×
11.07.2019
219.017.b29f

Устройство для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок

Вид РИД

Изобретение

Юридическая информация Свернуть Развернуть
Краткое описание РИД Свернуть Развернуть
Аннотация: Изобретение относится к области оптического приборостроения и касается устройства для исследования толщины и диэлектрических свойств тонких пленок. Устройство включает в себя два лазера с различной длиной волны, делительный кубик, расширитель светового потока, линзу, два поляризатора, устройство нарушения полного внутреннего отражения, зеркало, фокусирующий объектив и светочувствительную матрицу. Устройство нарушения полного внутреннего отражения выполнено в виде полуцилиндрической линзы с отражающим элементом на ее плоскости в виде тонкой металлической пленки. Оптические оси поляризаторов составляют угол 45° с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, причем второй по ходу луча поляризатор может осуществлять как р-поляризацию, так и s-поляризацию. Элементы устройства размещены на платформе, перпендикулярной плоской поверхности полуцилиндрической линзы, причем платформа имеет возможность поворота вокруг вертикальной оси полуцилиндрической линзы, а зеркало имеет возможность поворота вокруг оси, перпендикулярной платформе. Технический результат заключается в обеспечении возможности одновременного измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок в процессе их изготовления. 1 ил.
Реферат Свернуть Развернуть

Изобретение относится к области оптического приборостроения и может быть использовано для создания устройств по контролю толщины и диэлектрических свойств тонких пленок в процессе их нанесения на тонкие подложки.

Известны устройства-эллипсометры для измерения толщины тонких пленок основанные на изучении изменения состояния поляризации света после взаимодействия его с поверхностью пленок: отраженного и преломленного на ней. [Аззам Р., Башара Н., Эллипсометрия и поляризованный свет, пер. с англ., М., 1981].

Недостатком эллипсометров является сложность их применения для измерения толщины пленки в процессе ее нанесения на подложку, т.к. измерения осуществляются со стороны нанесения пленки, а также невозможность измерения диэлектрической проницаемости пленок.

Известны устройства - спектрометры на основе поверхностного плазмонного резонанса, позволяющие исследовать состав тонких пленок на поверхности сенсора спектрометра. [Патент Германии № DE 102007021563 А1, кл. G01J 3/42, 2008, Патент Великобритании № GB 2197065 А, кл. G01N 33/543, 1988.] Такие исследования могут проводиться и в процессе получения этих пленок.

Недостатком таких спектрометров является низкая чувствительность при измерении толщины пленки и ее диэлектрической проницаемости.

Наиболее близким устройством является устройство спектрометра на основе поверхностного плазмонного резонанса, содержащий источник света, поляризатор, линзу, устройство нарушения полного внутреннего отражения с отражающим элементом в виде металлической пленки, фокусирующий объектив и светочувствительную фотоматрицу. [Патент РФ №2500993, кл. G01J 3/42, 2012.]

Недостатком данного устройства также низкая чувствительность при измерении толщины пленки и ее диэлектрической проницаемости.

Задача, на решение которой направлено настоящее изобретение, заключается в создании устройства для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок.

Техническим результатом является создание устройства позволяющее проводить измерение толщины тонких металлических пленок в процессе их нанесения на тонкие подложки, и в случае нанесения диэлектрических пленок на эти металлические пленки одновременно измерять их диэлектрическую проницаемость. В частности проводить такие измерения при создании системы тонких пленок оптимальной толщины для биохимических сенсоров, работающих на основе плазмонного резонанса по схеме Кречмана.

Технический результат достигается тем, что устройство для измерения толщины и диэлектрических свойств тонких пленок в качестве источника света содержит два лазера с различной длинной волны, при этом лазеры расположены так, чтобы их лучи были направлены на делительный кубик таким образом, чтобы при выходе из него траектории их совпадали и направлялись через расширитель светового потока на линзу, затем через два поляризатора на устройство нарушения полного внутреннего отражения, выполненного в виде полуцилиндрической линзы с отражающим элементом на ее плоскости в виде тонкой металлической пленки, причем фокус линзы совпадает с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, а от нею лучи шли на зеркало, отразившись от которого, проходили через фокусирующий объектив, фокус которого, также совпадает с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, и попадали на светочувствительную фотоматрицу, при этом оптические оси поляризаторов составляют угол 45° с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, причем второй по ходу луча поляризатор может осуществлять как р-поляризацию, так и s-поляризацию, при этом перечисленные элементы устройства размещены на платформе, перпендикулярной плоской поверхности полуцилиндрической линзы, причем платформа имеет возможность поворота вокруг вертикальной оси полуцилиндрической линзы, а зеркало имеет возможность поворота вокруг оси перпендикулярной платформе.

На фиг. 1 представлена схема предложенного устройства.

