Пристрій для неруйнівного контролю товщини діелектричних тонких плівок

Пристрій для неруйнівного контролю товщини тонких діелектричних плівок, що містить хвилевід 3 Найбільш близьким за технічною суттю є пристрій для неруйнівного контролю товщини тонких діелектричних плівок [2], що містить хвилевідний тракт на діелектричному хвилеводі прямокутного поперечного перерізу, пристрої вводу та виводу НВЧ потужності. Хвилевідний тракт пристрою включає розміщені паралельно один напроти іншого рефлектори у формі плоских пластин, між якими встановлена контрольована плівка, при цьому відстань між пластинами і довжина зондувальної хвилі електромагнітного поля пов'язані співвідношенням:  0,5   1 , h де: h - відстань між рефлекторними пластинами,  - довжина зондувальної хвилі електромагнітного поля, а пристрої вводу та виводу НВЧ потужності виконані у вигляді секторних рупорів, більші стінки яких утворені фрагментами кругових циліндрів з радіусом, що дорівнює довжині секторних рупорів, установлених на протилежних торцях однієї з рефлекторних пластин перпендикулярно останній, при цьому розкриви секторних рупорів розташовані в одній площині із внутрішньою границею цієї пластини. Використання в пристрої для контролю товщини діелектричної плівки відкритого хвилеводу не виключає випромінювання НВЧ хвилі через бічні розкриви, що викликає збудження паразитних резонансів і пов'язаних із цим додаткових похибок у вимірах при визначенні контрольованих величин, що призводить до низької вірогідності і точності параметрів контролю діелектричних тонких плівок. В основу винаходу поставлено задачу створення пристрою для неруйнівного контролю товщини тонких діелектричних плівок в умовах однобічного доступу до об'єкта контролю шляхом реалізації в пристрої хвилевідного тракту заданого вигляду для створення умов детермінованої взаємодії поверхневої хвилі діелектричного хвилеводу на максимально можливій довжині траси з контрольованою діелектричною плівкою, що дозволяє, забезпечивши необхідну високу роздільну здатність пристрою в міліметровому діапазоні електромагнітних хвиль, виключити інерційність контролю та втрати НВЧ потужності у вимірювальному тракті, за рахунок чого досягнуте підвищення вірогідності і точності вимірів контрольованого параметра. Поставлена задача вирішується тим, що у пристрої для неруйнівного контролю товщини тонких діелектричних плівок, який містить хвилевідний тракт із діелектричним хвилеводом прямокутного поперечного перерізу, пристрої вводу та виводу НВЧ потужності, згідно з винаходом, хвилевідний тракт виконаний на планарному діелектричному хвилеводі довжиною декілька десятків довжин хвиль не менш 30 , встановленому в контакті широкої грані з контрольованою плівкою, діелектрична проникність якої дорівнює діелектричній проникності планарного хвилеводу, при цьому параметри діелектричного планарного хвилеводу товщина a , ширина b , діелектрична проникність матеріалу  та довжина хвилі (зондувальної хви 97051 4 лі) електромагнітного (випромінювання) поля  у хвилеводі пов'язані співвідношенням:  ; b  3a . a 2  1 Виконання хвилевідного тракту на планарному діелектричному хвилеводі довжиною декілька десятків довжин хвиль не менш 30, встановленого в контакті широкої грані з контрольованою плівкою, діелектрична проникність якої дорівнює діелектричній проникності планарного хвилеводу, дозволяє при відомих довжині відрізка діелектричного хвилеводу і діелектричної проникності матеріалу плівки забезпечити вихідний сигнал інтерферометра однозначно без додаткової комп'ютерної обробки пропорційний відхиленню товщини плівки від номінальної величини навіть за нульового значення товщини останньої. Товщина діелектричного хвилеводу a , ширина b , діелектрична проникність