Метод двох мікроскопів
Найбільш широке поширення з методів, що використовують оптичні властивості плівок, отримали метод двох мікроскопів і багатопроменева інтерферометрія (смуги рівної товщини і смуги рівного хроматичного порядку).
Для
вимірювання товщини плівки за методом
двох мікроскопів застосовується
установка, блок-схема якої наведена на
рисунок 3. Решітка 6,
прорізана голкою в тонкому шарі срібла,
висвітлюється через лінзи 2
і 3
та фільтри 4
і 5
дугового лампою 1
і відображається в зменшеному масштабі
мікроскопом 7
на пластині 9
таким чином, щоб зображення точно лежало
на межі між плівкою металу і підкладкою.
Зображення решітки, відбиті від поверхні
плівки і підкладки, проектуються
мікроскопом 8
на екран 10
і зсуваються на деяку величину
.
Товщина шару
через зсув
виражається залежністю:
, (2.3.1)
де
–
збільшення
другого мікроскопа;
– кут
між нормаллю до шару і віссю мікроскопа.
Перед решіткою розташовується діафрагма, яка наполовину закривається желатиновою плівкою, пофарбованою складом, який послаблює інтенсивність променя, падаючого на метал. Це необхідно для вирівнювання інтенсивності світла, відбитого від скла і металу. Відстань між штрихами не повинна бути менше 0,05 мм, так як при менших товщинах зрушення лінії стає менше ширини штриха, що ускладнює вимірювання відстаней між ними. Зображення після другого мікроскопа фотографується і негатив фотометрують, причому ширина щілини фотометра повинна бути не більше ширини штриха.
Рисунок 2.3.1 – Блок-схема установки для визначення товщини плівки методом двох мікроскопів
До переваг методу слід віднести його досить високу точність (близько 4%) і універсальність. Основним недоліком методу є складність вимірювання зсуву між штрихами.
Метод полос рівної товщини
Одним з основних методів калібрування приладів для вимірювання товщини плівок є метод смуг рівної товщини. Метод застосовується в тому випадку, коли вимірювані товщини настільки малі, що при порівнянні їх з еталонним метром, що є масштабом довжини, помилка по порядку величини стає рівною самому результату вимірювання, що змушує переходити до масштабу довжини хвилі монохроматичного світла. В основі методу лежить отримання різниці фаз двох когерентних променів, що залежить від товщини вимірюваного шару, яка визначається за інтерференції обох променів і служить для розрахунку товщини шару.
Блок-схема установки для вимірювання товщини плівки за цим методом показана на рисунок 4.
Рисунок 2.4.1 – Блок-схема установка для визначення товщини плівки методом смуг рівної товщини
Світло від джерела 1 через конденсатор 2, діафрагму 3, коліматор 4 і фільтр 5 і через дзеркало потрапляє на клин 7. Темні і світлі смуги, що виникають в результаті інтерференції між променями спостерігаються за допомогою мікроскопа 6.
Товщина плівки знаходиться із співвідношення:
(2.4.1)
де
– довжина хвилі монохроматичного
світла;
– відстань
між сусідніми смугами;
– зміщення.
Точність методу підвищується, якщо покрити поверхню клина плівкою з великим коефіцієнтом відбиття і малим коефіцієнтом поглинання. Крім того, для підвищення точності важливо мати однорідну плівку по всій поверхні зразка і чітко виражений контур сходинки, що має відхилення від нормалі в падаючому монохроматичному пучку не більше 1-3°. На практиці точність вимірювання становить 20-30 Å. Основні причини виникнення похибок – недосконалість оптичних полірованих поверхонь.
До переваг методу слід віднести його високу точність, а також простоту процесу вимірювання товщини.
При використанні методу смуг рівного хроматичного порядку замість монохроматичного джерела світла використовується джерело білого світла, що у багато разів збільшує інтенсивність світла, що падає на інтерферометричні пластини. Інтерференційна картина спостерігається на паралельних пластинах з малим повітряним зазором. Підготовка пластини із плівкою, товщина якої вимірюється, проводиться таким чином: частина підкладки екранується щільно притиснутою фольгою, після чого шляхом вакуумного напилювання на підкладку осідає тонка плівка. Потім фольга знімається, і на підкладці залишається сходинка, рівна товщині плівки. Після цього на вимірювану плівку напилюється непрозорий шар срібла з коефіцієнтом відбиття 92–94%, який точно повторює рельєф сходинки. Висота сходинки є вимірюваної товщиною плівки. На другу скляну пластинку осаджується частково прозорий шар срібла. Обидві платівки стискуються спеціальним затиском і висвітлюються паралельним пучком білого світла. Виходить при цьому в повітряному зазорі інтерференційна картина проектується ахроматичною лінзою на щілину спектрографа.
У фокальній площині об'єктива камери утворюються дві системи ліній рівного хроматичного порядку. Система ліній, що виникає в зазорі великої товщини, зміщена в довгохвильову частину спектру по відношенню до другої системи ліній. Це зміщення тим більше, чим більше вимірювана товщина плівки. Точність визначення товщини цим методом становить 5 Å. До переваг методу слід віднести його високу точність і універсальність. Основним недоліком методу є неможливість вимірювання товщини плівки в процесі напилювання.
Крім інтерференційних методів, для вимірювання товщин може бути використана здатність тонкої металевої плівки, змінювати стан поляризації світла, відбитого цією поверхнею. Таким шляхом вдається вимірювати плівки товщиною від 50 до 1000 Å з точністю 10–15 Å[4].
При нанесенні багатошарових інтерференційних шарів товщина кожного шару може контролюватися шляхом вимірювання інтенсивності світла, відбитого або пройденого через контрольну пластинку, за допомогою фотоелемента і гальванометра.