Устройство содержит платформу 1, на которой закреплены: лазеры 2, 3, делительный кубик 4, расширитель светового потока 5, линза 6, поляризаторы 7,8, зеркало 9, фокусирующий объектив 10, светочувствительная фотоматрица 11, полуцилиндрическая линза 12.

Устройство работает следующим образом. На плоскую поверхность полуцилиндрической линзы 12 наносится, например напылением, металлическая пленка, толщину которой необходимо измерить для отработки технологии нанесения покрытия. На нее же может быть с той же целью нанесена пленка диэлектрика.

Из лазеров 2 и 3, имеющие разные длины волн X, например, один с А~630 нм (красный) и с А~530 нм (зеленый) второй, попеременно подается излучение на делительный кубик 4. По выходу из делительного кубика излучение проходит через расширитель света 5, состоящего, например из двух линз. Размер пучка излучения при этом увеличивается, например, в 10 раз.

Затем излучение проходит через линзу 6, расположенную так, что излучение, прошедшее через нее фокусируется на плоскую поверхность полуцилиндрической линзы 12. После линзы 6 излучение попадает на поляризатор 7, ось которого составляет угол 45° с плоскостью падения излучения на полуцилиндрическую линзу 12. Угол в 45° является оптимальным углом падения. Он обеспечивает одинаковые амплитуды, как в плоскости падения луча, так и в плоскости перпендикулярной к плоскости падения. После поляризатора 7 излучение попадает на поляризатор 8, ось которого поворачивается так, чтобы составлять угол либо 0° (р-поляризация), либо 90° (s-поляризация) с плоскостью падения.

Отражаясь от плоской поверхности полуцилиндрической линзы 12, отражаясь от зеркала 9, допускающее вращение для точной ориентировки отраженного луча, попадает на фокусирующий объектив 10, фокус которого совпадает с точкой отражения излучения от поверхности полуцилиндрической линзы 12.

После фокусирующего объектива 10 излучение попадает на светочувствительную фотоматрицу 11, информация, с которой передается на компьютер (на фиг. 1 не показан).

Для изменения угла падения на плоскую поверхность полуцилиндрической линзы 12 вся платформа 1 может поворачиваться вокруг вертикальной оси полуцилиндрической линзы 12, проходящей через точку падения луча на эту поверхность.

Для расчета толщины и диэлектрических свойств тонких пленок необходимо знать коэффициент отражения R излучения от тонких пленок, угол θ падения излучения на пленку и W(θ) - полуширина функции R(θ). Для того чтобы получить полное решение необходимо составить уравнение при двух разных длинах волн излучения.

Для получения необходимого значения вида функции R(θ) нужно использовать излучения р- и s-поляризации. Плазмонные волны создает только р-поляризованное излучение, a s-поляризованное излучение нет. Поэтому для расчетов берется отношение интенсивности этих двух поляризаций. При этом требуется нормировка амплитуд линий поглощения, что обеспечивает поляризатор 7.

Ip нормируется к Is, при этом отношение Ip/Is показывает долю энергии луча идущую на возбуждение плазмонов.

Методика одновременного определения ε1 (ω) и d1 проводящего слоя с помощью ПЭВ описана в работе: W. P. Chen and J.M. Chea Use of surface plasma waves for determination of the thickness and optical constants of thin metallic films. J. Opt. Soc. Am. 1981., V. 71, №2. P.p.189-191.

В области углов падающей волны, близких к резонансному углу θATR (это такой угол при котором тангенцальная составляющая волнового вектора излучения совпадает с волновым вектором поверхностных электромагнитных волн (SPW)) возбуждения SPW, коэффициент отражения R(θ) можно вычислить по приближенной формуле

где проекция волнового вектора К вдоль границы раздела призмы и металлической пленки

K=K0+KR,

где Здесь:

K - комплексный волновой вектор SPW;

K0 - комплексный волновой вектор SPW на границе раздела металл-вакуум в отсутствие призмы; KR - возмущение K0 при наличии призмы. Мнимые части K0 и KR являются собственными и радиационными затуханиями соответственно. Первая представляет Джоулевые потери в металле, а вторая представляет потерю утечки SPW обратно в призму.

ε1, ε2, и ε3 - диэлектрические проницаемости металлической пленки, воздуха и призмы соответственно;

ε'1 и ε''1 - действительная и мнимая часть ε1;

Kz - проекция волновых векторов в направлении перпендикулярном границы раздела призмы и металла.

