SU1584759A3 - Фотометрическое устройство дл измерени и управлени толщиной оптически активных слоев - Google Patents

Abstract

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  и управлени  толщиной оптически активных слоев. Целью изобретени   вл етс  обеспечение измерени  и индикации абсолютных величин характеристик в проход щем и/или отраженном свете покрытых сло ми объектов при произвольных толщинах слоев, причем как дл  отдельных длин волн измерительного света, так и по выбору - дл  определенного спектра дл  отображени  спектральных свойств объекта в виде кривой с абсолютными значени ми. Предлагаемое устройство имеет регулируемый усилитель с характеристикой коэффициента усилени  по меньшей мере в пределах двух дес тичных пор дков величины линейной с отклонением максимум 2% и два сменных элемента: непокрытое слоем контролье стекло и нулевую диафрагму дл  формировани  сравнительных величин при анализе измерительной величины и регулировки усилител . 2 з.п. ф-лы, 4 ил.

Description

Изобретение относитс  к контрольно-измерительной технике и может быть использовано дл  измерени  и управлени  толщиной оптически активных слоев.

Целью изобретени   вл етс  обеспечение измерени  и индикации абсолютных величин характеристик в проход щем и/или отраженном свете покрытых сло ми объектов при произвольных толщинах слоев, причем как дл  отдельных длин волн измерительного света, так и по выбору - Дл  определенного спектра, дл  отображени  спектральных свойств объекта в виде кривой с абсолютными значени ми.

-На фиг.1 представлены части фотометрического устройств.а в вакуумной установке нанесени  слоев; на фиг.2 - схема фотометрического устройства; на фиг.З - графические зависимости между первой и второй сравнительными величинами, а также коэффициентом усилени  дл  контрольного стекла , не покрытого слоем, в функции от длины волны света; на фиг.4 - графическое отношение измеренной вели чины от покрытого слоем объекта к абсолютным величинам пропускани  (или отражени ) в функции от длины.

Оптическа  часть фотометрического устройства состоит из расположенного

сл

(00 Ј sj

сл

см

во внешней части установки 1 вакуумного нанесени  слоев, содержащей камеру 2 с двум  окнами 3 и 4 и измер емым стеклом 5, источника б света, измерительный пучок 7 которого определ ет ход лучей 8, полупрозрачного зеркала

9,собирающей линзы 10, регулируемого монохроматора 11 и фотоприемника 12, индикаторного блока 13. Фотометрическое устройство содержит также регулируемый монохроматор 14, оптически св занный с фотоприемником 15, возможно подключение к последнему индикаторного блока 16. Устройство содержит также две нулевые диафрагмы 17 (а, в), переключатель 18, который проводом 19 св зан с регулируемым усилителем 20, который проводом 2 соединен с задатчиком 22, выход которого проводом 23 св зан

с запоминающим блоком 24 дл  запоминани  коэффициента усилени  G., выход усилител  20 проводом 25 св зан с переключателем 26, выходы которого проводами 27 - 29 соединены с запоминающими блоками 30 - 32 величин I ,

10,I соответственно, выходы блоков 30 - 32 соединены со схемой 33 оценки, котора  проводом 34 управлени  соединена с монохроматорами 11

и 14, обратна  св зь 35 идет к задат- чику 22 дл  коэффициента усилени .

Фотометрическое устройство работает следующим образом.

Большое значение имеет линейность характеристики дл  коэффициента усилени  G, котора  в пределах по меньшей мере двух дес тичных пор дков величины должна быть линейной с отклонением максимум 2%, предпочтительно максимум 1%. Такой усилитель может, например, быть реализован посредством применени  кремниевого фотоэлемента, работающего в режиме короткого замыкани  и стабилизованного кварцем усилител  с фазовой автоматической подстройкой. С помощью такого усилительного устройства достижима линейность фотометра в диапазоне четырех дес тичных пор дков величины с ошибкой менее 1% (абсолютных).

