42374

Измерение толщины металлических пленок с помощью интерферометра МИИ-4

Лабораторная работа

Физика

В результате интерференции двух систем волн в фокальной плоскости окуляра наблюдаются характерные интерференционные полосы. в результате интерференции волн получаются светлые полосы а в точках где разность хода равна λ 2 3λ 2 5λ 2 и т. темные полосы. В отъюстированном микроинтерферометре при работе в монохроматическом свете в поле зрения должны быть видны чередующиеся черные и светлые полосы.

Русский

2013-10-29

175 KB

99 чел.

НТУУ «КПИ»

Инженерно-физический факультет

Кафедра физики металлов

Курс «Тонкопленочное материаловедение»

Лабораторная работа №3

Измерение толщины металлических  пленок с помощью интерферометра МИИ-4

Введение

Толщина напыленных в вакууме металлических пленок может быть измерена различными методами:

Расчетным, исходя из расстояния от испарителя до подложки, типа испарителя и массы испаряемого материала

Методом микровесов (разновидность – по смещению резонансной частоты кварцевого резонатора).

Оптическим методом по изменению интерференционной картины на границе раздела пленка-подложка.

В данной работе толщина тонкой металлической пленки, полученной резистивным напылением на плоскую поверхность подложки (ситалл, стекло) определяется с помощью интерферометра МИИ-4.

Общие сведения о сути метода

Схема микроинтерферометра МИИ-4 впервые была разработана и практически воплощена академиком В. П. Линником.

Принцип действия микроинтерферометра основан на явлении интерференции света.

На практике для получения двух систем волн, способных интерферировать, пользуются разделением пучка лучей, исходящих из одной точки источника света, на два пучка.

В микроинтерферометре МИИ-4 в качестве разделяющей системы используется наклонная плоскопараллельная пластинка, имеющая полупрозрачное светоделительное покрытие. Половину падающего на нее света пластинка отражает, а вторую половину пропускает, вследствие чего образуются две системы световых волн, способных между собой интерферировать. В результате интерференции двух систем волн в фокальной плоскости окуляра наблюдаются характерные интерференционные полосы.

Разность хода интерферирующих лучей от центра поля зрения  к его краям увеличивается и проходит все значения: 0, λ/2, λ, 3/2 λ, 2λ и т.д., где λ — длина волны света, падающего на изучаемую поверхность. В точках поля, где разность хода равна λ, 2λ, 3λ и т. д., в результате интерференции волн получаются светлые полосы, а в точках, где разность хода равна λ/2, 3λ/2, 5λ/2 и т. д., — темные полосы.

Форма интерференционных полос, направление и интервал между ними зависят от положения выходных зрачков микроинтерферометра относительно друг друга. При изменении взаимного расположения зрачков и расстояния между ними соответственно изменяются интервалы между интерференционными полосами и направлениє полос. Интервал между полосами Δ определяется по формуле

 

(1)

где λ — длина волны света;

ω — угловое расстояние между двумя изображениями источника света при рассматривании их из данной точки поля интерференции.

В отъюстированном микроинтерферометре при работе в монохроматическом свете в поле зрения должны быть видны чередующиеся черные и светлые полосы.

Два светофильтра, с помощью которых получается монохроматический свет, пропускают соответственно желтую и зеленую части спектра. Без светофильтра наблюдается интерференционная картина в белом свете.

Как видно из формулы (1), интервал между полосами Δ зависит от длины волны; каждой длине волны соответствует определенный интервал. Поэтому в белом свете полосы для разных длин волн не совпадают друг с другом, за исключением нулевой полосы, определяющей ось симметрии интерференционной картины.

Таким образом, интерференционная картина в белом свете имеет следующиий вид: в центре наблюдается белая ахроматическая полоса, по обеим сторонам которой находятся две черные полосы с цветными каймами, и дальше по три-четыре цветные полосы с каждой стороны. Переход от одной светлой (или темной) полосы к другой светлой (или темной) полосе соответствует изменению разности хода интерферирующих лучей на одну длину волны.

В поле зрения микроинтерферометра наблюдаются одновременно интерференционные полосы и исследуемая поверхность. Перемещение исследуемой поверхности S2 вверх или вниз на какую-либо малую величину вызывает изменение хода луча на двойную величину перемещения поверхности, так как свет проходит это расстояние дважды.

Изменение хода луча в одной ветви микроинтерферометра вызовет изменение разности хода интерферирующих лучей, в результате чего полосы в поле зрения сместятся. При смещении исследуемой поверхности на величину, соответствующую половине длины световой волны /2, полосы в поле зрения сместятся на один интервал между ними.

Если на исследуемой поверхности имеется бугор или впадина, то в этом месте меняется разность хода и, следовательно, полосы смещаются. Так, например, высота неровности на поверхности 0,275 мкм вызовет искривление полосы в поле зрения микроинтерферометра на величину всего интервала между полосами (на одну полосу).