Отражательная способность R(θ) имеет форму лорентцовской кривой при θATR с полушириной Wθ=(Rmax+Rmin)/2 [когда |Im(K)|<|Re(K)|] и минимальный коэффициент отражения Rmin, определяемый как

где

С помощью формул (1)-(6) можно, используя экспериментальные значения θATR, Wθ и зависимость Rmin от θ определить ε1 (ω) и d проводящего слоя. Для этого:

1) подставим измеренное θATR в уравнение рассчитаем Re(K);

2) установите Re(K0)=Re(K), потому что Re(KR)<<Re(K0);

3) определить ε'1, используя действительную часть уравнения (2);

4) определить [Im(K0)+Im(KR)]=Im(K), подставив измеренные θATR и W0 в уравнение. (4);

5) определим η=Im(K0)/Im(KR), подставив измеренное Rmin в уравнение (5);

6) из результатов, полученных на этапах 4) и 5), решая систему двух уравнений, вычислим значения Im(K0) и Im(KR);

7) определяем ε'1, подставив ε'1 и Im(K0) в мнимую часть уравнения (2);

8) определим d, подставив θATR, ε'1, ε''1 и Im(KR) в мнимую часть уравнения (3).

Таким образом, получают два набора решений для ε1 и d. Проведя аналогичные измерения и вычисления для другой частоты и сравнивая полученные результаты с предыдущими, находят истинное значение d не зависящее от длины волны излучения. Используя найденное значение d, определяют ε1 на обеих частотах.

Толщину диэлектрической пленки d2 можно определить из следующих соотношений.

ε3≈1, ε1 - диэлектрическая проницаемость металлической пленки, ε2 - диэлектрическая проницаемость диэлектрической пленки

Устройство может быть использовано, например, для определения оптимальной толщины пленок для биохимических сенсоров, работающих на основе плазменного резонанса по схеме Кречмана. Для нанесения металлической пленки критерий оптимальности есть достижение функции R(θ) близкое к нулю. Близким к нулю должно быть значение самой функции R(θ). График функции R(θ) является резонансной кривой. При резонансе R(θ) близка к нулю.

Устройство для исследования толщины и диэлектрических свойств тонких пленок, содержащее последовательно расположенные на одной оптической оси источник света, поляризатор, линзу, устройство нарушения полного внутреннего отражения, фокусирующий объектив, светочувствительную матрицу, отличающееся тем, что в качестве источника света содержит два лазера с различной длиной волны, при этом лазеры расположены так, чтобы их лучи были направлены на делительный кубик таким образом, чтобы при выходе из него траектории их совпадали и направлялись через расширитель светового потока на линзу, затем через два поляризатора на устройство нарушения полного внутреннего отражения, выполненного в виде полуцилиндрической линзы с отражающим элементом на ее плоскости в виде тонкой металлической пленки, причем фокус линзы совпадает с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, а от нее лучи шли на зеркало, отразившись от которого, проходили через фокусирующий объектив, фокус которого также совпадает с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, и попадали на светочувствительную фотоматрицу, при этом оптические оси поляризаторов составляют угол 45° с плоской поверхностью полуцилиндрической линзы, причем второй по ходу луча поляризатор может осуществлять как р-поляризацию, так и s-поляризацию, при этом перечисленные элементы устройства размещены на платформе, перпендикулярной плоской поверхности полуцилиндрической линзы, причем платформа имеет возможность поворота вокруг вертикальной оси полуцилиндрической линзы, а зеркало имеет возможность поворота вокруг оси, перпендикулярной платформе.
Устройство для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок
Устройство для измерения толщины и диэлектрической проницаемости тонких пленок
Источник поступления информации: Роспатент

Showing 31-40 of 108 items.
10.06.2016
№216.015.4478

Высокопрочная коррозионно-стойкая свариваемая сталь

Изобретение относится к области металлургии, а именно к составам высокопрочных коррозионно-стойких сталей, используемых для изготовления высоконагруженных деталей и конструкций в машиностроении, судостроении, авиации и железнодорожном транспорте. Сталь содержит, мас.%: углерод 0,01-0,04,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002586193
Дата охранного документа: 10.06.2016
10.06.2016
№216.015.476e

Композиционный материал на основе фторгидроксиапатита и частично стабилизированного диоксида циркония для замещения костных дефектов

Изобретение относится к медицине, в частности биокерамическим материалам, предназначенным для изготовления костных имплантатов и/или замещения дефектов при различных костных патологиях. Техническим результатом изобретения является увеличение прочности материалов в системе 40-60 масс. %...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002585954
Дата охранного документа: 10.06.2016
13.01.2017
№217.015.7879

Способ получения пористой керамики из фосфатов кальция для лечения дефектов костной ткани

Изобретение относится к области керамических материалов для медицины, которые могут быть использованы для заполнения костных дефектов в травматологии и ортопедии, челюстно-лицевой хирургии и хирургической стоматологии. Для получения пористой керамики яичные белки с сахарозой в соотношении 1:1...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002599524
Дата охранного документа: 10.10.2016
25.08.2017
№217.015.9caf

