 |
Интерференционный метод контроля.
|
|
|
|
Интерференция света определяет результаты при измерении толщины пленки любым оптическим методом. С этой точки зрения все они являются интерференционными. Тем не менее, термином "интерференционные" обозначают только те методы, которые измеряют положение интерференционных полос, полученных с помощью специальной аппаратуры. Эти методы широко применяются для измерения толщин тонких пленок благодаря высокой точности и надежности получаемых результатов. Явление многолучевой интерференции между двумя сильно отражающими поверхностями было применено для контроля среднего слоя металл-диэлектрического фильтра. Трудность получения таких фильтров с заданным положением полосы пропускания заключается в том, что требуемая толщина среднего диэлектрического слоя зависит от скачка фазы на границе диэлектрик - металл и может быть определена только после нанесения второго зеркала. Точность контроля оптической толщины, достигнутая таким способом, составляет примерно 0,4%.
В устройстве, использующем двухлучевую интерференцию для измерения толщины наносимой в вакууме пленки, параллельный пучок света освещает плоское зеркало. На половину зеркала наносится исследуемая пленка, вторая половина зеркала экранирована от паров вещества. Таким образом, от зеркала отражаются две плоские волны, сдвиг фазы между которыми определяется оптической толщиной пленки. Величина сдвига измеряется поляризационным интерферометром, расположенным вне вакуумной камеры. Известен способ применения интерферометра с двумя щелями. Пленка на подложке помещается в пучок света, идущий через одну из щелей, во вторую щель попадает свет, идущий только через подложку.
|
|
|
Несмотря на высокую точность, интерференционный метод контроля не получил широкого применения из-за ряда, присущих ему существенных недостатков:
Невозможность контроля непосредственно по вращающейся детали.
Снижение точности контроля при нанесении "тонких" ("нечетверть-волновых") слоев, особенно в УФ диапазоне спектра.
Необходимость проведения, каждый раз заново, специальной градуировки в случае нанесения металл-диэлектрических покрытий из-за необходимости учета величины скачка фазы на границе
диэлектрик - металл.
Относительная сложность и дороговизна аппаратуры.
3.5. Фотометрический метод.
Рассматриваемый метод основан на обработке прошедшего через плоскопараллельную пластину или отраженного от нее светового потока, величина которого является функцией оптических толщин наносимых слоев. Дифференцирование изменяющегося светового потока или использование совместно с фотометрическим, "кварцевого" метода, дает информацию о скорости формирования пленки на поверхности подложки. При этом, о толщине пленки судят по известной зависимости коэффициента пропускания Т (отражения - R) от оптической толщины:
где: 
- фазовая толщина пленки; d и n - геометрическая толщина и показатель преломления наносимой пленки; lф - длина волны фотометрирования; А, В и С - коэффициенты, зависящие от показателей преломления подложки, обрамляющей среды, предварительно осажденных слоев и их толщин.
Ввиду многообразия существующих систем фотометрического контроля толщины наносимых пленок достаточно сложно систематизировать и условно их можно классифицировать по следующим признакам:
По количеству оптических каналов - одно и двух лучевые (с опорным каналом).
По используемому спектральному диапазону - монохроматические, дихроматические, работающие в широком спектральном диапазоне.
|
|
|
По способу определения момента достижения пленкой заданной оптической толщины:
- "экстремальный" способ, при котором остановка процесса формирования пленки происходит в момент, когда первые производные фотосигналов по времени 
равны нулю;
- способ остановки по отсчетам, когда прекращение процесса происходит в момент достижения фотоэлектрическим сигналом заранее рассчитанных значений;
- балансный метод - когда остановка происходит в момент равенства двух фотоэлектрических сигналов;
- метод "спектровизора", когда о достижении слоем заданной толщины судят по степени максимального приближения спектрального распределения коэффициента пропускания (отражения) сформированного покрытия к расчетной спектральной кривой и т.д.
По объекту контроля: контроль непосредственно по детали (деталям); контроль по одному или по сменным образцам (каждый слой на свой "свидетель", каждый материал на свой "свидетель"); контроль по заранее подготовленному "свидетелю" (предварительно нанесенная пленка на часть или на всю поверхность образца).
По способу математической обработки фотоэлектрических сигналов, позволяющим более достоверно определять моменты достижения слоями толщин, обеспечивающих максимальное соответствие расчетных и изготовленных спектральных характеристик оптических покрытий.
Остановимся более подробно на некоторых, наиболее характерных способах и системах контроля.
Рассмотрим двухканальную систему (второй канал - опорный) фотометрического контроля.
Типовая оптическая схема, применяемая для реализации этого метода, представлена на рис.3.2.
