RU2415378C2 - Способ измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке - Google Patents
Способ измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке Download PDFInfo
- Publication number
- RU2415378C2 RU2415378C2 RU2008150650/28A RU2008150650A RU2415378C2 RU 2415378 C2 RU2415378 C2 RU 2415378C2 RU 2008150650/28 A RU2008150650/28 A RU 2008150650/28A RU 2008150650 A RU2008150650 A RU 2008150650A RU 2415378 C2 RU2415378 C2 RU 2415378C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- coating
- radiation
- wavelength
- dependence
- reflected
- Prior art date
Links
Images
Landscapes
- Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)
Abstract
Настоящее изобретение касается способа измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке. Заявленный способ включает облучение контролируемого покрытия оптическим излучением. При этом перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны падающего на контролируемое покрытие излучения. Далее регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны и определяют на основе этой зависимости зависимость коэффициента отражения от длины волны и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-покрытие-подложка» и по ним определяют толщину и показатель преломления покрытия. Данный способ позволяет повысить оперативность измерений. 3 ил.
Description
Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, во встраиваемой технологической аппаратуре для оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их нанесения.
Известны способы измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных пленок на поверхности материала (см., например, [1-3]), заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, регистрируют отраженное от поверхности излучение и определяют параметры пленки по результатам анализа характеристик отраженного излучения (например, поляризационных характеристик, спектральных характеристик в различных участках спектра или интерференционной картины).
Наиболее близким к предлагаемому способу является способ контроля характеристик покрытий (например, его показателя преломления и толщины) [2], заключающийся в том, что облучают контролируемое покрытие оптическим излучением, регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения в различных участках спектра, а параметры покрытия определяют по результатам анализа зарегистрированных потоков.
Недостатками способов [1-3] являются малая оперативность измерений и сложность их использования во встраиваемой технологической аппаратуре для оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их нанесения.
Избежать этого недостатка можно тем, что согласно способу контроля характеристик покрытий, включающему облучение контролируемого покрытия оптическим излучением, регистрацию отраженных от покрытия потоков излучения и определение параметров покрытия по результатам анализа зарегистрированных потоков, для измерения толщины и показателя преломления покрытия перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны излучения, падающего на контролируемое покрытие, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны, измеряют на основе этой зависимости коэффициент отражения и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух - покрытие - подложка» и по ним находят толщину и показатель преломления покрытия.
Наличие отличительного признака указывает на соответствие критерию "новизна".
Указанный отличительный признак неизвестен в научно-технической и патентной литературе, и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".
На фиг.1 схематично изображено устройство, реализующее предлагаемый способ.
Устройство содержит перестраиваемый по длине волны источник излучения 1, фотоприемник 2, блок 3 измерения коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка», блок 4 определения толщины и показателя преломления покрытия 5 на поверхности материала 6.
Устройство работает следующим образом.
Оптическое излучение источника 1 отражается поверхностью покрытия 5 и подложки 6, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок 3 измерения коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка», значения коэффициента отражения и его первой производной поступают в блок 4 для определения толщины и показателя преломления покрытия.
Длина волны излучения источника 1 перестраивается в узком спектральном диапазоне (дискретно или плавно) для определения зависимости отраженного потока излучения от длины волны и измерения на основе этой зависимости коэффициента отражения и первой производной коэффициента отражения трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка».
Источник излучения 1 облучает вертикально плоскую подложку с нанесенным на нее покрытием. Фотоприемник 2 на длине волны излучения λ регистрирует мощность Р(λ) излучения, отраженного исследуемой поверхностью. Считается, что источник излучения расположен на небольшом расстоянии от подложки с покрытием, а размеры приемной оптики достаточно велики, так что приемник перехватывает все отраженное излучение. Тогда принимаемая мощность Р(λ) может быть представлена в виде:
где:
PO - мощность, излучаемая источником;
Rref(λ) - коэффициент отражения подложки с покрытием.
В случае тонких прозрачных покрытий (когда пропускание покрытия мало отличается от единицы) для коэффициента отражения Rref(λ) трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие -подложка» имеем (см., например, [4]):
где:
n2,3(λ), k2,3(λ) - показатели преломления и поглощения материала покрытия и подложки соответственно; r12, r23 - коэффициенты отражения на границе сред «воздух (вакуум) - покрытие» и «покрытие - подложка» соответственно. При n2≥n3 для r23 берется верхний знак, при n2<n3 - нижний знак.