Выбор коэффициента усилени  находитс  в фактической св зи с формированием первой сравнительной величины I, и второй сравнительной величины I , которые должны значительно, а именно максимально возможно, отличатьс  одна от другой. Так называемые

0

5

0

5

0

5

0

5

сравнительные величины  вл ютс  величинами интенсивности попадающей на фотоприемник части луча измерительного света, причем эта часть может колебатьс  между 0 и 100%.

Указанные сравнительные величины важны дл  калибровки процесса измерени  или устройства. Устройство калибруетс  методом калибровки в двух точках. В случае измерени  пропускани  при этом дл  получени  первой калибрационной точки дл  I, либо не

VU

ставитс  контрольного стекла по ходу луча, т.е. луч измерительного света идет неослабленным и его энерги  составл ет в фотоприемнике 1 100%, или в ход луча вводитс  контрольное стекло без сло  покрыти . За счет известного коэффициента преломлени , примененного контрольного стекла полу, чаетс  определенное пропускание, например, I 92%, дл  коэффициента преломлени  п 1,5. При измерении отражени  примен етс  контрольное стекло без сло  покрыти , однако с матовой задней стороной, чтобы там свет отражалс  диффузно.

В результате этого нужно принимать во внимание только отражение от передней поверхности. По известному коэффициенту преломлени  контрольного стекла можно рассчитать величину отражени , например 4,2%, при коэффициенте преломлени  п 1,5.

Второе сравнительное значение I относитс  также к поступающей на фотоприемник интенсивности, котора , однако, значительно ниже и в самом благопри тном случае равна нулю. Чтобы получить второе сравнительное значение IQ при измерении пропускани ( вход усилител  заземл етс  или в ход луча вводитс  так называема  нулева  диафрагма. При измерении отражени , напротив, может примен тьс  только введение нулевой диафрагмы в ход луча измерительного света. Под нулевой диафрагмой понимаетс  непрозрачное тело, которое не пропускает и/или не отражает никакого света. В простейшем случае она представл ет собой подвижную черную пластинку с матовой поверх- ностью. Чтобы подавить вс кие остатки отражени , черна  пластинка имеет клиновую форму, чтобы по меньшей мере одна ее поверхность проходила под углом к ходу луча, таким образом, что сравнительные величины IL и I0 имеют

значительное рассто ние между собой. Это рассто ние можно увеличить, и в смысле максимальной точности индикации оценить если отнесенный к непокрытому контрольному стеклу коэффициент усилени  G усилител  будет увеличен до такой степени, пока перва  сравнительна  величина 1 по существ достигнет максимума, перва  сравнительна  величина I, должна быть максимально большей, однако при условии , чтобы усилитель не попадал в диапазон насыщени .

Изобретение основано на том, что две точки определ ют пр мую. Вследствие рассто ни  между первой и второй сравнительными величинами можно достичь требуемой линейности с использованием только одного уси- лител , который имеет указанные свойства.

Посредством запоминани  величин GL, I, и I после указани  соответствующей этому длины волны, а при необходимости также в зависимости от длины волны, как изображение кривой, можно в любое врем  опросить соответствующие величины счетно решающим устройством, и посредством счетных операций микропроцессора математически объединить их с измер емой величиной I покрытого слоем, или наход щегос  в процессе покрыти  слоем объекта. После калибровки запоминают в зависимости от длины волны величины IL (всегда максимально возможные), и 10, также как и значени  коэффициента усилени  G дл  непокрытого слоем контрольного стекла. Коэффициент усилени  GL не  вл етс  посто нным по всему диапа- зону. Более того, получаетс , что как раз в середине спектрального диапазона видимого света источника измерительного света коэффициент усилени  имеет минимум, потому что спектральна  интенсивность источника измерительного света в этом месте имеет максимум. Е-сли теперь первое сравнительное значение I, установить на максимально возможное значение, что получаетс  автоматически путем работы счетно-решающего устройства схемы оценки, то хот  и получаетс  в основном посто нные величины дл 

IL, но не дл  GL.