При измерении величину искривления выражают в долях интервала между интерференционными полосами. Зная длину волны света, можно получить высоту неровности в микрометрах.

Оптическая схема микроинтерферометра

Рис. 2 Оптическая схема микроинтерферометра

Оптическая схема микроинтерферометра показана на рис. 2. Нить лампы накаливания 1 проектируется коллектором 2 в плоскость апертурной диафрагмы 3. В фокальной плоскости проекционного объектива 4 помещена полевая диафрагма 5, которая изображается объективом 4 в бесконечности.

После проекционного объектива параллельный пучок лучей попадает на разделительную пластинку 6, на одной стороне которой нанесено светоделительное покрытие. Разделительная пластинка делит падающий на нее пучок света пополам: одну половину она отражает, другую — пропускает.

Пучок лучей, отраженный от пластинки 6, собирается в фокусе объектива 7 на исследуемой поверхности, после отражения от которой снова проходит через объектив 7, пластинку 6 и собирается в фокусе объектива 8, где наблюдается изображение исследуемой поверхности. Зеркало 9 направляет пучки лучей в визуальный тубус.

Второй пучок лучей, пройдя через разделительную пластинку 6, падает на компенсатор 10, после чего собирается в фокусе объектива // на эталонном зеркале 12, отразившись от которого, снова проходит через объектив 11, компенсатор 10 и падает на разделительную пластинку 6. При этом часть лучей проходит через пластинку б и не участвует в образовании изображения, а другая часть лучей отражается от пластинки 6. В фокальной плоскости объектива 6 происходит наложение обоих лучей с образованием интерференционной картины.  Ее изображение объективом 8 переносится на зеркало 9 и далее попадает либо в тубус и окуляр для визуального наблюдения, или в фотокамеру.

При вынутом окуляре наблюдаются два изображения апертурной диафрагмы 3, которые являются выходными зрачками системы; от их положения относительно друг друга зависят форма и положение полос, а также интервал между полосами.

Для работы с монохроматическим светом, т. е. светом определенной длины волны, микроинтерферометр снабжен двумя интерференционными светофильтрами 14, которые включаются и выключаются из хода лучей перемещением направляющей. Светофильтры отличаются друг от друга своими характеристиками.

При фотографировании пленочным фотоаппаратом зеркало 9 выключается из хода лучей, и свет, пройдя через гомал 15 и отразившись от зеркала 16, падает на поверхность матового стекла или фотопленку 17. Фотографирование с помощью цифрового аппарата производится через окуляр микрофотометра.

Устройство микроинтерферометра

Микроинтерферометр МИИ-4 имеет круглое основание 18 (рис. 3), на котором может быть установлен фотоаппарат или рамка с матовым стеклом. К верхнему торцу основания привинчена полая цилиндрическая колонка 21, на которой установлен предметный столик 22.

При помощи двух микрометрических винтов 23 столик можно перемещать в двух взаимно перпендикулярных направлениях, величину перемещения столика отсчи- тывают по шкалам барабанов винтов. Столик можно также поворачивать вокруг вертикальной оси и стопорить винтом 24.В колонке 21 под углом 70° к вертикальной оси расположен визуальный тубус 25, в отверстие которого  устанавливают  прикладываемый к  микроинтерферометру симметричный окуляр 15х со шкалой или сеткой.

Рис. 3

Для измерения величины искривления интерференционных полос на наружный диаметр тубуса вместо окуляра устанавливают винтовой окулярный микрометр 26 (МОВ-1-16х).

На тубусе имеется кольцо 27, вращением которого можно вводить в оптическую систему или выводить из нее зеркало 9 (см. рис. 2) визуального тубуса. При визуальном наблюдении или измерении зеркало 9 должно быть введено в оптическую систему, а при фотографировании выведено.

Фокусировка микроскопа на объект осуществляется перемещением интерференционной головки при вращении микрометрического винта 28 (см. рис. 3). Величина вертикального перемещения интерференционной головки может быть отсчитана по шкале барабана микрометрического винта.

Интерференционная головка укреплена на внутреннем стакане микроинтерферометра. Она состоит из левой, средней и правой частей.

Левая часть головки включает в себя фонарь 29 с винтами 30 (для центрировки лампы) и трубку 31, в которую вмонтирована осветительная часть системы. В трубке установлена горизонтально выдвигающаяся пластинка 32 с тремя отверстиями. В двух крайних отверстиях этой пластинки закреплены светофильтры разных характеристик (зеленый или желтый) для получения монохроматического света, среднее отверстие, свободное, используется при работе в белом свете. Вращением кольца 33 с накаткой изменяется диаметр отверстия апертурной диафрагмы (от 1/1 до 1/8 диаметра).

