Практические измерения толщины тонких плёнок

Линия волоконно-оптической связи состоит из двух волноводов. Они объединены в единый кабель, который соединён перед держателем оптического щупа, и расходятся для подсоединения к блоку источников света и спектрометру (рис. 4.1.14).

Рис. 4.1.14. Делитель оптоволоконного кабеля

 

Программное обеспечение

Программное обеспечение AvaSoft-Thinfilm - автономный пакет программ, который поставляется с спектрометрической системой определения толщины пленок TUAvaThinfilmUT.

Программное обеспечение AvaSoft-Thinfilm вычисляет толщину слоя при помощи анализа интерференции отраженного спектра от оптически прозрачных пленок с известными оптическими параметрами.

В программном обеспечении AvaSoft-Thinfilm реализованы два метода вычислений толщины тонкой пленки: быстрое преобразование Фурье (FFT) и алгоритм оптимизации наилучшего приближения (спектр соответствия). Метод FFT главным образом используется для определения толщины толстых пленок. Метод оптимизации наилучшего приближения определяет толщину с использованием различных путей вычисления толщины пленок. Соответствующие параметры толщины могут передаваться и использоваться для контроля качества тонких пленок и ускорения обработки данных о характеристиках толщины пленок.

Обширная база данных оптических параметров подложек и покрытий включена в программное обеспечение и содержит параметры продуктов важных областей производства, например, оптические характеристики для вычисления толщины полупроводниковых слоёв и напыляемых покрытий. Программное обеспечение AvaSoft-

ThinFilm содержит расширяемую встроенную базу данных по оптическим характеристикам наиболее часто применяемым материалам подложки и пленки.

Система измерения толщины тонких плёнок AvaSpec Thin Film может измерять толщину плёнки в диапазоне 10 нм – 50 мкм с разрешением 1 нм.

AvaSoft-Thinfilm поддерживает множественные каналы и позволяет одновременно отслеживать характеристики образцов по 8 временным рядам измерений для оценки толщины тонких пленок и мониторинга качества.

 

Порядок выполнения работы

1. Прежде, чем начать измерения, необходимо удостовериться, что все элементы установки соединены в соответствии со схемой.

2. Далее необходимо подготовить образцы для измерений. Для получения результата (толщины плёнки), необходимо знать показатели преломления вещества самой плёнки и вещества подложки, на которую плёнка нанесена. При работе с образцами нельзя трогать поверхность плёнки руками, чтобы не запачкать поверхность плёнки жиром или грязью.

3. Подготовить эталон. Эталонном служит подложка без нанесённой плёнки.

4. Включить все приборы. При этом на передних панелях приборов загораются индикаторы. На блоке источников света выбрать положение «DH» - среднее положение тумблера.

5. Вызвать программу, дважды щёлкнув мышью по иконке (на рабочем столе ПК) с названием AvaSoft 7.2 Thinfilm USB2:

 

 

6. При загрузке программы на рабочем столе появляется заставка с логотипом фирмы Avantes

 

 

 

 

 

 

После загрузки программы на мониторе появляется первый экран (рис. 4.1.18). Экран пуст, поскольку измерения пока не проведены.

 

Рис. 4.1.17. Первый экран при работе с программой

 

7. Перед проведением измерений необходимо задать значения эталона (подложка) и «чёрного» света (темновой сигнал спектрометра).

 

7 а. Измерение значений эталонной подложки:

Поставить под оптический щуп эталон (подложку). В верхнем меню нажать кнопку S. Нажать кнопку Start. Через несколько секунд нажать кнопку Stop. На экране появится результат измерений.

Нажать белый квадратик. Программа предложит сохранить данные, на что надо согласиться.

 

7 б. Измерение значений темнового сигнала:

Закрыть (или выключить) световой поток, идущий по оптическому световоду. Нажать кнопку S. Нажать кнопку Start. Через несколько секунд нажать кнопку Stop. На экране появится результат измерений темнового сигнала (рис. 4.1.18).

