Interferometria Światła Monochromatycznego


Interferometria Światła Monochromatycznego

Interferometria Światła Monochromatycznego jest tanią optyczna metodą pomiarową dogodną do obserwacji in-situ dynamicznych zjawisk takich jak pęcznienie polimerów, zmiana grubości cienkich warstw zachodzących podczas obróbki przeźroczystych lub półprzeźroczystych warstw. Na rysunku 1 został zilustrowany typowy układ interferometrii światła monochromatycznego.

interferometr

Rysunek 1. Schemat interferometru światła białego.

Układ do interferometrii światła monochromatycznego (Rysunek 1) składa się lasera będącego źródłem światła, fotodetektora, zasilacza i układu kształtującego sygnał, karty akwizycji danych i komputera przetwarzającego dane i sterującego urządzeniem. Typową barwą lasera użytego w tym układzie jest barwa czerwona, jakkolwiek inne barwy jak zielona lub nawet niebieska również mogą zostać użyte. Próbka jest umieszczona na wypoziomowanej powierzchni i światło laserowe pada na nią niemal pod kątem prostym. Próbkę stanowią przeźroczyste warstwy (np. polimeru) naniesione na podłoże odbijające światło (np. krzem). Całkowita energia światła padająca na detektor może być przybliżona jako suma energii dwóch wiązek, to znaczy wewnętrzne odbicie w przeźroczystej warstwie może zostać zaniedbane w pierwszym przybliżeniu. Do analizy brana jest wiązka (A) odbita od od powierzchni próbki i druga (B) odbita od powierzchni podłoża. Całkowita energia światła E, którą otrzymuje detektor może zostać przybliżona wzorem:

rownanie=20swi1

są współczynnikami załamania światła pomiędzy przyległymi warstwami (0 – otoczenie, 1 – warstwa, 2 – podłoże), n1 – współczynnik załamania światła warstwy i d1 – grubość warstwy, podczas gdy n2 – współczynnik załamania światła podłoża, λ – długość światła laserowego użyta w eksperymentach. W urządzeniu FR monitor zastosowany algorytm rozwiązuje  równania odbicia bez żadnych przybliżeń, co prowadzi do dokładniejszych wyników. Z równania 1 wynika, że sygnał w detektorze zależy od współczynnika załamania światła, grubości warstwy i długości światła laserowego. Każda zmiana we własnościach warstwy prowadzi do zmiany sygnału w detektorze i jest zapisywana na komputerze za pośrednictwem karty akwizycji danych. Rozpatrując warstwę o współczynniku załamania światła 1,5 oświetlaną światłem o długości 635 nm można zauważyć na podstawie równania 1, że sygnał detektora zmienia się okresowo wraz ze zmianą grubości warstwy o 211 nm. Po zmianie długości światła na 532 nm okres ten skrócił się do 177 nm umożliwiając dokładniejsze określenie małych zmian grubości lub współczynnika załamania. Analiza ilościowa zmian grubości jest ograniczona do zmian sygnałów wyjściowych większych niż połowa odpowiadającego okresu.

Rysunek 2. Typowa zależność topienia się szkła akrylowego pod wpływem różnych gęstości strumienia elektronów zmierzona układem do interferometrii światła monochromatycznego.

Rysunek 2. Typowa zależność topienia się szkła akrylowego pod wpływem różnych gęstości strumienia elektronów zmierzona układem do interferometrii światła monochromatycznego.

Rysunek 2 przedstawia roztapianie się szkła akrylowego uprzednio wystawionego na działanie wiązki elektronów o różnych gęstościach ładunku. Stosując równanie 1 wyliczona została grubość warstwy ~600nm (trochę mniej niż 3 okresy) co było w bardzo dużej zgodności z pomiarami profilometrycznymi.
Najbardziej znaczącą cechą metody interferometrii światła monochromatycznego prosta budowa, duża elastyczność i niski koszt. Jakkolwiek w związku z użyciem światła monochromatycznego ta metoda powinna być stosowana raczej do monitorowania przebiegu procesu niż do pomiarów warstwy i scharakteryzowania jej.
Typowe zastosowania to kontrola procesów takich jak wytrawianie, powlekanie obrotowe itp.