Дл  абсолютного значени  пропускани  Т определ етс  по формуле

I - 10

(как безразмерна  величина от 0 до 1) 5 или соответственно дл  абсолютного отражени  R

R

I - I.

Rb

IL- Io

0

5

0

5

0

5

0

5

0

(как безразмерна  величина от 0 до 1) где I - измер ема  величина от покрытого слоем объекта; R, - расчетное отражение непокрытого слоем контрольного стекла, рассчитываемое по известному коэффициенту преломлени ; Т светопропускание непокрытого слоем контрольного стекла, рассчитанное по известному коэффициенту преломлени , или при отсутствии контрольного стекла 1 ,0.

В заключение к описанным автоматически проводимым счетно-решающим устройствам, счетным операци м запомненна  величина или соответственно запомненные величины дл  усилени  G опрашиваютс  счетным блоком. Строитс  переменный коэффициент усилени  G на основе следующих зависимостей: дл  пропускани : G GL Т L и дл  отражени : G GL-R,.

В счетном блоке измеренна  величина I усиливаетс  или умножаетс  на соответствующий коэффициент усилени  G и представл етс  как функци  длины волны. Это касаетс  абсолютных величин пропускани  Т и абсолютных величин отражени  R, которые посредством электронно-лучевого диспле  изобража ютс  в виде графика или печатаютс  с помощью печатного устройства, или в цифрах отображаютс  на цифровой индикаторной системе. Соответствующие величины и кривые дают полную информацию об оптических свойствах соответствующего объекта и не требуют уже никаких сравнительных измерений с образцами и т.п.

Не об зательно усиленную измерительную величину I от покрытого слоем объекта запоминать в запоминающем устройстве. После калибровки устройства без дальнейших сложностей можно замеренную величину I сразу преобразовать с помощью вышеуказанных операций и вывести на индикацию. Однако целесообразно измер емую величину также запоминать в запоминающем устройстве, так что она может быть

7558

опрошена дл  различных счетных операций спуст  какое-то врем .

Снаружи вакуумной камеры 2 расположен источник 6 света, от которого сконцентрированный световой пучок 7 измерительного света идет в направлении на окна 3 и 4. Измерительный пучок 7 определ ет ход лу

чей 8, в котором сначала расположено под углом 45 полупрозрачное зеркало 9. В ходе лучей 8 находитс  собирающа  линза 10. Существенным  вл етс  то, что дл  измерени  отражени  окно 3 поставлено под таким наклоном, что никакие отражени  от окна 3 не могут попасть в ход луча 8.

Позади окна 3 измерительный луч света 7 попадает на контрольное стекло 5, причем (сначала) сама  мала  часть измерительного света, как отраженный луч измерительного света 7а, отбрасываетс  обратно до полупрозрачного зеркала 9 В данном случае говоритс  об измерении отраже- ни . Дл  этой цели контрольное стекло 5 имеет плоскую переднюю поверхность (а), но шероховатую или диффузную заднюю поверхность (Ъ), чтобы к зеркалу 9 возвращалс  свет, отражен- ный только от передней поверхности (а).

Зеркало 9 отражает вернувшийс  измерительный луч 7а под углом 90 и он затем попадает на регулируемый монохроматор 11, Посредством моно- хроматора 11 в направлении к фотоприемнику 12 пропускаетс  только та часть измерительного луча 7а, на волну которой настроен монохроматор 11. Здесь имеетс  в виду кремниевый фотоприемник, выход которого через схему оценки (не показана) подключен к индикаторному устройству 13.

В устройстве важное значение имеет то, что измерительный луч 7 абсолютно перпендикул рно падает на контрольное стекло 5. Так как любое отклонение от перпендикул рности ведет к неуправл емым  влени м в смысле отражени  по ходу луча от источника 6 света, то за окном 4 расположен еще один моно- хрОматор 14, который испотш ет ту же функцию, что и монохромдтор 11. Б ка- ч естве монохроматоров используютс  либо интерференционный линейный фильтр, либо интерференционный фильтр хода лучей, либо решеточные монохро- маторы. Пропускаема  длина волны ин8

терференционного фильтра хода лучей, а также решеточного монохроматора может измен тьс  с помощью шагового двигател  (не показан).

