Исследование лазерного интерференционного измерителя изменения толщины плоских объектов

Преподаватель: Смирнов Е. А.

Выполнила: Кочкин Е.С.

Сафина Л.А.

Егорова О.П.

Группа 8203

Факультет ЭЛ

Санкт-Петербург

2013 г

Цель работы. Ознакомление с принципом действия и устройством лазерного интерференционного измерителя изменения толщины (ИИТ) плоских прозрачных объектов, освоение методики работы с ИИТ и проведение измерений.

Основные положения. Монохроматичность и высокая степень направленности лазерного излучения позволяет использовать лазеры в измерительных устройствах, основанных на интерференции оптического излучения. К такого рода устройствам относятся лазерные измерители перемещений, системы контроля температуры, измерители изменения толщины плоскопараллельных пластин, а также слоев, нанесенных на оптически прозрачные подложки. Информация о скорости нанесения или удаления слоя позволяет осуществить оперативный контроль процессов напыления, плазмохимического и ионно-химического травления при изготовлении интегральных схем.

В основе интерференционных измерителей лежит изменение средней плотности потока, обусловленное суперпозицией электромагнитных волн, отраженных от двух или более границ сред с различными показателями преломления. Изменение положения границ приводит к соответствующему изменению разности хода отдельных волн и их фаз.

Интенсивность суммарного отраженного пучка I для двух интерфери-рующих волн определяется как

I = АE _c² = А (E ₁² + 2 E ₁ E ₂ cos Dj_å + E ₂²), (6.1)

где А –размерный множитель; Е ₁ и E ₂ - амплитуды напряженности электрического поля; Dj_å- разность фаз двух волн в данной точке.

При Е ₁ = E ₂ зависимость I = f (Dj_å) имеет вид типа (1 + cos Dj_å). Максимумы интенсивности соответствуют условиям cos Dj_å = 1 или Dj_å=2 m p минимумы: cos Dj_å = -1 или Dj_å= (2 m + 1)p, где m = 0; ±1; ±2…

Суммарная разность фаз Dj_å складывается из разности фаз Dj, обусловленной разностью хода двух волн, и скачков фаз j₁ j₂, возникающих при отражении от границ сред c различной оптической плотностью. При нормальном падении излучения на границу j = - p при отражении от более плотной среды (n ₂ > n ₁) и j = 0 при отражении от менее плотной среды.

Рассмотрим, каким образом изменяется разность хода интерферирующих волн при отражении от плоской прозрачной среды с показателем преломления n ₂ и толщиной d (рис. 6.1).

Рис. 6.1. Отражение от двух границ

раздела различных сред

Разность хода лучей волн I ₁ и I ₂ êD L ê = n ₂ (AB + BC) - n ₁ AD. AB + BC =

= 2 d / cos Q_пр, AD = AC sin Q_пад = 2 d tg Q_пр sin Q_пад. С учетом известного соотношения sin Q_пад / sin Q_пр = n ₂ / n ₁ имеем

êD L ê = 2 d n ₂ (1 / cos Q_пр - tg Q_пр sin Q_пр) = 2 d n ₂ cos Q_пр.

Сдвиг фаз волны I ₂ относительно I ₁, обусловленный D L, равен

Dj = 2pD L = 4p d n ₂ cos Q_пр / l.

Так как волна I ₂ отстает от I ₁, то Dj < 0 и Dj_å = j₁ + j₂ - Dj.

При нормальном падении волны на границу раздела и n ₂ > n ₁, n ₂ > n ₃: j₁ = - p, j ₂ = 0 и cos Q_пр = 1.

Таким образом, при изменении d изменяется Dj_å, а в соответствии с (6.1) и суммарная интенсивность I. Поскольку максимумы I соответствуют Dj_å=2 m p, то при оговоренных выше условиях получим

Dj = 4p d n ₂ / l = (2 m + 1)p.

Оценив значение d для двух произвольных значений m, различающихся на единицу, получим, что максимумы следуют через интервалы изменения толщины:

D d = l/ 2 n ₂.