Построенная таким образом схема контроля позволяет (в зависимости от варианта исполнения) реализовать различные варианты контроля:
контроль путем регистрации экстремумов пропускания (отражения) для некоторой фиксированной длины волны падающего излучения;
контроль путем регистрации момента достижения нуля производной 
; 
в некотором небольшом интервале длин волн падающего излучения;
контроль регистрации пропускания (отражения) в двух длинах волн падающего излучения;
контроль регистрации пропускания (отражения) в широком спектральном диапазоне;
|
|
|
Контроль путем регистрации пропускания (отражения) при таких длинах волн, для которых эти параметры меняются наиболее резко;
контроль "по отсчетам" изменения пропускания (отражения).
Методы контроля первой группы основаны на использовании общего принципа, который становится ясен при рассмотрении формул, описывающих спектральное пропускание или отражение формируемой диэлектрической системы от показателей преломления и толщин осаждаемых слоёв. Действительно, при оптических толщинах слоев, кратных 
и регистрации пропускания (отражения) на длинах волн l0, должны наблюдаться экстремумы изменения этих величин. Для слоев, оптические толщины 
которых не кратны 
как видно из тех же формул, можно перейти на другие длины волн l, на которых в пропускании (отражении) тоже будут наблюдаться интерференционные экстремумы.
Для контроля слоев, толщина которых не кратна или гораздо меньше применяется следующий прием: сначала подложки, на которые необходимо нанести такой слой, закрыты, а напыление слоя производится на контрольную подложку-"свидетель" до толщины, равной . Затем, длину волны падающего излучения меняют и открывают подложку, испарение прекращается при достижении интерференционного экстремума, соответствующего длине волны l1 на контрольной подложке. Ясно, что в этом случае на подложках осаждается слой, оптическая толщина которого равна: 
.
Для контроля слоев, толщина которых не кратна , может быть использован метод, в котором точечный источник света заменяют лазером и контролируют слои, кратные , а неравнотолщинность слоев обеспечивается за счет изменения расстояния от испарителя до контрольной подложки (при этом используется набор из нескольких контрольных подложек, расположенных на разной высоте). Однако, точная регистрация положения экстремумов затруднена вследствие того, что пропускание (отражение) вблизи экстремумов изменяется слабо: малым изменениям сигналов соответствуют большие изменения оптических толщин. Для увеличения точности существуют методы и системы, регистрирующие сигнал, амплитуда которого пропорциональна 
; вблизи l0. В этом случае фотометрический сигнал вблизи оптических толщин, кратных меняется более резко, точность контроля оптической толщины увеличивается. Оптическая схема такой системы контроля аналогична схеме, представленной на рис. 3.2. Для получения фотоэлектрического сигнала, пропорционального , применяется сканирование спектра вблизи l0 (выходное зеркало монохроматора осциллирует с частотой w, перед выходной щелью устанавливается диафрагма, попеременно с частотой w закрывающая различные участки выходной щели, на модулирующий вход ФЭУ подается последовательность импульсов с частотой w).
|
|
|
Примечание: если вместо выходной щели в системе контроля используется ПЗС-матрица, то попеременно, с частотой w, происходит "опрос" ячеек матрицы, находящхся симметрично относительно ячейки, фиксирующей излучение на длине волны l0. ПЗС-матрица применяется в "спектровизионных" спектрофотометрических системах, позволяющих получать информацию (в реальном масштабе времени) об энергетических параметрах формируемого покрытия в широком спектральном диапазоне.
Идея спектровизора нашла свое продолжение в акустооптических спектрофотометрах (АОС), "сердцем" которых является светосильный монохроматор на основе электронно-управляемых акустооптических фильтров - (АОФ). АОФ представляет собой синтетический монокристалл, в котором ультразвуковой волной создается дифракционная решетка; длина волны пропускания АОФ определяется периодом этой решетки, который задается частотой напряжения прикладываемого к пьезопреобразователю АОФ.
При изготовлении многослойной системы нанесение очередного j-го слоя заканчивается после того, как основные элементы спектральной характеристики j-слойной системы достигли заданного вида или величины, например, при контроле слоев диэлектрического зеркала, состоящего из четвертьволновых слоев с чередующимися показателями преломления. Одной из задач спектрофотометрического контроля является совмещение экстремума спектральной кривой покрытия с длиной волны l0. При значительной дисперсии показателей преломления пленкообразующих материалов приходится измерять всю спектральную кривую в окрестности главного максимума. Задача, однако, сильно упрощается, если дисперсией показателей преломления можно пренебречь, тогда спектральные кривые покрытия после добавления очередного четвертьволнового слоя остаются симметричными относительно главного экстремума в шкале частот или волновых чисел. При этом, возможен контроль по двум длинам волн таким образом, чтобы при толщине слоя кратной , коэффициенты пропускания покрытия 
(отражения 
) были одинаковы. Легко доказать, что это возможно, если выполняется равенство:
|
|
|
Недостатком данного метода является то, что это равенство выполняется только для полностью четвертьволновых покрытий и при отсутствии дисперсии показателей преломления пленкообразующих материалов.