В среднюю часть интерференционной головки ввинчен объектив 7 (см. рис. 4). В корпусе средней части установлены разделительная пластинка 6 и компенсатор 10. Рукоятка 34 (см. рис. 3) служит для включения шторки. При включенной шторке лучи не попадают в объектив 11; в этом случае на микроинтерферометре можно работать как на металлографическом микроскопе. На торце рукоятки 34 (см. рис. 5) нанесена стрелка, указывающая положение шторки.

В правой части головки установлены объектив 11 (см. рис. 4) и эталонное зеркало 12. Эта часть имеет устройство для изменения ширины и направления интерференционных полос. Ширина полос изменяется вращением винта 35 (см. рис. 5) вокруг его оси. Изменение направления полос производится этим же винтом путем вращения его вокруг оси интерференционной головки. Винт 36 служит для смещения интерференционных полос в поле зрения микроскопа.

Определение толщины пленки

Измерение толщины пленки сводится к определению высоты ступеньки на границе раздела пленка-подложка. И пленка, и подложка не должны иметь царапин, отслоений и сколов, попадающих в зону наблюдения.

При правильной настройке микроинтерферометра в его поле зрения должны быть видны одновременно граница пленка-подложка и интерференционные полосы, изогнутые в местах, где собственно проходит ступенька, причем интерференционные полосы должны быть ориентированы перпендикулярно к направлениюступеньки.

При работе с белым светом высота ступеньки определяется по следующей формуле:

 (2)

где 0,27 – длина волны в микрометрах, принятая для белого света.

При работе с монохроматическим светом — по формуле

(3)

где Η — толщина пленки;

ΔN — величина изгиба полосы в долях интервала;

λ — длина волны света, указанная в паспорте.

Для желтого светофильтра она составляет 0,590 мкм,

для зеленого – 0,529 мкм.

Измерение величины интервала между полосами

Величина интервала между полосами N1-N2 выражается числом делений шкалы барабана окулярного микрометра. Для большей точности измерения наводку нити перекрестия сетки окулярного микрометра лучше всего производить по середине, а не по краю полосы.

Измерение величины изгиба полос

Величину изгиба полос N3-N4 также выражают в делениях шкалы барабана винтового окулярного микрометра.

Одну из нитей перекрестия сетки микрометра совмещают с серединой полосы и по шкалам окулярного микрометра снимают отсчет Ν3. Затем нить перекрестия совмещают с серединой той же полосы в месте изгиба и получают второй отсчет N4.

Порядок работы

  1.  Включить блок питания интерферометра в сеть 220 В.
  2.  Включить осветительную лампу интерферометра
  3.  Положить на предметный столик интерферометра подложку с пленкой так, чтобы поверхность с пленкой была обращена в сторону объектива.
  4.  Подвести в область зрения объектива границу раздела пленка-подложка.
  5.  Ввести в ход лучей шторку 34 для получения интерференционной картины.
  6.  Вставить в ход лучей желтый или зеленый светофильтр.
  7.  Произвести замер расстояния между соседними интерференционными линиями и величину изгиба интерференционной линии при ее переходе через границу раздела пленка-подложка.
  8.  Произвести вычисление толщины пленки исходя из произведенных замеров и длины волны, соответствующей  выбранному светофильтру.

Контрольные вопросы:

  1.  Какие методы используются для определения толщины тонких пленок?
  2.  Каков диапазон толщин пленки, который охватывает интерференционный метод измерения с помощью прибора МИИ-4
  3.  Какие ограничения накладываются на состояние поверхности для выполнения измерений с помощью МИИ-4?
  4.  Каков принцип измерений толщины на приборе МИИ-4?
  5.  Как определить увеличение, даваемое МИИ-4 при использовании его в режиме металлографического микроскопа?

Литература

Б.С. Данилин. Вакуумное нанесение тонких пленок. М. «Энергия», 1967

Л. Майссел, Р. Глэнг. Технология тонких пленок. Справочник. М., «Сов. радио», 1977

PAGE  2


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

63531. Загальні поняття конструювання 483.5 KB
  Конструювання як інженерна діяльність є процесом пошуку знаходження і відображення в конструкторській документації форми розмірів складу виробу деталей вузлів використовуваних матеріалів комплектуючих виробів взаємне розташування частин і зв’язки між ними вказівок...
63533. Оптоелекронні пристрої 3.51 MB
  Використовують для естетичних завдань, а також використовування вимірювання різних дефектів у важливих за призначенням об’єктах (дефект колеса літака), а також в інформаційних системах.
63535. Основные параметры и характеристики сканеров 19.34 KB
  Существует несколько видов разрешения указываемого производителем сканеров. В массовых моделях сканеров обычно оно бывает равно 100 или 200 для ручных и рулонных сканеров и 300 600 или 1200 dpi для планшетных сканеров.
63538. Налоги в экономической системе общества 98.5 KB
  Налог является таким образом не только финансовой категорией но и правовой признаки налога смотреть в практике. Таким образом в налогах выражается весь спектр экономических политических и социальных интересов государства и общества.