Способ измерения толщины пленок на подложке

 

Способ измерения толщины пленок на поверхности материала подложки включает облучение поверхности оптическим излучением, перестройку длины волны излучения, регистрацию отраженного от поверхности сигнала с последующим анализом зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны, характеризующей толщину пленки. Причем зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны аппроксимируют функцией, представляющей собой коэффициент отражения трехслойной системы воздух - материал пленки - материал подложки, вычисляют параметры аппроксимации и определяют толщину пленки по параметрам аппроксимирующей функции. Технический результат - уменьшение появления ошибок при измерениях в условиях влияния внутренних и внешних помех. 1 ил., 1 табл.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано, в частности, для оперативного экспресс-контроля толщины пленок нефтепродуктов в очистных сооружениях, на внутренних водоемах, акваториях портов и т.п.

Известны способы измерения толщины пленки на поверхности материала [1, 2] , заключающиеся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, перестраивают длину волны излучения, падающего на поверхность пленки, регистрируют отраженный от поверхности сигнал, измеряют зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны и определяют толщину пленки по результатам вычисления расстояния между экстремумами или числа экстремумов на кривой зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны в диапазоне перестройки.

Наиболее близким к предлагаемому является способ измерения толщины пленки на поверхности материала [3], заключающийся в том, что на поверхность пленки направляют оптическое излучение, перестраивают длину волны излучения, падающего на поверхность пленки, регистрируют отраженный от поверхности сигнал, анализируют зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны, аппроксимируют зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны синусоидой, вычисляют параметры этой аппроксимации и определяют толщину пленки по периоду аппроксимирующей синусоиды.

Недостатком этого способа является возможность появления больших ошибок при реальных измерениях в условиях шумов (имеются в виду как внутренние шумы измерительной аппаратуры, так и внешние помехи, приводящие к флуктуациям принимаемого сигнала). Возможность появления больших ошибок связана с тем, что синусоидальная функция не точно аппроксимирует зависимость принимаемого сигнала от длины волны излучения.

Избежать этого недостатка можно тем, что согласно способу измерения толщины пленки на поверхности материала, включающему облучение поверхности оптическим излучением, перестройку длины волны излучения, регистрацию отраженного от поверхности сигнала с последующим анализом зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны излучения, для измерения толщины пленки используют аппроксимацию зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны функцией специального вида (представляющей собой коэффициент отражения трехслойной системы воздух - материал пленки - материал подложки), вычисляют параметры аппроксимации и определяют толщину пленки по параметрам аппроксимирующей функции.

Наличие отличительного признака указывает на соответствие критерию "новизна".

Указанные признаки неизвестны в научно-технической и патентной литературе и поэтому предложенное техническое решение соответствует критерию "изобретательский уровень".

Предлагаемый способ можно реализовать с помощью устройства, содержащего перестраиваемый по длине волны источник излучения 1, фотоприемник 2, блок 3 вычисления зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны излучения, блок 4 определения толщины пленки на поверхности материала подложки 5 (см. чертеж).

Устройство работает следующим образом.

Оптическое излучение источника 1 отражается поверхностью материала пленки (толщиной d) и подложки 5, интенсивность отраженного излучения регистрируется фотоприемником 2, сигнал с фотоприемника поступает в блок 3 вычисления зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны излучения I(λ). Величина I(λ) поступает в блок 4 определения толщины пленки. В этом блоке проводят следующие этапы: 1. Вычисленную зависимость интенсивности отраженного сигнала I(λ) от длины волны излучения аппроксимируют функцией следующего вида: где А, В - амплитуда и постоянная составляющая регистрируемой фотоприемником интенсивности излучения; некоторое текущее значение толщины пленки; λ - длина волны излучения лазера; коэффициент отражения трехслойной системы воздух - материал пленки - материал подложки, равный [4, 5]: волновое сопротивление j-ой среды;
m=n+ik - комплексный показатель преломления среды;
n, k - показатели преломления и поглощения среды;

Индексы 1, 2, 3 относятся соответственно к воздуху, материалу пленки и материалу подложки.

2. Вычисляют среднеквадратичное отклонение аппроксимирующей функции и данных измерений I(λ) (зависящих от действительной толщины пленки d):

3. Находятся значения при которых функция имеет локальные минимумы.

4. Выбирается глобальный минимум и соответствующая ему величина принимается за измеренную толщину пленки.

В известном способе измерения толщины пленок на поверхности материала [3] толщина пленки определяется с помощью аппроксимации полученной зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны излучения синусоидой. Это может приводить к большим ошибкам при реальных измерениях в условиях шумов. Предлагаемый способ свободен от этого недостатка. Это хорошо видно из таблицы, где представлена относительная ошибка определения толщины пленки нефти (в %) при использовании предлагаемого способа и известного способа [3] .

Заявляемое изобретение направлено, в частности, на решение задачи оперативного экспресс-контроля толщины пленок нефтепродуктов, что особенно важно в очистных сооружениях при контроле степени очистки воды.

Измерительное устройство может быть собрано на предприятиях РФ из компонент и узлов, изготавливаемых в РФ, и соответствует критерию "промышленная применимость".

Источники информации
1. Устройств для автоматического измерения толщины пленки. Патент Японии 3-57407, кл. G 01 B 11/06, 1993. (РЖ Изобретения стран мира, 1993, выпуск 82, N 3, с.45).

2. United States Patent. Method of measuring film thickness. Patent Number 4645349. Date of Patent: Feb. 24, 1987. Int. Cl. G 01 B 11/06.

3. Дистанционный способ измерения толщины пленок. Патент РФ на изобретение 2168151, МКИ G 01 B 11/06, 27.05.2001.

4. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука, 1970, 855 с.

5. Гуревич И.Я., Шифрин К.С. Отражение видимого и ИК-излучения нефтяными пленками на море //Оптические методы изучения океанов и внутренних водоемов. - Новосибирск: Наука, 1979, с. 166-176.

Формула изобретения

Способ измерения толщины пленки на поверхности материала подложки путем облучения поверхности оптическим излучением, перестройки длины волны излучения, регистрации отраженного от поверхности сигнала с последующим анализом зависимости интенсивности отраженного сигнала от длины волны, характеризующей толщину пленки, отличающийся тем, что зависимость интенсивности отраженного сигнала от длины волны аппроксимируют функцией, представляющей собой коэффициент отражения трехслойной системы воздух - материал пленки - материал подложки, вычисляют параметры аппроксимации и определяют толщину пленки по параметрам аппроксимирующей функции.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2