Интерференционный способ измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной толщины

а А/Оосл;г . - ,.1 г/гг гятн 1 гП Й ."А О С НИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ Своз Советских Социалистическик Республик(22) Заявлено 09,1277 (21) 2553 б 18/18-25с присоединением заявки Нов(53)м. Кл. 6 01 Я 21/4 б Государственный комитет СССР по делам изобретений и открытий,4 (088,8) Дата опубликования описания 3005.80(72) Авторы изобретения Б.М. Комраков и Б,А. Шапочкин Московское ордена Ленина и ордена Трудового Красного Знамени высшее техническое училище имени Н.Э,Баумана(54) ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫЙ СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ПЛЕНОК ПЕРЕМЕННОЙ ТОЛЦИНЫ Известен способ измерения показателя преломления диэлектрических плеО нок 1). Согласно этому способу пленку постоянной толщины, нанесенную на подложку (прозрачную или непрозрачную), освещают под углом падения, ли близким к нулю, параллельным пучком 15 д света. Изменяют непрерывно длину вол- р ны и в проходящем или отраженном све- ч те регистрируют интенсивность света, м которая представляет собой зависимость с чередующимися максимумами и минимумами, Далее определяют величи- м ны экстремумов коэффициента пролус- р кания или отражения и соответствующие пл им точные значения длин волк, Используя известный показатель преломления 25 подложки и найденные экстремумы коэф- ч фициента пропускания или отражения В по формуле, связывающей эти величины, определяют показатель преломления пленки для длин волн, соответст" Изобретение относится к областиисследования оптических покрытий ипреимущественно может использоватьсядля определения оптических константдиэлектрических пленок переменнойтолщины,вующих экстремумам. Погрешность определенйя показателя преломления пленок спектрофотометрическим способом составляет величину пЬрядка (1-2).Однако данный способ практически не обеспечивает требуемой точности для пленок переменной толщины, Это объясняется тем, что в основу Формулы, по которой определяется показатель преломления при спектрофотометрическом способе заложена постоянная толщина пленки. Поэтому, естолщина пленки переменная,1 необхоимо уменьтаить поле зрения регистриующего прибора до такой степени, тобы в пределах этого поля толщину ожно было считать постоянной. Однако при этом сильно падает энергия регистрируемого светового пучка. Крое того, даже незначительные смещения егистрирукдцего прибора относительноенки вызывают дополнительное изменение интенсивности регистрируемого пучка из-за вариации толщины пленки, то практически невозможно учесть. се это снижает в несколько раз точность спектрофотометрического способа при контроле ттленок переменной толщины.О г Наиболее близким техническим решением к изобретению является интерференционный способ измерения показа теля преломления диэлектрических пленок переменной толщины, включающийизменение угла падения освещающегопленку пучка монохроматического света (2.Интенсивность отраженного от некоторого участка пленки света эависит от угла падения и имеет вид чередующихся максимумов и минимумов.Регистрируют два экстремума (не обязательно соседние) интенсивности иФиксируют соответствующие пм углы падения. Регистрируемая интенсивностьявляется усредненной по некоторомуучастку пленки, Эти два угла и количество экстремумов, подсчитанных между двумя Фиксированными экстремумами, позволяют определить показательпреломления пленки при условии, что 20ее оптическая толщина известна с погрешностью, не превышающей величины,соответствующей одному порядку интерФеренции. При нормальном падении све-та на пленку йорядок интерФеренциисоответствует Л/2 ( А - длина световойволны). В данном способе оптическаятолщина пленки с необходимой точностью определяется путем подсчетаинтерференционных полос на пологойступеньке, которая обычно имеетсяна краю пленки. Известный способ поз-валяет определить показатель преломления в пленках постоянной толщинына любой длине волны с погрешностьюпорядка нескольких десятых процента,при этом подложка, в общем случаеможет быть неплоской.