Перестройка длины волны излучения λ в узком спектральном диапазоне (около некоторой центральной длины волны λo) дает возможность определить (в окрестности длины волны λo) зависимость Rref(λ) от λ. Это позволяет найти R'ref(λ) - производную Rref(λ) по λ.
Зависимость R'ref(λ) от параметров трехслойной системы «воздух (вакуум) - покрытие -подложка» в случае прозрачных покрытий легко найти. Для прозрачных покрытий, для которых не только пропускание пленки мало отличается от единицы, но и 
(для прозрачных пленок эти условия, как правило, выполняются), из (2), дифференцируя Rref(λ) по λ, получим (учтя, что изменения по λ величин r12, r23 и n2 во много раз более медленные, чем изменения по λ величины cos[2β(λ)]):
где:
Левая часть (3) зависит только от данных измерений (коэффициента отражения Rref(λ) и его первой производной R' ref(λ)), а правая - от данных измерений (Rref(λ)), оптических характеристик подложки (n3, k3, которые считаются известными), длины волны λ и показателя преломления покрытия n2. Так как в (3) входят тригонометрические функции, то в общем случае из (3) нельзя однозначно определить n2. Однако для тонких покрытий в интервале однозначности (2β≤ π или 
) выражение (3) позволяет однозначно найти n2 (решая численно относительно n2 нелинейное уравнение (3)).
Если найден показатель преломления покрытия, то из (2), (3) для тонких покрытий можно найти толщину покрытия d:
Таким образом, определение показателя преломления и толщины прозрачных тонких (с толщиной ) покрытий на подложке можно провести, измеряя коэффициент отражения системы «воздух (вакуум) - покрытие - подложка» и его первую производную. Это может быть реализовано, используя один перестраиваемый по длине волны в узком диапазоне лазер.
На фиг.2, 3 для примера приведены результаты математического моделирования работы описанного способа для измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий. Здесь показаны погрешности Δd и Δn (в процентах) определения толщины и показателя преломления покрытия в зависимости от действительных значений толщины d и показателя преломления n2 покрытия. Погрешности определялись как модуль разности найденных и заданных величин, деленный на заданное значение величины. Считалось, что среднеквадратическое значение погрешности измерения коэффициента отражения и его первой производной равны 0.1%, центральная длина волны излучения λO-0.808 мкм. Оптические характеристики подложки соответствовали характеристикам стекла n3=1.52, k3=0, а показатель преломления прозрачной пленки (k2≈0) мог изменяться в диапазоне n2=1.8-2.8.
Из чертежей видно, что способ позволяет с большой точностью находить толщину и показатель преломления тонких прозрачных покрытий в диапазоне показателя преломления покрытия n2=1.8-2.8 и диапазоне толщин покрытий, по крайней мере, от 10 нм до 100 нм. Отметим, что измеряемый (с заданной точностью) диапазон толщин покрытий можно менять, изменяя центральную длину волны λo. Для меньших длин волн этот диапазон смещается в область меньших толщин, для больших длин волн - в область больших толщин.
Таким образом, описанный способ позволяет обеспечить измерение толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий с большой точностью в широком диапазоне изменения параметров покрытия.
Заявляемое изобретение направлено, в частности, на решение задачи оперативного контроля оптических параметров пленок в процессе их получения.
Измерительное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонент и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость".
Источники информации
1. Способ эллипсометрического исследования тонких пленок на плоских подложках. Патент РФ на изобретение №2133956 от 27.07.1999. МКИ G01N 21/21.
2. Способ контроля просветляющих покрытий. Авторское свидетельство №
1298532 от 23.03.1987. МКИ G01B 11/06.
3. Интерферометрическое устройство для измерения физических параметров прозрачных слоев (варианты). Патент РФ на изобретение №2141621 от 04.02.1998. МКИ G01B 11/06, G01N 21/45.
4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, 855 с.
Claims (1)
- Способ определения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке путем облучения контролируемого покрытия оптическим излучением, отличающийся тем, что перестраивают в узком спектральном диапазоне длину волны падающего на контролируемое покрытие излучения, регистрируют отраженные от покрытия потоки излучения, определяют зависимость отраженного потока излучения от длины волны, определяют на основе этой зависимости зависимость коэффициента отражения от длины волны и первую производную коэффициента отражения трехслойной системы «воздух-покрытие-подложка» и по ним определяют толщину и показатель преломления покрытия.