Перечисленные выше методы контроля не требуют для своей реализации вычислительной работы, если контроль ведется непосредственно по напыляемому образцу. В противном случае, при контроле покрытий с оптическими толщинами слоев, не кратными , необходимо предварительно рассчитать значения l, при которых фотоэлектрический сигнал имеет экстремум при нужной оптической толщине слоя.
Известны методы контроля "по отсчету", когда процесс осаждения нечетвертьволнового слоя прекращается при достижении фотоэлектрическим сигналом заданного, предварительно рассчитанного значения, соответствующего коэффициенту пропускания (отражения) слоя с оптической толщиной 
. Недостатком такого способа контроля является его высокая чувствительность к колебаниям показателей преломления материалов и их дисперсии. В принципе, задача реализации неравнотолщинных покрытий может быть решена путем применения "свидетеля" и выбора длины волны, для которой при нужной оптической толщине слоя пропускание имеет экстремум. Однако, использование "свидетеля" имеет серьезный недостаток, связанный с неидентичностью условий формирования слоя на подложке и "свидетеле", а контроль по экстремумам, в свою очередь, не отличается высокой чувствительностью.
Для реализации неравнотолщинных покрытий может быть использован метод контроля, суть которого в следующем. Пусть контроль ведется по пропусканию напыляемого покрытия. Тогда ошибка 
, определяемая оптической толщиной j-го слоя связана с ошибкой пропускания DT:
При контроле непосредственно по напыляемому покрытию регистрируемый световой поток состоит из линейно меняющейся, пропорциональной пропусканию части и из периодически меняющейся составляющей. Последняя обязана своим прохождением частичному прерыванию светового потока оправками подложек. Очевидно, что ошибка измерения пропускания в данном случае пропорциональна пропусканию:
где: a - коэффициент пропорциональности, зависящий от качества измерительной системы (обычно a@0,02).
Тогда из последних двух формул получаем:
Правая часть выражения зависит от длины волны, на которой ведется контроль. Выбирается такая длина волны, при которой правый сомножитель в выражении для имеет минимальное значение. При этом, минимальна и ошибка контроля. Используя известное выражение для комплексного амплитудного коэффициента отражения непоглощающего покрытия, получают аналитическую зависимость для определения ошибки контроля оптической толщины j-го слоя:
rj - модуль коэффициента отражения на длине волны l на границе раздела j-го слоя и предшествующей ему интерференционной системы;
;
к - порядок интерференции.
Точность изготовления многослойных интерференционных покрытий с использованием описанного метода в 2¸3 раза выше, чем при "экстремальном" контроле.
Завершая обзор фотометрических методов контроля, следует отметить зависимость точности контроля оптических толщин слоев от режима регистрации экстремумов фотоэлектрического сигнала - по пропусканию или по отражению. Точность контроля j-го слоя при регистрации экстремумов отражения может быть вычислена по формуле:
При одинаковой точности определения R и Т в начале формирования многослойной системы, когда 
малы:
Следовательно, точность контроля оптической толщины по отражению выше, чем по пропусканию. Если 
велико (обычно после нанесения пяти-семи слоев), то
Точность контроля по отражению в этом случае ниже, чем по пропусканию. Таким образом, при выборе режима работы системы контроля необходимо учитывать зависимость точности работы системы контроля от номера наносимого слоя.
Фотометрические методы позволяют также вести контроль показателей преломления наносимых слоев. Если используется контроль по экстремумам пропускания, то при большем числе наносимых слоев (rj ≈1) показатель преломления наносимого слоя может быть приближенно (с точностью ±0,05) вычислен по формуле:
;
где: Т1 - максимальное пропускание;
Т2 - минимальное значение пропускания системы слоев (со слоя, оптические параметры которого определяются).
Анализ всех рассмотренных в обзоре спектрофотометрических методов и систем контроля толщин слоев в процессе их формирования, позволяет утверждать, что несмотря на то, что данные методы, не являясь косвенными, позволяют вести контроль непосредственно оптических толщин слоев, тем не менее обеспечиваемая ими относительная погрешность контроля находится на уровне 1¸2%, а возможность удовлетворительного контроля "тонких" нечетвертьволновых слоев крайне ограничена 
. Эти ограничения очень существенны при изготовлении современных оптических покрытий с требованием к воспроизводимости оптических толщин с точностью не ниже 0,2¸0,3% и оптическими толщинами порядка 20 нм и менее.
Глава 4
|
|
|
