УДК 686.78.555.012.2
КОНТРОЛЬ ФАЗОВОЙ АНИЗОТРОПИИ В ПРОЦЕССЕ ПРОИЗВОДСТВА
ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ЗЕРКАЛ
THE PHASE ANISOTROPY CONTROL OF INTERFERENCE MIRRORS
DURING PRODUCTION PROCESS
Лобанов Петр Юрьевич
вед. инженер
Мануйлович Иван Сергеевич
канд. физ.-мат. наук, научн. сотрудник
Сидорюк Олег Евгеньевич
канд. физ.-мат. наук, нач. лаборатории E-mail: dipole@sumail.ru
ОАО "Научно-исследовательский институт "Полюс" им. М. Ф. Стельмаха", Москва
Аннотация: Описана система оптического контроля, обеспечивающая внесение на завершающих стадиях технологического процесса расчетных корректировок для компенсации суммарного влияния погрешностей толщин изготовления осажденных слоев на величину индуцируемой фазовой анизотропии. Рассмотрены также вопросы оптимизации измерительной системы и способы уменьшения ее погрешности.
Ключевые слова: интерференционное зеркало, фазовая анизотропия, оптический контроль, поляриметрия.
Lobanov Petr Yu.
Senior Engineer
Manuylovich Ivan S.
Ph. D. (Phys. Math.), Associate Researcher Sidoryuk Oleg E.
Ph. D. (Phys. Math.), Head of Laboratory E-mail: dipole@sumail.ru
Open Joint Stock Company "Polyus research institute of M. F. Stelmakh", Moscow
Abstract: Development of optical control system is described ensuring calculated corrections implement at the final stages of the technological process to compensate the cumulative effect of errors in the thicknesses of deposited layers by the magnitude of the phase-induced anisotropy. The paper deals also with the optimization of the measuring system and the ways to reduce its error.
Keywords: interference mirror, the phase anisotropy, optical control, polarimetry.
ВВЕДЕНИЕ
Для контроля оптических характеристик интерференционных покрытий в процессе производства разработан ряд систем из высокочувствительных датчиков массы осаждаемых слоев, различных фотометров и широкополосных спектральных анализаторов [1—5]. Многие из них, давая схожие результаты, являются взаимозаменяемыми и выбираются из соображений удобства применения в конкретном технологическом процессе. Однако при создании прецизионных тонкопленочных конструкций желательно производить мониторинг по ключевому параметру, значение которого необходимо оптимизировать. В частности, для ряда задач (например, для зеркал кольцевых лазе-
ров с круговой поляризацией [6]) важен такой параметр лазерных зеркал, как фазовая анизотропия, которая при нанесении многослойного покрытия более чувствительна к погрешностям в задании толщин отдельных слоев, чем, например, значения коэффициентов отражения или пропускания [7].
Данная работа посвящена разработке системы оптического контроля интерференционных зеркал для измерения фазовой анизотропии отражающих покрытий на завершающих стадиях процесса их производства. Целью такого контроля является внесение необходимых корректировок значений параметров последних осаждаемых слоев для компенсации суммарного эффекта погрешностей изготов-
ления зеркала на величину индуцируемой фазовой анизотропии.
При выборе оптимального типа конструкции оптического прибора необходимо рассматривать пути решения поставленной метрологической задачи в непосредственной взаимосвязи с обеспечением надежной работоспособности прибора в составе конкретного технологического оборудования.
В частности, условия работы в замкнутом пространстве вакуумной камеры предъявляют требование высокой степени автоматизации измерений. Конструкция прибора должна обеспечивать устойчивость результатов измерений по отношению к действию ряда негативных факторов: возможной механической разъюстировки отдельных узлов оптической схемы, тепловых на-
36
Sensors & Systems • № 5.2015
грузок, электрических помех с учетом возможности работы всех элементов и узлов устройства в условиях высокого вакуума и защиты оптических элементов от продуктов распыления мишени.
Предлагаемый способ решения поставленных задач — разработка прибора на основе дифференциальной фазовой по-ляриметрии с использованием быстрого преобразования Фурье. Принцип его работы близок описанному в работе [8], хотя применяется в иной области техники.
ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА КОНТРОЛЬНОГО ПРИБОРА
Оптическую схему контрольного прибора поясняет рис. 1.
Излучение с эллиптической поляризацией Не-№ лазера 1, отраженное зеркалом 2, через окно 3 вводится в вакуумную камеру напылительной установки и направляется на входное отверстие прибора. Пластина 4 с интерференционным покрытием разделяет исходное излучение на сигнальный канал и канал синхронизации. Луч сигнального канала, отраженный зеркалом 6, через поляризатор 8 и фазовую пластину 9 падает под углом 45° на контрольный образец 10, находящийся вне прибора и установленный в держателе одного из гнезд карусели, на которой располагаются все подложки лазерных зеркал.
После отражения от образца 10 лазерный луч направляется на анализатор излучения 12, пройдя который, попадает на фотоприемник 13. Диафрагма 14 ослабляет излучение, обеспечивая работу фотоприемника на линейном участке регистрации сигнала. Через анализатор 12 проходит также луч канала синхронизации, направляемый зер-
Рис. 1. Оптическая схема контрольного устройства
калами 5 и 11. Линейную поляризацию этого излучения обеспечивает поляризатор 7.