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008150650/28A RU2415378C2 (ru) | 2008-12-23 | 2008-12-23 | Способ измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2008150650/28A RU2415378C2 (ru) | 2008-12-23 | 2008-12-23 | Способ измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2008150650A RU2008150650A (ru) | 2010-06-27 |
| RU2415378C2 true RU2415378C2 (ru) | 2011-03-27 |
Family
ID=42683170
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2008150650/28A RU2415378C2 (ru) | 2008-12-23 | 2008-12-23 | Способ измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2415378C2 (ru) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2558645C1 (ru) * | 2014-01-17 | 2015-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Способ определения толщины металлических пленок |
| RU2581734C1 (ru) * | 2014-12-18 | 2016-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Инженерный Центр Новых Технологий" | Устройство бесконтактного широкополосного оптического контроля толщины пленок |
-
2008
- 2008-12-23 RU RU2008150650/28A patent/RU2415378C2/ru not_active IP Right Cessation
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2558645C1 (ru) * | 2014-01-17 | 2015-08-10 | Открытое акционерное общество "Научно-производственное предприятие "Пульсар" | Способ определения толщины металлических пленок |
| RU2581734C1 (ru) * | 2014-12-18 | 2016-04-20 | Общество с ограниченной ответственностью "Инженерный Центр Новых Технологий" | Устройство бесконтактного широкополосного оптического контроля толщины пленок |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2008150650A (ru) | 2010-06-27 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Kurihara et al. | Asymmetric SPR sensor response curve-fitting equation for the accurate determination of SPR resonance angle | |
| Munzert et al. | Multilayer coatings for Bloch surface wave optical biosensors | |
| Xu et al. | Large-area, uniform and low-cost dual-mode plasmonic naked-eye colorimetry and SERS sensor with handheld Raman spectrometer | |
| CN105157585A (zh) | 一种同时获取薄膜厚度与折射率的标准干涉片拟合法 | |
| Mayerhöfer et al. | Removing interference-based effects from infrared spectra–interference fringes re-revisited | |
| Hlubina et al. | Spectral phase shift of surface plasmon resonance in the Kretschmann configuration: theory and experiment | |
| JP2013205253A (ja) | 膜厚測定方法および膜厚測定装置 | |
| Salvi et al. | Measurement of thicknesses and optical properties of thin films from surface plasmon resonance (SPR) | |
| Watad et al. | Spectropolarimetric surface plasmon resonance sensor and the selection of the best polarimetric function | |
| Kalas et al. | Protein adsorption monitored by plasmon-enhanced semi-cylindrical Kretschmann ellipsometry | |
| Tamulevičius et al. | Total internal reflection based sub-wavelength grating sensor for the determination of refractive index of liquids | |
| Bonal et al. | Sub-400 nm film thickness determination from transmission spectra in organic distributed feedback lasers fabrication | |
| Stenzel et al. | Experimental determination of thin film optical constants | |
| Sharma et al. | Plasmonic optical sensor for determination of refractive index of human skin tissues | |
| RU2415378C2 (ru) | Способ измерения толщины и показателя преломления тонких прозрачных покрытий на подложке | |
| Ayupov et al. | Searching for the starting approximation when solving inverse problems in ellipsometry and spectrophotometry | |
| Agarwal et al. | Influence of metal roughness on SPR sensor performance | |
| CN103849850A (zh) | 光学薄膜的膜厚监控方法及非规整膜系光学膜厚仪 | |
| Vala et al. | Diffraction grating-coupled surface plasmon resonance sensor based on spectroscopy of long-range and short-range surface plasmons | |
| Damin et al. | Application of scanning angle Raman spectroscopy for determining the location of buried polymer interfaces with tens of nanometer precision | |
| JP2006242798A (ja) | 膜厚および光学定数の算出方法 | |
| Lan et al. | Measurement of chromatic dispersion of liquid in a wide spectral range based on liquid-prism surface plasmon resonance sensor | |
| Rueda et al. | Characterization of gold films by surface plasmon spectroscopy: Large errors and small consequences | |
| Park et al. | A Review of Thin-film Thickness Measurements using Optical Methods | |
| Perry et al. | Performances of interferometric optical transmission diagnostic for in situ and real-time control of magnetron sputtering deposition process |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20110318 |