Недостатком прототипа являетсянизкая точность определения показа- . " теля преломления в 6 ленках переменной толщины, В таких пленках при ос"вещении монохроматическим светом возникают интерференционные полосы ипри изменении угла падения интенсивности отраженного света, усредненнаяпо некоторому участку пленки, будетносить настолько сложный характер,что Фиксирование ее.для двух и болееуглов падения не позволяет определить показатель преломления пленкис требуемой точностью, Поэтому наплактике при реализации известногоспособа г(ля измерения пленок переменной толщины обеспечивают малое " "Нолезрения региструрующего устройства, в пределах которого толщину пленки можно считать постоянной. Это приводит к падению мощности региСтрируемого отраженного пучка света. Кроме" того, практически невозможно исклю " чить смещения малого поля зрения ре- щгистрирующеГо устройства бтносительио пленки при изменении угла падения. Из-за этих Факторов точностныевоэможности спосога-прототипа приизмерении показателя преломления пленок переменной толщины в несколько раэ ниже по сравнению с измерением пленок постоянной толщины.Целью изобретенияявляется повышение точности измерения показателя прелоиленйя диэлектрических пленок переменной толщины, что является важной задачей, например, при изготовлении оптических асферических поверхностей методом нанесения дополнительного слоя вещества в вакууме.Укаэанная цель достигается тем, что измеряют ширину полос не менее чем для двух углов падения и вычисляют показатель преломления материала пленки по формулепЦЬ ( ) где Ь,Ь - ширина интерференционнойполосы при углах падения. Е, и Е соогветственно.Кроме того, уточняющим признаком способа является то, что изменение угла падения освещающего пленку пучка осуществляют в плоскости, параллельной ингерференционным полосам в пленке и перпендикулярной ее поверхности.В этом случае наблюдаемое изменение ширины полосы полностью обуславливается изменением угла падения световых лучей на пленку и не требуетсявведения дополнительных поправок, учитывающих проекционные искажения интерференционной полосы.Способ позволяет определить показатель преломления в пленках переменной толщины не измеряя оптическую толщину пленки ни в одной ее точке. Однако, если оптическая тблщина пленки иэвестна в какой-нибудь ее точке с погрешностью не превышакщей величины, соответствующей одному порядку интерференции (также, как в прототипе), то показатель преломления пленки можно определить по результатам измерения ширины полосы для одного угла падения и смещения полосы при переходе к другому углу. Однако это является частным случаем данного способа, и расчетную Формулу можно получить из Формулы (1) путем простых преобразований.Йа Фиг. 1, 2, 3 изображена в трех проекцияХ схема, поясняющая ориентацию освещающего пучка относительно исследуемой пленки; на фиг, 4 представлена оптическая схема устройства для реализации предлагаемого способа.На исследуемую пленку 1 падает пучок 2, или 2 монохроматическогос света под углом падения 6 или Я соответственно. Оптическая разность хода Ь межцу интерферирующими лучами З(3 ) подсчитывается по Формулесгде 1 - толщина пленки в месте падения луча 1и - определяемый показатель преломления материала пленки;Е - угол паенияВ формуле (2) опущена дополнительная разность хода Л /2, возникающаявследствие изменения фазы при отражении волны о-. оптически более плотной среды, 1 ак как в данном случаеэто не влияет на получение окончательной формулы. Пленку переменнойтолщины на небольшом участке можнорассматривать как клин с углом 8Плоскость главного сечения клина лежит в плоскости УО 2, а изменение угла падения освещающего пучка осуществляется в плоскости ХОУ, Этим выполня.ется уточняющий признак, указанныйвыше, Возникающие в пленке при углепадения Ь ( б ) интерференционные по 2лосы 4 (4 ) представляют собой равноотстающие прямые линии, параллельные оси ОХ, Ширина полос Ъ опреде-ляется иэ формулы (2) и может бытьзапйсана в следующем видеА2 В /пф - а 1 Т 6(3) 25 40 4550 5 Определив ширину полосы Ъ 1 при углепаденияи Ь при 6, имеем двауравнения с двумя неизвестными и и О .