Способ измерения толщины тонких слоев

СОЮЗ СОВЕТСКИХСОЦИАЛИСТИЧЕСКИХРЕСПУБЛИК 09) (1) 51)5 601 В 110 ИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕН К АВТОРСКОМУ С ЕТЕЛЬСТВУ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТПРИ ГКНТ СССР 1(71) Черновицкий государственный университет им. Юрия федьковича(56) Поль Р.В. Оптика и атомная физика. -М.: Наука, 1966, с.256, 109,Комраков Б.М., Шапочкин Б,А, Измерение параметров оптического покрытия. - . М,:Машиностроение, 1986, с,59-75,(54) СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ТОЛЩИНЫТОНКИХ СЛОЕВ Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения толщин тонких слоев.В метрологии тонких пленок наибольший интерес представляют такие методы определения толщины, которые одновременно позволяют определить и показатель преломления вещества. Это связано с тем, что в процессе технологических операций показатель преломления может существенно изменяться, внося дополнительную погрешность в процесс измерения толщины, кроме того, для тонких слоев важно учесть, что показатель преломления поверхности может на 10 отличаться от показателя преломления внутри слоя.Область толщин 0,3-1 мкм остается наименее обеспеченной в метрологическом плане, Отсутствие йростых и надежных методов контроля в данной области, а также(57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения толщин тонких слоев. Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых толщин и.повышение точности за счет определения толщины по новым параметрам провзаимодействовавшего излучения, Исследуемый слой освещается под разными углами частотно-модулированным излучением, а о толщине слоя судят по частоте биений отраженного тонким слоем излучения, Способ обеспечивает возможность измерения, согласно теоретическим оценкам, толщин слоев не менее 0,05 мкм. 4 ил. потребности промышленности, количествоизделий которой со слоями в области тол. щин1 мкм, неуклонно растет, способствует разработке предлагаемого метода, призванного в основном обеспечить конт роль толщин слоев1 мкм ООНаиболее близким к предлагаемому с, способу является способ, где исследуемый р слой освещается лазерным излучением под р различными углами падения, измеряется положение двух экстремумов в отраженномот слоя свете и определяется. толщина слоя й и показатель преломления п 2 из системы уравнений,Недостатком данного способа является невозможность измерения толщин тонких слоев1 мкм в силу отсутствия двух экстремумов в диапазоне возможных углов падения 81 -81. Кроме тогопри малых . толщинах экстремумы имеют достаточноплавные изменения интенсивности, что снижает чувствительность метода в определении положения экстремума, тем самым снижается точность измерения толщин.Цель изобретения - расширение диапазона измеряемых толщин и повышение точности измерений.Поставленная цель достигается тем, что исследуемый слой освещают частотно-модулированным излучением, а толщину слоя определяют по частоте биений отраженного слоем излучения,На фиг.1-З приведены рисунки, поясняющие суть способа; на фиг.4 - схема реализации способа.Суть способа заключается в следующем,Чгорость раазателемательно,и 2 запиВ+ВС де Чг - с реде с поСледа ду лучамиА нения лучания пг.й сдвиг меж спростр преиомл времен н шет АО Ч 1(4) Пусть частотно-модулированное лазерное излучение, например, по пилообразному закону (фиг,1) с известной величиной /3 попадает на тонкую пленку (слой) под углом а (фиг.2). В точке А происходит амплитудное деление луча на двэ, один из которых отражается (луч 1), а второй преломляется, отражается от нижней грани пленки, вторично преломляется на верхней грани и распространяется в направлении, параллельном лучу 1 (луч 2), В связи с тем, что лучи проходят соответственно разные расстояния АО и АВ+ ВС, да еще и с разной скоростью(луч 1 в среде с показателем преломления п 1, а луч 2 в среде с показателем преломления пг), то за.счет временной задержки Ь 1 между ними возникает частотный сдвиг Ью, который можно экспериментально измерить Найдем взаимосвязь величины частотного сдвига Ьи с параметрами пленки (толщиной т и показателем преломления пг).Путь АО луч 1 проходит за время т 1, которое можно найти из соотношения где Ч - скорость распространения луча в среде с показателем преломления п.Луч 2 проходит расстояние АВС зэ время 1 гИз анализа треугольников АВС и АСО можно получить для величин АВ, ВС, АО следующие соотношения;АВ = ВС, АВ = т/созг; Ас = 2 тдг, 5 АО =2 идгз 1 п а, (5)где г - угол преломления, связанный с угломпадения известным соотношениемпз 1 п а= пгз 1 пг. (6)Для временного сдвига Ь получим 10 21Ь= - п 3 - п з 1 п а, (7)ггде 1 - толщина пленки (слоя);с - скорость света в вакууме.Составим систему для двух углов паде ния а 1 иаг 2 т ц= -(8) где пс - показатель пр щей среды, в которой и ния.