Оставшийс  позади контрольного стекла 5 луч измерительного света показан пунктирной линией (Ъ). Это используетс  дл  так называемого измерени  пропускани , т.е. пропущенной контрольным стеклом части измерительного света-, котора  попадает через монохроматор в виде света определенной длины волны к фотоприемнику 15, который имеет ту же конструкцию, что и фотоприемник 12. Выход этого фотоприемника через ту же схему оценки подключаетс  к индикаторному устройству 16.

Контрольное стекло 5 имеет дл  измерени  пропускани  две ровные или гладкие поверхности. При калибровке пропускани  контрольное стекло можно также и не ставить, так что на светоприемник 15 поступит на несколько процентов больша  часть света.

На фиг.1 показаны еще две нулевых диафрагмы 17а и 17Ь, из которых дл  измерени  используетс  кака -нибудьодна . Чтобы избежать ошибочных измер ний эти нулевые диафрагмы при применении косо установленного окна 3 должны находитьс  либо на месте нулевой диафрагмы 17а, т.е. между линзой 10 и окном 3, или на месте нулевой диафрагмы 17Ь непосредственно перед контрольным стеклом 5, т.е. между окном 3 и контрольным стеклом 5. Нулвые диафрагмы нужны на указанных местах потому, что отражение происходит не только от контрольного стекла или объекта измерени , но также и от линзы, которую нельз  поставить косо.

При замере второй сравнительной величины 10 одну из обеих нулевых диафрагм 17а или 17Ь ввод т в ход луча 8 в направлении стрелок, так что часть измерительного луча гаситс Нулевые диафрагмы состо т предпочтительно из матовой черной пластинки, предпочтительно клинообразной формы, что вызывает максимальное поглощение света.

Выходы обоих фотоприемников 12 и 15 соединены с переключателем 18, В показанном положении переключател  производитс  измерение отражени ,

при переключении в другое положение может производитьс  измерение пропускани  посредством фотоприемника 15. От переключател  18 провод 19 идет к регулируемому усилителю 20, который имеет указанные выше свойства . Дл  установки определенного коэффициента усилени  GL перед усилителем 20 приводом 21 включен за датчик 22, выход которого по проводу 23 подаетс  к запоминающему устройству 24 дл  запоминани  коэффициента усилени  GL, который определ етс  по непокрытому слоем контрольному стеклу (или при отсутствии стекла) при описанном выше получении максимума первой сравнительной величины

V

С выхода усилител  20 идет провод 25 к переключателю 26, выходы которого проводами 27 - 29 соединены с запоминающими устройствами 30 - 32. Запоминающее устройство 30 служит -дл  запоминани  первой сравнительной величины I, , котора  находитс  при максимально возможном усилении, причем усилитель еще не попадает в диапазон насыщени . Запоминающее устройство 31 служит дл  запомина- ни  второй сравнительной величины 10, котора  получаетс  с использованием нулевой диафрагмы (или аналогично , заземлением входа усилител ) и усиливаетс  с тем же коэффициентом усилени  G, как и перва  сравнительна  величина I . Запоминающее устройство 32 служит дл  запоминани  собственно измер емой величины I от покрытого слоем объекта.

Все запоминающие устройства 24, 30, 31 и 32 соединены соответствующими проводами со схемой 33 оценки, в которой находитс  счетно-решающее устройство, с помощью которого произ вод тс  счетные операции.

От схемы 33 оценки провод 34 управлени  идет к обоим монохромато- рам 11 и 14, чтобы либо устанавливать их на определенную длину волны, либо управл ть ими дл  прохода определенного спектра длин волн. Обратна св зь 35 идет к задатчику 22 дл  коэффициента усилени . Посредством схемы 33 оценки таким образом дости- гаетс  то, что коэффициент усилени  выбираетс  как раз столь большим, что перва  сравнительна  величина 1 достигает еще допустимого уровн ,

прежде чем усилитель 20 войдет в насыщение.