Литейный сплав на основе интерметаллида ni3al и изделие, выполненное из него

Изобретение относится к области металлургии, а именно к литейным сплавам на основе интерметаллида NiAl, предназначенным для изготовления методом направленной кристаллизации и монокристаллического литья деталей газотурбинных двигателей авиационной промышленности, например сопловых и рабочих...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002610577
Дата охранного документа: 13.02.2017
25.08.2017
№217.015.9cd4

Способ получения пористой алюмооксидной керамики

Изобретение относится к технологии пористых керамических материалов и может быть использовано для изготовления изделий, эксплуатируемых в качестве высокотемпературной теплоизоляции (или теплозащиты), термостойкого огнеприпаса, носителей катализаторов, фильтров для очистки жидких и газовых сред....
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002610482
Дата охранного документа: 13.02.2017
25.08.2017
№217.015.a236

Способ получения структуры высокотемпературный сверхпроводник - диэлектрик - высокотемпературный сверхпроводник

Использование: для создания структур высокотемпературный сверхпроводник – диэлектрик – высокотемпературный сверхпроводник. Сущность изобретения заключается в том, что на слой высокотемпературного сверхпроводника 123-типа направляют поток атомных частиц, в качестве высокотемпературного...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002606940
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.a359

Способ получения порошкового магнитотвёрдого сплава 30х20к2м2в системы железо-хром-кобальт

Изобретение относится к получению порошковых магнитотвердых сплавов. Способ получения порошкового магнитотвердого сплава 30Х20К2М2В системы железо-хром-кобальт включает приготовление шихты из порошков железа, хрома, кобальта, молибдена и вольфрама, формование полученной шихты, спекание,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002607074
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.a4f2

Способ получения катионзамещенного трикальцийфосфата

Изобретение относится к химической и медицинской отраслям промышленности и может быть использовано в производстве исходного биосовместимого материала, пригодного для изготовления плотной и пористой керамики, применяющейся в качестве скэффолдов в инженерии костной ткани, мишеней для создания...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002607743
Дата охранного документа: 10.01.2017
25.08.2017
№217.015.a8e2

Резорбируемый пористый кальцийфосфатный цемент

Изобретение относится к фармацевтической промышленности, а именно к резорбируемому пористому кальцийфосфатному цементу для заполнения костных челюстно-лицевых и стоматологических дефектов. Кальцийфосфатный цемент состоит из смеси порошков фосфатов кальция, а именно из железо- или...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002611345
Дата охранного документа: 21.02.2017
25.08.2017
№217.015.b20d

Брушитовый гидравлический цемент, упрочненный пористым каркасом из полилактида

Изобретение относится к медицине. Описан брушитовый гидравлический цемент, упрочненный пористым каркасом из полилактида для восстановления костных тканей, имеющий прочность не менее 40 МПа, содержащий порошок α-трикальцийфосфата, гранулы карбонатгидроксиапатита и затворяющую жидкость,...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002613182
Дата охранного документа: 15.03.2017
Showing 11-14 of 14 items.
25.04.2019
№219.017.3b97

Способ изготовления термостабильных редкоземельных магнитов

Изобретение относится к порошковой металлургии, в частности к получению термостабильных редкоземельных магнитов. Магниты могут использоваться в системах автоматики, промышленном оборудовании, автомобилях. Осуществляют выплавку базового сплава на основе интерметаллического соединения NdFeB и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002685708
Дата охранного документа: 23.04.2019
29.04.2019
№219.017.42af

Способ получения металлов

Изобретение относится к области электрохимии, в частности к электролитическому получению металлов из их сульфидов. Электролиз ведут с использованием раствора электролита и положительного электрода, содержащего сульфид получаемого металла, порошок вещества, являющегося акцептором атомов серы, и...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002307202
Дата охранного документа: 27.09.2007
16.08.2019
№219.017.c0a8

Способ регистрации следовых количеств веществ в газовой среде

Изобретение относится к оптике и аналитической технике и может быть применено для определения наличия следовых количеств летучих веществ. Способ регистрации следовых количеств веществ в газовой среде, вызывающих поверхностную оптическую сенсибилизацию галоидного серебра под действием света в...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002697477
Дата охранного документа: 14.08.2019
01.06.2023
№223.018.750a

Способ герметизации мембран из сплавов палладия с рзм в конструкции фильтрующих элементов для глубокой очистки водорода методом контактной сварки

Изобретение может быть использовано для получения неразъемных вакуумно-плотных соединений при герметизации мембран из сплавов палладия с РЗМ в конструкции фильтрующих элементов для глубокой очистки водорода. После очистки соединяемых поверхностей проводят сборку пакета, содержащего детали из...
Тип: Изобретение
Номер охранного документа: 0002749404
Дата охранного документа: 09.06.2021
+ добавить свой РИД