Исключая 9, получим расчетную Формулу (1) для вычисления показателя преломления диэлектрических пленок переменной толщины.Представленное на фиг. 4 устройство, реализующее способ, содержит исследуемую пленку 1, источник света 5,регулируемое по положению зеркало 6,поворотный столик 7, иа котором устанавливается исследуемый образец спленкой 1. (Подложка, на которую на"несена пленка не показана, так какее оптические свойства совершенноне влияют на результат измерения показателя преломления плевки даннымспособом) . Исследуемая пленка размещается на столике 7 в соответствиис фиг. 1-3, т,е. в плоскости чертежатолщина пленки постоянна, а,в плоскости, ей перпендикулярной, толщинапленки переменная, Следовательно, иитерференционные плосы, возникающиев пленке, расположены параллельноплоскости чертежа. Наблюдение полос осуществляется через интерференциониый фильтр 8 и микроскоп, состоящий из объектива 9 и окуляра 10, Микроскоп сфокусирован на точку пленки, лежащую на оси вращения. С помощью полупрозрачной пластинки 11 свет попадает на фотоэлектрическое приспособление 12, измеряющее изменеийе ширины интерференционных полос. Сущест вуиюцие в настоящее время фотоэлектрические устройства позволяют выполнить измерение смещений интерфереициоиных полос, а, следовательно, и измерений 5 О 15 20 30ширины полос, с погрешностью не превышающей 0,005 ширины полосы. Устройство работает следующим образом.При некотором угле падения Е( иэ-,меряЫт 6)ирину полосы Ь с помощьюфотоэлектрического приспособления 12.Эатем поворачивают пленку вокругоси 02 (ось, перпендикулярная плоскости чертежа) и 1 обеспечивают другойугол падения Б , при котором измеряютширину полосы Ь . Для сокращения размеров источника света 5 примененозеркало 6, положение которого регулируется так, чтобы лучи света от источника попадали после отражения отпленки в наблюдательный микроскоп.Углы 6, б фиксируются с помощьюдойолнительного приспособления (начертежах не показайО). Удобно в качестве базового прибора использоватьвыпускаемые промышленностью гониометры-спектрометры, В этом случаепри установке исследуемого образцас пленкой на поворотный столик гониометра, угол поворота этого столикаможет быть зафиксирован с очень высокой степенью точности (погрешностьпорядка нескольких секунд) . Измеренные величины б, 6 , ЬЬ позволяют по формуле (1) вычислить показатель преломления пленки,Изобретение позволяет измеритьпоказатель преломления материала пленок переменной толщины с более высо кой точностью, чем известные в настоящее время способы. формула изобрет ения де Ь сы при угл р соотв Ь - ширина полпаденияственно,пособ по п. 1,с я тем, что иэя освещающего пляют в плоскости,еренционным полоендикулярной ее 2. Сщийпадениществлянтерфи перп тличаюенение угланку пучка осупараллельнойам в пленкеоверхности. 1. Интерференционный способ измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной тол щииы, включающий изменение угла падения освещающего пленку пучка моно- хроматического света, о т л и ч а ю щ и й С"я тем; что, с целью повышения точности измерения показателя преломления диэлектрических пленок переменной толщины, измеряют ширину полос не менее чем для двух углов падения и вычисляют покаэатель преломления материала пленки по формуле: Ь э 1 пПб Ь Э 1 п Ьйи -737817 Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1, Раков А.В. Спектрофотометриятонкопленочных йолупроводниковыхструктурр М 1975, с. 71-76. 2, И,А. Р 11 в 11 п, В.Р. ЕвсЬ, Вейгас 11 че 1 пйех ой 810 Г 11 пв Ьгоип оп з 111 соп, 3 оцгпа 1 оГ 1 ерр 11 ей РЬув 1 сз, 1965, ч. 36, Р б, р, 2011- 2013 1 прототип). Див.Гусе Составитель Техред М. Пет Корректор М. Ша 19,арственногзобретенийЖ, Ра Тираж 10 ЦНИИПИ Госуд по делам и 113035, Москваал ППП Патент, г. Ужгород, ул, Проектн Редактор Н. КолЗаказ 2653/24. Подписноекомитета СССРоткрытийсная наб д. 4Ф