Анализатор 12 находится на оси двигателя 15, обеспечивающего его вращение. Ось двигателя имеет центральное отверстие для свободного прохождения луча сигнального канала. Внутри соосно располагается цилиндрический отражатель 16 в виде стеклянной трубки с алюминиевым покрытием. Часть излучения, прошедшего этот световод, регистрируется фотодиодом 17, обеспечивая опорный синусоидальный сигнал, текущее значение фазы которого отслеживает пространственную ориентацию анализатора.
Переменные составляющие исследуемого и опорного сигна-
лов с датчиков 13 и 17 соответственно поступают в аналого-цифровой преобразователь (АЦП) 18 и далее анализируются посредством компьютера 19.
МЕТОД ВЫЧИСЛЕНИЯ ЗНАЧЕНИЙ ФАЗОВОЙ АНИЗОТРОПИИ
В рассматриваемой задаче поляризационный эллипс отраженного от зеркала излучения описывается уравнением
х2 + У2 _ 2 ху С ОБ ф _
-,2
Ex Ey
2
— sin ф = 0, (1)
где Ex и Ey — амплитуды колебаний световой волны в двух взаимно перпендикулярных плос-
x
Рис. 2. Зависимости фазовой анизотропии А от относительной разности фаз регистрируемых сигналов при различной эллиптичности падающего на зеркало излучения
костях, ф — разность фаз между ними.
Преобразование поворота х = Хео8а + Жпа, у = — Хапа + + Тео8а приводит эллипс к каноническому виду при выполнении равенства
а = 1 аг^
2 Ех Еу
-уМг °о8 (Ф)
■Еу - Ех
. (2)
Здесь а представляет собой угол наклона большой оси эллипса к оси х.
Для фазовой анизотропии А = я/2 — ф, являющейся целью исследований, справедлива обратная зависимость
= аге81п
А = А(а) = ,2
^2 а
' Е2- Е2
Ех Еу
(3)
Графики функций А(а) для ряда значений к = Еу/Ех > 1 представлены на рис. 2.
Угол а в рассматриваемом устройстве определяется положением анализатора излучения 12, которое контролируется с помощью опорного канала. Вычисление а как значения относи-
тельной разности фаз производится посредством дискретного преобразования Фурье при анализе компьютером 19 двух синусоидальных сигналов одинаковой частоты, поступающих на АЦП 18 от датчиков 13 и 17.
Поскольку амплитуда сигнала на приемнике 13 стремится к нулю в условиях круговой поляризации при к « 1, то на практике как оптимальная выбиралась эллиптичность с величинами к в диапазоне от 1,05 до 1,1. Более высокие значения к приводят к снижению точности измерений. Действительно, абсолютная погрешность определения фазовой анизотропии 5А может быть представлена как
5А = А'(а)- 5а, (4)
где А'(а) — производная функции (2); 5а — абсолютная погрешность измерения угла а.
При малых значениях а имеет место приближение А (а) «
к - 1 ) с возрастанием при уве-к у
личении к. Соответственно, изменение к от 1,05 до 1,5 сопровождается ростом погрешности
5а в ~ 8,5 раз при прочих равных условиях. Аналогичная тенденция сохраняется за рамками рассматриваемого диапазона а, что наглядно проявляется при сравнении наклона графиков на рис. 2.
Для практической реализации измерений А удобно использовать контрольные образцы с известными значениями А! и А2 (желательно, с противоположными знаками), измеренными на метрологически аттестованном эллипсометре. Существенно, что в методике сравнительных испытаний с применением контрольных образцов результат измерений зависит только от относительного поворота осей поляризационного эллипса. Это способствует повышению точности измерений, поскольку исключает погрешность, связанную с разориента-цией направления поляризации анализатора 12 (см. рис. 1) относительно плоскости падения излучения на образец 10, неточностью юстировки оптических элементов 7, 8 и 9.
С учетом указанных особенностей выбора условий и диапазонов экспериментальных параметров оказывается возможным производить контроль фазовой анизотропии посредством разработанного прибора с величиной абсолютной погрешности не более 0,004 рад, что для измеряемого параметра 0,1 рад соответствует относительной погрешности 4 %.
ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ, АНАЛИЗ
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ РЕЗУЛЬТАТОВ
Применение рассматриваемого прибора в технологическом процессе производства интерференционных зеркал долж-
38
вепвогв & Эувгетв • № 5.2015
но предусматривать такое его размещение внутри вакуумной камеры, которое обеспечивает необходимую ориентацию оптических элементов относительно исследуемого образца, установленного на традиционном держателе используемой установки согласно схеме, изображенной на рис. 1.
Образцы интерференционных зеркал в ходе процесса осаждения обычно устанавливаются на карусели в дисковом держателе, находящемся в состоянии планетарного вращения. Это необходимо для достижения нужной однородности в толщинах получаемых покрытий. Однако для выполнения контроля должна быть обеспечена возможность остановки движения образца в позиции, заданной оптической схемой контроля фазовой анизотропии. Существенно, что в той же позиции перед началом технологического
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.