Решение системы уравн 25 дит к результатуЬ 11 С еломления окружаюроиэводятся измереия (8) привод,Ь п - Ь па ЗО пг=пТаким образом, зная временные задержки сигнала Ь 1 и Ьтгдлядвухугловоблучения а 1 и аг, а также показатель преломления окружающей среды пс. по формулам (9) находим толщину исследуемой пленки (слоя) и показатель преломления, Временная задержка Ь т определяется из диафрагмы (фиг,З) по экспериментально измеренной величине 4 О Ьм, определяющей частоту биений регистрируемого сигнала. На фиг.За представлена зависимость изменения частоты освещающего лазерного пучка от времени. Данная зависимость характеризует частотно-модулированный источник и является всегда известной, кроме того, выбирал крутизну временного изменения частоты облучающего пучка, можно варьировать частоту биений Ьтс при сохранении временной задержки О Ь 1. Так, увеличение крутизны приводит кувеличению частоты биений, поскольку в определенный момент времени интерферирус сют сигналы с частотами эг и И, для которых Ьи больше Ьк Таким образом, выбирая 55 определенную крутизну временного изменения частоты освещающего лазерного луча, можно изменять интервал исследуемых толщин в достаточно широких пределах.Определим нижний предел измеряемыхтолщин. Входящая в среду световая волнавозбуждает колебание диполей, которые излучают вторичную волну. Скорость распространения вторичной и первичной волн разная, что приводит при их сложении к гашению первичной волны, а в результате к . замещению первичной волны, распространяющейся со скоростью В, вторичной волной, распространяющейся со скоростью Чг. Длина замещения равна1 =Л/(2 рг(п - 1), (10) Следовательно, для пленок (слоев) с показателем преломления и:1,5 - 2,0 в видимом диапазоне длина замещения И(2-1)10 м, Одно из условий, определяющих нижний предел измеряемых толщин, заключается в том, чтобы путь прохождения луча в среде был больше длины замещения, т,е. по крайней мере в сл 7 учае нормального падения т =(1 - 0,5) 10 м или 1000 А - 500 А,Условием, ограничивающим верхний предел измеряемых толщин, является разрешение регистрирующего узла в определении частоты биений Лиотраженных верхней и нижней гранями пленки волн (волны должны смешиваться друг с другом.что выполняется автоматически при малых толщинах исследуемой пленки и достаточной большойфширине освещающего пучка).Так, при В = 45 и Ьт= 0,01 Гц находим иэ диафрагмы (фиг.1), что й=0,01 ед. времени. Пусть п = 1, п 2 = 1,5 а 1= 0", тогда для максимальной толщины найдем значение , смаке = 10 см. Кроме рассмотренного, условиями, ограничивающими верхний предел измеряемых толщин, также являются регистрация максимальной частоты биений Лк параметры частотно-модулированного освещающего пучка - временной период частотно-модулированного излучения должен быть больше временной задержки между лучами, отраженными соответственно верхней и нижней гранями пленки, Наиболее жестким является последнее условие. Однако даже при частоте модуляции освещающего пучка 1 Гц толщина не должна превышать 1 м и растет по мере снижения частоты модуляции. Следовательно, практ: - чески ограничения по верхнему пределу отсутствуют.5 Способ осуществляют следующим образом.Частотно-модулированное излучение отисточника 1 попадает на исследуемый слой 2 под углом а 1, задаваемым и измеряемым 10 угломерным устройством 3, На внешней по--верхности слоя 2 частотно-модулированноеизлучение разделяется на две части, одна из которых отражается под углом а 1, а вторая проникает внутрь слоя и отражается внут ренней гранью слоя 2 и дальше распространяется в направлении, совпадающем с направлением распространения части излучения, отраженной внешней поверхностью (после выхода луча из слоя). В результате 20 интерференции возникают "биения" - регулярные изменения интенсивности, которые регистрируются ФЭУи частота их измеряется осциллографом 5, Измеряя таким образом два значения частоты биений 25 Ли 1 и Лю 2 соответственно для двух угловпадения частотно-модулированного излучения на исследуемый слой а 1 и а 2, воспользовавшись известной зависимостью частоты биений Люот временной задержки 80 Л т (фиг.З), находят тол ину исследуемогослоя по формулам (9).Способ расширяет диайазон измеряемых толщин и повышает точность измерений.Формула изобретения Способ измерения толщины тонких слоев, заключающийся в том; что последовательно направляют лазерное излучение на слой под разными углами к нему, регистри руют параметры отраженного излучения иопределяют толщину слоя, о т л и ч а ю щ ий с я тем, что, с целью расширения диапазона определяемых толщин и повышения точности измерения, на слой направляют 45 частотно-модулированное излучение, а толщину слоя определяют по частоте биений отраженного излучения1728648 Фиг Составитель В.КлимоТехред М.Моргентал рректор С.Черн Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул,Гагарина, 101 Редактор О.ГоловЗаказ 1398ВНИИПИ Госуд Тираж Подписноетвенного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР 113035, Москва,Ж, Раушская наб., 4/5