И. В. ГОНЧАР, А. С. ИВАНОВ, А. Б. ФЕДОРЦОВ
Национальный минерально-сырьевой университет «Горный», Санкт-Петербург
ЛАЗЕРНЫЙ ИНТЕРФЕРОМЕТРИЧЕСКИЙ МЕТОД КОНТРОЛЯ ТОЛЩИНЫ ПЛЕНОК
И ПРИБОР ДЛЯ ЕГО РЕАЛИЗАЦИИ
Предложен новый комбинированный метод измерений толщины диэлектрических и полупроводниковых плёнок в диапазоне от 01.01.01 мкм, который реализован в быстродействующем лазерном интерферометре. Описаны методы математической обработки сигнала, оптико-механический и электронный тракт, программное обеспечение и результаты испытаний прибора.
В настоящее время для контроля толщины слоев и пленок, прозрачных в видимой, или инфракрасной областях спектра, широко используются лазерные интерференционные методы. Одним из немногих методов, пригодных для измерения толщин «толстых» плёнок (10-........1000 мкм), является лазерно-интерферометрический метод, предложенный Оямой и Мори [1]. Он позволяет измерить толщину пленки из угловой зависимости коэффициента отражения, подсчетом числа экстремумов, возникающих при изменении угла падения зондирующего лазерного луча на пленку в заданном угловом диапазоне.
Этот метод лег в основу разработанного и изготовленного нами быстродействующего лазерного интерферометра [2, 3]. Прибор обеспечивал 50 измерений в секунду, причём время одного измерения удалось снизить с 10 с [1] до 2·10-3 с, что позволяет исследовать кинетику изменения толщины жидких плёнок. Погрешность определения толщины плёнок составляла единицы микрон. Для решения ряда задач требуется большая точность.
В результате разработки новых технических решений [4, 5] и создания методов математической обработки сигнала, реализованных в виде специализированного программного обеспечения [6] мы предложили и запатентовали [7, 8] новый комбинированный высокоточный метод измерения толщины “толстых” плёнок.
Предложенный метод математической обработки данных включает в себя: подсчет общего количества интерференционных максимумов зависимости коэффициента отражения R(θ) пленкой зондирующего луча (θ – изменяющийся в заданном диапазоне угол падения луча на пленку); предварительное определение диапазона толщин пленки подсчетом числа интерференционных максимумов; выделение из общего вида получаемой экспериментальной зависимости R(θ) полупериода, в котором находится значение коэффициента отражения R, соответствующее выбранному заранее углу и считывание этой величины R; расчет теоретической зависимости коэффициента отражения от толщины пленки R(d), соответствующей выбранному значению θ; построения функции d(R), обратной для полупериода функции R(d); нахождения точного значения толщины пленки d по значению аргумента из построенной кривой d(R).
Технические характеристики интерферометра: частота дискретизации входного сигнала 3 МГц; диапазон измеряемых толщин: 10 – 1000 мкм; время одного измерения: 3 10-4 с; погрешность измерений: 150 нм.
Список литературы
1. Ояма Т., Мори Д. Оптический метод измерения однородных толщин прозрачных твердых и жидких пленок в диапазоне около 0,01…1 мм. Приборы для научных исследований. 1987. №10. C.70–75.
2. Fedortsov A. B., Letenko D. G., Churkin Yu. V., Torchinski I. A., Ivanov A. S. A fast operating laser device for measuring the thicknesses of transparent solid and liquid films. Review of Scientific Instruments. 1992. V.63. N7. P..
3. Цинципер Л. М., Федорцов А. Б., Летенко для исследования кинетики растекания и испарения жидких пленок в реальном масштабе времени. Приборы и техника эксперимента. 1996. №1. C.154-157.
4. Иванов А. С., Манухов В. В., Федорцов А. Б., Чуркин прибор для контроля угловой зависимости коэффициента отражения лазерного луча». Известия ВУЗов, Приборостроение. 2011. Т.54. №3. С.61–64.
5. Федорцов А. Б., Прокофьева гелий-неонового лазера в интерференционном методе измерения толщины пленок. Электронная техника (материалы), 1974. №4. C.117.
6. Программа для обработки данных программно-аппаратного комплекса «Автоматизированный быстродействующий лазерный интерферометр для контроля толщины прозрачных твердых и жидких пленок. Свидетельство о государственной регистрации программы для ЭВМ, №.
7. Гончар И. В., Иванов А. С., Федорцов повышение точности лазерно-интерферометрического метода измерения толщины «толстых» неметаллических пленок. Научно-технические ведомости Санкт-Петербургского государственного политехнического университета, серия физико-математические науки. 2012. №3. С.48–56.
8. Федорцов А. Б., Иванов А. С., Гончар И. В., Манухов для неразрушающего измерения толщины диэлектрических и полупроводниковых плёнок. Патент на полезную модель № 000. Зарегистрировано в Госреестре полезных моделей РФ 20 сентября 2012 г.