матеріалу хвилеводу  , довжина хвилі електромагнітного поля  , пов'язані між собою співвідношеннями:  ; b  3a , a 2  1 для реалізації одномодового режиму поширення власних електромагнітних хвиль прямокутного діелектричного хвилеводу певного (заданого) поперечного перерізу, тобто існування тільки основної хвилі квазінескінченного плоскопаралельного хвилеводу H1 або E1 , що дозволяє з високою роздільною здатністю, тобто вірогідністю і точністю, контролювати товщину діелектричної плівки в процесі виробництва. Контрольована плівка для забезпечення взаємодії із зондувальною НВЧ хвилею приведена у контакт із широкою гранню відрізка діелектричного хвилеводу на довжині декількох десятків довжин хвиль зондувального випромінювання, що дозволяє реалізувати високу кратність замірів контрольованої плівки у міліметровому діапазоні електромагнітних хвиль шляхом спільного сканування загальної товщини діелектричного хвилеводу з приєднаною контрольованою плівкою з того ж матеріалу, що і хвилевід. Малими довжинами зондувальної електромагнітної хвилі на максимально довгому відрізку діелектричного хвилеводу за рахунок чого досягнута субмікронна точність контролю вимірюваної величини і висока вірогідність результатів вимірів. На фіг. 1 подана електродинамічна схема пристрою для неруйнівного контролю товщини тонких діелектричних плівок (радіоінтерферометра), на фіг. 2 поперечний переріз хвилеводу в системі координат; на фіг. 3 - інтерферограми. Пристрій для неруйнівного контролю товщини тонких діелектричних плівок, що являє собою вимірювальне плече радіоінтерферометра, містить діелектричний невідкритий планарний хвилевід 1 прямокутного поперечного перерізу, границі (довжина) якого сягають до нескінченності, виготовлений з матеріалу електричною проникністю, що дорівнює (або близька) до діелектричній проникності контрольованої плівки, наприклад полістирол (поліетилен). 5 97051 Поперечний переріз діелектричного хвилеводу встановлений за умов знаходження довжини хвилі зондувального електромагнітного поля  у межах, описаних співвідношенням: a   , b  3a , 2  1 для забезпечення одномодового хвилевого режиму у прямокутному хвилеводі заданого поперечного перерізу, тобто режиму існування тільки основної хвилі відповідного плоскопаралельного нескінченного діелектричного шару (b  ) H1 або E1 . У процесі виробництва контрольована тонка діелектрична плівка 2 установлена в контакті із широкою гранню планарного діелектричного хвилеводу, наприклад щільно притиснута наддуванням повітря до хвилеводу 1. Діелектричний хвилевід 1 у Н-площині приєднаний до хвилевідних трійників 3 і 4 відповідно. Хвилевідний трійник 3 з функцією подільника підключений до генератора 5 НВЧ діапазону електромагнітних хвиль, з'єднаному з атенюатором 6, підключеним до фазообертача 7, які утворюють опорне плече інтерферометра. Хвилевідний трійник 4 одним входом з'єднаний з фазообертачем 7 опорного плеча інтерферометра, іншим - із протилежним кінцем хвилеводу 1, а вихід через НВЧ детектор 8 підключений до реєструвального пристрою 9. Робота пристрою здійснюється у такий спосіб. Від генератора 5 НВЧ випромінювання міліметрового діапазону у формі основної і єдиної хвилевідної хвилі H1 або E1 , потрапляючи в розділовий трійник 3, ділиться навпіл між вимірювальним і опорним плечима інтерферометра. Оскільки у планарному діелектричному хвилеводі 1 з товщиною a і шириною b виконується  умова: a  , b  3a , тобто надійшовши в 2  1 нього НВЧ випромінювання буде існувати винятково у вигляді хвилі типу H1 або E1 , причому інші типи хвиль у діелектричному хвилеводі 1 таких параметрів збуджуватися не будуть. Поширюючись у діелектричному хвилеводі 1, хвиля H1 або E1 взаємодіє з контрольованою у процесі виробництва і рухомою