1.3 Фотометрический метод контроля толщины оптических слоев

Сущность фотометрического метода заключается в том, что наблюдение ведется за изменением интенсивности прошедшего через прозрачную подложку или отраженного от нее монохроматического излучения с длиной волны l_о.

Контроль толщины прозрачных слоев осуществляется по регистрации экстремумов контрольного излучения, падающего на ФЭУ (фотоэлектронный умножитель), периодически появляющихся при увеличении оптической толщины на величину, равную l_о/4. На (рис.1.1) приведена зависимость коэффициентов отражения и пропускания прозрачных однородных пленок с различными показателями преломления от их оптической толщины.

Если измеряется интенсивность отраженного от пленки излучения, то при увеличении толщины пленки в случае n₁>n₂ коэффициент отражения с начало возрастает, достигая максимального значения, когда оптическая толщина становится равной 0.25l_о, а затем уменьшается и проходит через минимум при толщине пленки, равной 0.5l_о. Последовательность появления минимумов и максимумов изменяется на обратную, если выбрать n₁<n₂.

Фотометрический метод контроля обычно используется при изготовлении покрытий, состоящих из слоев, толщина которых кратна четверти длины волны контрольного излучения. Однако этот метод можно также применять для контроля толщин слоев неравных 0.25l_о, а также для контроля пленок, сильно поглощающих на длине волны материала. В этом случае необходимо прокалибровать фотоприемник с помощью наборов нейтральных светофильтров с известным коэффициентом пропускания.

По способу контроля по образцу фотометрический метод контроля разделяется на сквозной и раздельный (рис.1.2)

При сквозном способе контроля образец, по которому ведется контроль, находится на одном подложкодержателе с остальными деталями. При раздельном способе контроля свидетели располагаются между подложкодержателем и нагревателем подложек. С помощью револьверного механизма можно менять до 10 свидетелей. На каждый свидетель напыляется не более 3-х слоев.

Сквозной способ контроля позволяет с достаточной точностью контролировать не более 3-х слоев, кратных l_О/4. При дальнейшем нанесении слоев сигнал, поступающий на ФЭУ, приближается к фоновому, и точность контроля резко падает (рис.1.3). Поэтому при числе слоев больше 3-х применяют раздельный способ контроля.

Основная трудность контроля толщины слоев фотометрическим методом связаны с необходимостью с большой точностью регистрировать момент достижения экстремального значения интенсивности контрольного излучения.

Сложность определения экстремума связана с тем, что скорость изменения интенсивности отраженного или прошедшего сигнала в близи экстремума очень мала. Первой производной интенсивности сигнала к оптической толщине будет тангенс угла a касательной к графику R(nd) или T(nd) (рис.1.1.). В экстремуме первая производная равна нулю. Ограниченная чувствительность контрольно-измерительной аппаратуры при фиксировании экстремума интенсивности контрольного сигнала является причиной появления ошибок.

Рис.1.3. Изменение коэффициента пропускания контрольного излучения при нанесении трёх слоёв четвертьволновой оптической толщины (n₁=1.00, n₂=1.23, n₃=1.59, n₄=1.63, n₅=1.52)

Реально судить о том, что экстремум пройден, можно по обратному движению стрелки контрольно-измерительного оборудования. Как правило, число делений принимается равным 1…2. При этом, в силу медленного изменения интенсивности сигнала в близи экстремума, изменение оптической толщины покрытия может быть очень значительным и появляется необходимость моделирования процесса фотометрического метода контроля.