Схема 33 оценки проводом 36 соединена с индикаторным устройством 13, которое изображено в виде экрана электронно-лучевого индикатора, однако может быть применен координатный графопостроитель, печатающее устройство или цифровое индикаторное устройство, если, например, нужно индицировать один единственный результат измерени  на определенной длине волны.

На фиг.З по абсциссе отложена длина волны, тогда как по ординате перва  и втора  сравнительные величины , а также коэффициент усилени  GL, как они обычно получаютс . Единицы измерени  не указываютс , так как важен лишь принцип измерени . Следует иметь в виду, что крива  36 дл  первой сравнительной величины после подъема ее за счет соответствующего усилени  идет почти горизонтально . Примерно такой же вид имеет крива  37 дл  второй сравнительной величины 10. Напротив, совсем иначе ведет себ  крива  38 дл  коэффициента усилени  С, , котора  изображает необходимое усиление, Которое должно быть выставлено, чтобы получать максимально большие значени  дл  I . Эта крива  имеет  вно выраженный минимум. i

На фиг.4 по оси абсцисс тоже отложена длина волны, тогда как ордината показывает ход измер емой (усиленной) величины I, измеренной дл  покрытого слоем контрольного стекла на выходе фотометра, а также абсолютные величины пропускани  и отражени . Крива  39 символизирует ход измер емой величины I по спектру, котора  хоть и характеризует ход отражени  или пропускани  по спектру, однако в относительных единицах, которые позвол ют лишь в принципе оценить результаты покрыти  издели  слоем в процессе покрыти . На основе расчетных операций получаетс  крива  40, котора  показывает спектральную зависимость величин пропускани  Т или отражени  Р в абсолютных величинах. Крива  40 хот  и подобна кривой 39, однако строитс  с учетом переменного коэффициента усилени  (крива  38 на фиг.З), т.е. крива  39  вл етс  искаженной относительно абсолютной кривой 34.

111584759

ормула изобретени 

те му те ка ны

и

Claims (3)

1. Фотометрическое устройство дл  измерени  и управлени  толщиной оптически активных слоев, содержащее оптически св занные источник света, монохроматор и фотоприемник, усилитель и схему оценки с выходом, предназначенным дл  индикаторного блока и/или контура регулировани , о т л чающеес  тем, что, с целью обеспечени  измерени  и индикации абсолютных величин характеристик в проход щем и/или отраженном свете покрытых сло ми объектов при произвольных толщинах слоев, усилитель имеет характеристику коэффициента усилени  по меньшей мере в пределах двух дес тичных пор дков величины, линейную с отклонением максимум 2%, предпочтительно максимум 1 %, устройство снабжено сменными элементами, представл ющими собой непокрытое слоем контрольное стекло, прозрачное или с диффузной задней стороной, дл  формировани  первой I сравни

ю

15

тельной величины, и нулевую диафрагму дл  формировани  второй 10 сравнительной величины, запоминающими блоками первой IL, второй 10 сравнительных величин и сигнала G, ,пропорцию

нального коэффициенту усилени , за- датчиком коэффициента усилени , запоминающие блоки сравнительных величин I и IQ включены после усилител , а запоминающий блок сигнала GQ включен после задатчика, все запоминающие блоки подключены к счетно-решающему блоку схемы оценки, который соединен по обратной св зи с задатчиком коэффициента усилени .

2.Устройство по п.1, отличающеес  тем, что оно снабжено запоминающим блоком дл  измерительной величины I, включенным между усилителем и счетно-решающим блоком схемы оценки.

3.Устройство по п.1, отличающеес  тем, что счетно-решающий блок схемы оценки выходом регулировани  св зан с монохроматором.

&-

/

Фаг.1

e/

в

ffjf

6SmSI

IL I 4

Т

К I

1584759

36