции,- частота основной высокочастотной составляющей производственных вибраций. На фиг. 1 представлена схема заявляемого устройства, где 1 - источник лазерного излучения 2 - телескопическая система 3 - делительный куб со скошенной гранью 4 - предметный пучок 5 - опорный пучок 6 -камера 7 - компьютер 8 - плоскопараллельная прозрачная пластинка 9 - покрытие. Телескопическая система 2 необходима для расширения лазерного пучка,камера 6 - для регистрации интерференционной картины, компьютер 7 - для обработки интерферограмм. С целью повышения виброустойчивости, деление пучка на опорный 5 и предметный 4 и их наложение в плоскости наблюдения в заявляемом устройстве проводятся одним оптическим элементом - делительным кубом со скошенной гранью 3. Угол скоса выбирается таким образом, чтобы создать необходимую ширину интерференционных полос в плоскости наблюдения, т.е. обеспечить 5-7 полос в аппретурекамеры. Напыление исследуемого покрытия производится только на 1/4 часть плоскопараллельной прозрачной пластинки 8, что позволяет получить в поле зрениякамеры одновременно две жестко связанные интерференционные картины. По относительному смещению полос в этих картинах определяют толщину покрытия. При напылении тонких покрытий на оптические элементы в вакуумной установке ВУ 2 М в качестве плоскопараллельной прозрачной пластинки, на которую наносится покрытие, выступает свидетель. На фиг. 2 показано устройство делительного куба 3 со скошенной гранью. Технологически делительный куб со скошенной гранью можно изготовить из двух элементов, посаженных на оптический контакт первый - стандартный неполяризационный делительный куб второй - равнобедренная треугольная призма со скошенным на малый уголоснованием. На фиг. 3 показан исследуемый образец - плоскопараллельная прозрачная пластинка 8(свидетель) с нанесенным на 1/4 часть покрытием 9. На фиг. 4 и 10 представлены интерференционные картины, состоящие из двух жестко связанных между собой частей. Картины получены экспериментально для специально подготовленных образцов с толщиной покрытий /10 и /40. Результаты математической обработки этих интерференционных картин частично представлены на фиг. 5-9, 11-15 соответственно. На фиг. 16 приведены результаты измерения заявляемым устройством оптической разности хода при ее плавном изменении. В основу устройства положен известный интерферометрический способ контроля (по сдвигу интерференционных полос). Из-за высокой чувствительности к вибрациям он не 3 72582011.04.30 нашел широкого распространения для контроля толщины тонких покрытий в процессе их напыления. Считается, что любой производственный процесс изготовления изделия сопровождается механическими вибрациями и обеспечить стабильность интерференционной картины в таких условиях крайне сложно. Влияние вибраций можно существенно снизить, выполнив ряд условий. Для этого в первую очередь следует подобрать период интерференционной картины , намного больший средней амплитуды вибраций производственных машин (А), т.е. . Далее, для устранения влияния низкочастотной составляющей при регистрации интерференционной картиныкамерой следует выбрать малое время экспозиции , так чтобы 1/, где- частота основной высокочастотной составляющей вибраций. Данное условие также определяет мощность лазерного источника при заданной чувствительностикамеры. При выполнении указанных условий и равенстве интенсивностей предметного и опорного интерферирующих пучков обеспечивается высокая контрастность интерференционной картины. Анализ условий работы вакуумной установки ВУ-2 М показал, что при 1 и времени экспозиции 1 фиксируемаякамерой интерференционная картина имеет почти 100 контрастность и неразмытый синусоидальный профиль (фиг. 6-9 и 12-15). Вибрации средней частоты приводят к небольшому дребезжанию интерференционной картины, максимальное значение которого может достигать до 5-7 оти сказывается на точности измерения толщины покрытия. Для устранения эффекта дребезжания предлагается фиксация сложной интерференционной картины, состоящей из двух частей, зафиксированных в один и тот же момент времени. В одной из них присутствует внесенная разность хода за счет толщины покрытия, в другой - нет. Смещение частей на одной интерференционной картине обусловлено дополнительным оптическим путем предметного пучка, прошедшим через исследуемое покрытие. Сдвиг частей интерференционной картины друг относительно друга по мере увеличения толщины напыляемого покрытия растет, а знание показателя преломления покрытия позволяет оценить его толщину. В предлагаемом устройстве указанный подход реализуется за счет напыления покрытия только на 1/4 часть плоскопараллельной прозрачной пластинки. Устройство работает следующим образом. Расширенный телескопической системой 2(фиг. 1) световой пучок от источника лазерного излучения 1 падает на плоскопараллельную прозрачную пластинку 8, на которую напыляется покрытие 9. При этом, как указывалось выше, напыление покрытия 9 производится только на 1/4 часть пластинки 8. Прошедший через плоскопараллельную прозрачную пластинку 8 световой пучок делится делительным кубом со скошенной гранью 3 на два пучка, которые интерферируют в плоскостикамеры 6. Можно считать, что за плоскопараллельной прозрачной пластинкой 8 распространяется состоящий из двух частей пучок а) одна часть - предметный пучок 4, половина света которого проходит через напыляемое покрытие 9 и приобретает набег фазы б) вторая часть - опорный пучок 5, проходящий только через ненапыляемую половину пластинки 8. Делительный куб со скошенной гранью 3 обеспечивает схождение указанных пучков под небольшим углом в плоскостикамеры.