із заданою швидкістю тонкою діелектричною плівкою 2, змінюючи при цьому свою фазу тим більшою мірою, що більше довжина відрізка взаємодії та товщина (або діелектрична проникність) плівки. Далі НВЧ хвиля надходить у верхнє плече хвилевідного трійника 4, у нижнє плече якого надходить НВЧ хвиля опорного плеча інтерферометра. Отриманий при інтерференції хвиль вимірювального та опорного плеч результуючий сигнал детектується НВЧ-детектором 8 і індикується індикатором 9. При цьому, сигнал, що надходить на індикатор 9, буде прямо пропорційний відхиленню товщини контрольованої плівки від номінального значення та може бути використаний для здійснення зворотного зв'язку на механізм керування товщиною плівки плівковиробної машини. Для доведення можливості здійснення контролю товщини тонкої діелектричної плівки із заданим 6 (субмікронним) ступенем точності розглянемо розрахункові співвідношення, що випливають із фізичного ефекту, покладеного в основу поширення хвиль у пристрої запропонованого конструктивного виконання. За умови, коли параметри ,, a пов'язані співвідношенням: a   , у плоскопаралель2  1 ному діелектричному хвилеводі згідно з [3] можуть існувати тільки основні типи хвиль H1 або E1 . У хвилі електричного типу E1 є єдина складова магнітного поля H y H y  Px, y Cost  z  , де  - кругова частота електромагнітного поля; t - час;  - поздовжнє хвильове число; Px, y - функція, що описує поводження поля залежно від координат x, y . На відстані від критичної частоти для поздовжнього хвильового числа  має місце залежність: 2   2 2  ,   1   2  2a   де  - безрозмірне внутрішнє поперечне льове число. Для товщини планарного діелектричного леводу a : a a  ;  a a   a    1   1,  де a - відносний розмір; a - наведений мір;  - довжина хвилі у вільному просторі. виконанні умови існування основної хвилі:   кр ;  хвихви розПри a 1 ,   кр 2   1 тобто  кр  2a   1 ,   2a   1 . Звідси: a   . 2  1 Як виходить з [3] поздовжнє хвильове число визначається співвідношенням:  2   2 2 2 .  k 1 k   2  2  2 d 2  2 d 2 Поблизу критичної частоти, коли зовнішнє 2 хвильове число  достатньо мале  0,  2 d 2 маємо:  k   k 1 2 ,  2 d 2 7  2 ,  k  2 d 2  d2  .    k1   2 d 2  2   U 1 97051 8 Удалині від критичної частоти внутрішнє хвильове число  близько до свого граничного значення  гр . Другий член під знаком радикала також « (значно менше) першого при цьому   a  2  , при  d    k  1   2  2d   2   2 2  ,    1     2a 2   2   2 2  ,    1     2a  d2   2   2 2  ,  d   1     2a  d2    2L 22 22  2L  Ф   dL  L   1   1    2a  d2 2a 2       1 1 1  a2  1  1 1 1     1   2 a  d2 a 2  2  a2  d 2  a2 a  d  a (1  )   a     22 2  1  1     a 2 a  d2        1 1    1  2( d )  ( d )2   a a    d     1  2( )  1  1  1 1  2d 1 2d a   1     2 d  a2  d  a3 d 3 a 1  2( ) 1 2 1  2( ) a     a  a  a   2 2 2d 4 2 або Ф  Ld . Ф  2 L 4 a 3 dmin  Ф  a 3 . 42 L На відрізку діелектричного хвилеводу довжиною L зміна фази основної хвилі складе величину L . Приведення тонкої плівки товщиною d у контакт із відрізком діелектричного хвилеводу заданої довжини з того ж матеріалу, що і хвилевід, еквівалентно збільшенню товщини діелектричного хвилеводу з величини a до a  d . Тоді, поздовжнє хвильове число  d може бути записано як  2 2  2  .  1    2a  d2    У цьому випадку зміна фази хвилі електричного типу E1 на відрізку діелектричного хвилеводу d  довжиною L складе величину  dL . Різниця величин  dL і L буде відповідати такій зміні фази на виході відрізка діелектричного хвилеводу довжиною L , що виникає при притисненні до нього контрольованої плівки:  22   1 1  L .    