Изменение I удобно оценивать с помощью суммарного коэффициента отражения пластины R = I / I ₀ (рис. 6.2), где I ₀ – значение I при Dj_å = 0.

Рис. 6.2. Изменение во времени коэффициента отражения

нагреваемой плоскопараллельной пластины

Величины R _max, R _min определяются соотношением показателей прелом-ления n ₁, n ₂, n ₃. Для случая n ₂ > n ₁ = n ₃

R _max = [ (n ₂ - n ₁) / (n ₂ - n ₁) ]², R _min = 0.

Реально из-за рассеяния, поглощения и отражения излучения Е ₁ ¹ E ₂ и R _min > 0.

Значения R _нач, R _кон зависят от начальной и конечной толщин одиночного слоя или пластины, значений n ₁, n ₂, n ₃. Для многослойных систем R _нач, R _кон определяются структурой слоев и родом их материалов.

Изменение геометрической толщины слоя или пластины может происходить под воздействием изменения температуры D Т = Т- Т ₀, где Т и Т ₀ –текущее и начальное значение температуры объекта. Полагая показатель преломления материала пластины n ₂ не зависящим от температуры, что допустимо для небольших изменений T, можно записать для термического изменения толщина пластины D d (Т) = a_т d (T - Т ₀), где a_т - относительный коэффициент линейного термического расширения материала пластины К^-1. Таким образом, зная исходные физические и геометрические параметры пластины, но значению D d можно контролировать изменение температуры пластины.

Явление интерференции лазерных пучков можно использовать также для определения клиновидности пластин. В этом случае интерферирующие волны, отраженные от верхней и нижней границ пластины, распространяются друг относительно друга под углом b, равным углу клиновидности пластины. Установив на пути отраженных пучков экран, параллельный поверхности пластины, можно наблюдать на нем в области перекрытия лучей интерференционную картину в виде чередующихся темных и светлых полос с шагом, равным D l = l / sin b.

В целях повышения точности определения шага интерференционной картины, а соответственно, и точности определения угла клиновидности пластины, между экраном и пластиной, устанавливают линзу. В этом случае наблюдаемый на экране шаг интерференционной картины D l _э увеличится в K ^´ раз. Коэффициент увеличения линзовой системы определяется как К ^´ = =(L - f) / f, где L - расстояние линза- экран; f - фокусное расстояние линзы. С учетом этого

b = arc sin (l К ^´ / D l _э).

Описание лабораторной установки. В установке используется He-Ne-лазер с длиной волны генерации l = 632,8 нм, излучение которого с помощью светоделительной пластины СП направляется на имитатор - стеклянную пластину, толщина которой может изменяться под воздействием тепла от нагревателя (рис. 6.3).

Рис. 6.3. Структурная схема установки

Сигнал, отраженный от пластины, регистрируется рабочим фотоприемником. Для устранения влияния, нестабильности мощности излучения лазера на результаты измерений в блоке обработки информация осуществляется цифровое деление выходных напряжений рабочего и опорного фотоприемников, пропорциональных мощности отраженного от пластины пучка и мощности исходного лазерного пучка в данный момент времени. Частное от деления этих сигналов определяет текущее значение коэффициента отражения пластины. На экран видеоконтрольного устройства выводится временная зависимость R = f (t). Управление работой интер-ференционного измерителя толщины (ИИТ) производится с помощью клавиатуры, расположенной на лицевой панели устройства обработки информации. Назначение основных кнопок следующее:

"0" -очистка памяти;

"/-/"-очистка экрана ВКУ;

"3" - последовательное изменение масштаба временной развертки с полным временем 5, 10, 20, 40 мин;

"9" - введение сдвига начала координат на величину от 2,5 до 40 мин последовательно через интервалы по 2,5 мин;

"6" - компенсация текущего уровня функции R = f (t).

Стеклянные пластины, клиновидность которых определяется в работе, закрепляются в держателях и устанавливаются при проведении измерений на корпусе имитатора. Наблюдение интерференционных картин в увеличенном линзой, масштабе производится на экране.

Дата добавления: 2014-01-15