камера 6, так же как и делительный куб со скошенной гранью 3, находится за пределами вакуумной камеры (на фигурах не показана). Излучение вводится и выводится в рабочую область вакуумной камеры через специально предусмотренные заводом-изготовителем фотометрические окна. Для вакуумной установки ВУ-2 М предпочтительнее устанавливатькамеру (систему регистрации) в верхней части, в непосредственной близости от фотометрического окна, где находится плоскопараллельная пластинка (свидетель). Для формирования интерференционной картины с большим периодомнеобходим соответствующий угол схождения предметного и опорного пучков. Известно, что период интерференционной картины определяется соотношением/,где- расстояние от плоскопараллельной пластинки до плоскостикамеры,4 72582011.04.30- расстояние между мнимыми источниками, формируемыми делительным кубом, - длина волны источника лазерного излучения. Для малых угловможно положить/, и при периоде интерференционной картины 1 уголсоставляет десятые доли градуса. При использовании широко распространеннойкамеры с параметрами размер приемника 77 мм размер пикселя 6,4 мкм количество пикселей 10241400 время экспозиции 0,1 мкс 1 с, в камеру попадает 6-8 интерференционных полос, что достаточно для набора статистики. Регистрируемаякамерой 6 интерференционная картина (фиг. 4, 10) обрабатывается компьютером 7,который по относительному смещению полос определяет оптическую разность хода. Последняя в свою очередь связана с геометрической толщиной наносимого покрытиясоотношением опт. В заявляемом устройстве регистрируемая величина точности сдвига может составлять до 0,01 полосы. Погрешность определения толщины покрытия в этом случае составляет единицы нанометров при работе в видимой области спектра. Работоспособность заявляемого устройства была проверена на тестовых образцах. Для этой цели были изготовлены 5 образцов, на 1/4 часть поверхности которых было нанесено покрытие толщиной /40, /20, /10, /4, /2 для 0,6328 мкм. Причем последние два образца были изготовлены с точностью не хуже /50. Точность изготовления остальных образцов была несколько ниже. Для образцов /2 (316,4 нм) и /4 (158,2 нм) обработка экспериментально полученных интерферограмм с применением заявляемого устройства дала значения 310,24 и 161,14 нм. Если принять тестовые образцы за идеальные, то погрешность измерения составила около 3 . Если же учесть, что образцы изготовлялись с точностью не хуже /50 (12 нм), то судить о точности проведенных измерений не представляется возможным. На фиг. 4 и 10 представлены интерференционные картины для толщин покрытий /10 и /40 соответственно. Картины состоят из двух жестко связанных между собой частей(верхней и нижней) - результат прохождения опорного и предметного пучков через один цельный оптический элемент. Результаты математической обработки этих интерференционных картин частично представлены на фиг. 5-9 и 11-15. Обработка проводилась в компьютерной среде . Полученные срезы апроксимировались рядом Фурье (фиг. 6-9 и 12-15, плавные линии). Здесь представлены два срезаидля верхней (на уровне 100 и 200 пикселей) и два срезаидля нижней (на уровне 700 и 800 пикселейкамеры) частей интерферограмм. Реально обработка проводится по большему числу срезов, так как это повышает точность расчетов. Далее программа определяет положения локальных минимумов (максимумов) для верхней и нижней частей интерферограмм, и на основании этих данных находится среднее значение сдвига интерференционных полос в пикселях(фиг. 5 и 11). Затем с учетом среднего значения периода интерференционной картины сдвиг переводится доли длин волн используемого источника лазерного излучения. Для наглядности на вставке фиг. 5 и 11 показан увеличенный фрагмент, содержащий сдвиг между верхними и нижними полосами. Результаты расчетов оптической толщины тестовых покрытий с /10 и /40, полученные из интерферограмм заявляемым устройством,составили 0,0652 и 0,0151 мкм соответственно. О точности измерения здесь судить сложно, так как она выше, чем точность изготовления самих тестовых образцов. Компьютер позволяет производить обработку интерферограмм в режиме реального времени, что дает возможность проводить контроль толщины покрытий при их напылении в условиях производства. Дальнейшее исследование заявляемого устройства проводилось на голографическом столе, где в качестве модели покрытия с изменяющейся толщиной использовалась плоскопараллельная прозрачная пластинка, перекрывающая часть предметного пучка. При этом имитация изменения толщины покрытия проводилась путем поворота плоскопараллельной прозрачной пластинки относительно лазерного пучка на угол . Преимущества 5 72582011.04.30 такого подхода заключаются в том, что толщину покрытия можно было изменять плавно через равные интервалы. Результаты данного тестирования приведены на фиг. 16. Изменяя оптическую разность хода между опорным и предметным пучками путем поворота плоскопараллельной прозрачной пластинки, была получена серия из 50 интерференционных картин. Их последовательная обработка дает значения сдвига интерференционных полос, отмеченных на фиг. 16 точками. Здесь же приведена и теоретическая крива(сплошная линия) зависимости разности хода лучей от угла поворота плоскопараллельной прозрачной пластинки при заданных ее геометрических параметрах. Максимальное различие в экспериментальных и теоретических значениях сдвига полос (следовательно, и толщины покрытия), составляющее до 10 нм, связано с тем, что в ходе этого эксперимента мы не смогли обеспечить выполнение одного из условий виброустойчивости - прохождение опорного и предметного пучков через один цельный оптический элемент. Голографический стол не в полной мере гасил вибрации, и многократное повторение измерений показало случайность указанных отклонений. Национальный центр интеллектуальной собственности. 220034, г. Минск, ул. Козлова, 20. 8