a 2 a  d2    За умови високої роздільної здатності інтерферометра у виразі Ф нехтуємо величиною d , оскільки d  a , тоді: 42  Ф  Ld . a 3 Звичайно роздільна здатність інтерферометрів міліметрового діапазону при вимірах різниці фаз оцінюється як Фmin ~ 5 або Фmin ~  / 36 у радіанах. Підставивши значення Ф у вираз для Ф відносно d одержимо формулу визначення роздільної здатності d запропонованого пристрою: Ф  a 3 . dmin  42 L За визначенням відповідності розрахункових даних експериментальним результатам проведені Ф  9 дослідження, у процесі яких атенюатором 7 опорного плеча інтерферометра досягали максимальної різниці між максимальним і мінімальним значенням вихідного сигналу. Зняття інтерферограми здійснювали при зміні зрушення фази зондувальної хвилі опорного плеча за допомогою фазообертача 6 у межах, що дозволяють забезпечити спостереження як мінімуму, так і максимуму з визначенням точки перегину інтерферограми. Визначали точку інтерферограми з максимальною амплітудою при зміні коефіцієнта підсилення вихідного підсилювача інтерферометра на рівні відхилення стрілки вольтметра індикатора 9 на 100 поділок. Фазообертачем 6 опорного плеча рівень сигналу знижували до 50 поділок, що відповідало вибору робочої точки інтерферометра на самому крутому відрізку інтерферограми в точці її перегину. Проведено зняття інтерферограми з використанням запропонованого пристрою сформованої в результаті інтерференції власних хвиль планарного діелектричного хвилеводу вимірювального та опорного плечей. Приведення в контакт активного відрізка планарного діелектричного хвилеводу довжиною L  120 мм із контрольованою діелектричною плівкою викликало розбалансування інтерферометра, величина якого пропорційно відповідала товщині діелектричної плівки, контрольованої по відхиленню стрілки індикатора 9. У процесі попереднього настроювання інтерферометра вирівнювали амплітуди сигналів вимірювального і опорного плечей інтерферометра A1  A 2  A . Результуючий сигнал вигляду U  A 1e iL  A 2 e i , на вході НВЧ детектора вигляду: i L   L   2 , на виході НІЧ деU  2Ae  cos 2 тектора пропорційний квадрату модуля амплітуди 2 2 U  2 A cosL    1 . Максимальне значення цього виразу - Umax 2  4 A 2 . Тоді нормований 97051 10 на максимальне значення сигнал з НВЧ детектора складе: 2 U 1 1   cosL   . 2 2 2 Umax Підставивши у цей вираз значення поздовжнього хвилевого числа власних хвиль діелектричного хвилеводу  2   2 2    1    2a  d2    одержимо:     2 2  1 1  2 L   ,  cos  1   2 2 2  2a  d2    Umax     де: d - товщина контрольованої плівки. У лабораторних експериментах вихідні параU 2  метри становили:   16, a  2 мм, L  120мм при , значенні   0,7 . Теоретична оцінка, наведена виразом для dmin при зазначених параметрах, дозволяє досягати величини мінімальної роздільної здатності: dmin  0,4  103 мм. Використання запропонованого пристрою дозволяє вести контроль рухомої в процесі виробництва тонкої діелектричної плівки, в умовах однобічного доступу із забезпеченням субмікронної точності та високої вірогідності результатів вимірів. Джерела інформації: 1. Конев В. А. Радиоволновый измеритель параметров листовых диэлектриков АНБ - 645 / Конев В. А., Михнев В. А. // Дефектоскопия.-1989. № 2. - С. 45-49. 2. Пат. 77780. України, МПК (2006) G 01 N 22/00, Н 01 Q 13/00. Пристрій для неруйнівного контролю товщини тонких діелектричних плівок / Буданов В. Є., Суслов М. М., Шубенко О. Л.; заявник і патентовласник Інститут проблем машинобудування НАН України. - № 20041008658; заявл. 25.10.2004; опубл 15.01.2007, Бюл. № 1. 3. Взятышев В. Ф. Диэлектрические волноводы / Взятышев В. Ф. - М.: Сов. радио, 1970.-216 с. 11 Комп’ютерна верстка Г. Паяльніков 97051 Підписне 12 Тираж 23 прим. Державна служба інтелектуальної власності України, вул. Урицького, 45, м. Київ, МСП, 03680, Україна ДП “Український інститут промислової власності”, вул. Глазунова, 1, м. Київ – 42, 01601