 

 

Рис. 4.1.18. Измерение темнового сигнала спектрометра

 

Нажать чёрный квадратик. Программа предложит сохранить данные, на что надо согласиться, нажав кнопку «ОК» в появившемся окне (рис. 4.1.19).

Рис. 4.1.19. Сохранение значений темнового сигнала

 

При проведении измерений отражения подложки и темнового сигнала максимально уменьшить внешнее освещение или светоизолировать подставку с оптическим щупом.

 

8. Выставить обозначения материалов подложки и плёнки, выбрав из базы данных (рис. 4.1.20):

Рис. 4.1.20. Выставление значение параметров исследуемого образца

 

Материалы подложки и плёнки выбираются из базы данных, расположенной в директории с базой данных

C:/Thinfilm7USB2/materials. Экран с базой данный приведён на рис. 4.1.21.

Рис. 4.1.21. Экран с базой данных по используемым материалам

9. Установить образец. При этом торец оптоволоконного щупа, закреплённого в держателе, приблизить к образцуTP[1]PT, следя при этом, чтобы не было касания поверхности.

Рис. 4.1.22. Образец установлен

 

10. В верхнем меню нажать кнопу R.

Выставить время проведения измерений (Integration time) в мс. Время проведения одного измерения (одного сканирования) порядка 30 мс.

Выставить количество проходок сканирования (Average).

Затем нажать Start для начала проведения измерений.

Установка начала проведение измерений. Данные отображаются на экране.

На экране появится результат измерений (рис. 4.1.23).

 

Через несколько секунд остановить измерения, нажав на кнопку Stop.

На маленьком экране выводится значение толщины плёнки. На рис. 4.1.23 толщина плёнки равна 655,3 нм.

 

 

 

Результаты проделанных измерений толщины занести в таблицу 4.1.1

 

Таблица 4.1.1. Значения толщин плёнок

 

Здесь dB_1B, dB_2B, dB_3B – толщины плёнок образцов с номерами 1, 2 и 3;

ΔdB_1B, ΔdB_2B, ΔdB_3B – приборные погрешности измерений (на рис. 4.1.25 погрешность определена автоматически в красном окошке);

ΔdB_слB – случайная погрешность измерений;

Δd – полная погрешность измерений, учитывающая приборную и случайную погрешности.

 

12. Данные измерений можно сохранить. Для этого необходимо создать директорию, в которую предполагается сохранить данные. Далее, после окончания текущего измерения выбрать эту директорию следующим образом: в верхнем меню выбрать File → Start New Experiment, далее с помощью обозревателя найти ранее созданную папку, далее задать имя данной серии экспериментов. В ходе дальнейших записей программа автоматически будет присваивать номер текущему измерению под заданным именем (рис. 4.1.24).

Данные будут сохранены в формате программы, т.е. их можно вызвать только при работающей программе.

 

Рис. 4.1.24. Сохранение данных в формате программы

 

Данные также можно сохранить в формате Excell или ASCII. Для этого необходимо выбрать файлы для конвертирования: File → Conver Graph , далее с помощью обозревателя найти ранее созданную папку, выделить файлы и дать команду выполнить операцию.

 

13. Записать ответ в виде

Образец 1: dB_1B=dB_1срB±ΔdB_1B

Образец 2: dB_2B=dB_2срB±ΔdB_2B

Образец 3: dB_3B=dB_3срB±ΔdB_3B

 

Расчёт ошибок измерений

В программе предусмотрен автоматический расчёт погрешности измерений (Рис. 4.1.25.). Для каждого измерения в окошке, выделенном на рис. 4.1.25. красным цветом, выводится значение погрешности измерений толщины в нанометрах (нм).

 

 

Записать значение погрешности для каждого из измерений в таблицу 4.1.1. Рассчитать среднее арифметическое погрешности для каждого образца:

.

Данная погрешность может считаться приборной погрешностью.

Рассчитать случайную погрешность измерений методом Стьюдента.

Рассчитать среднее арифметическое значение измеренной величины

;

 - результат измерения с номером ;  - число измерений данной величины.

Выбрать коэффициент Стьюдента из таблицы 2.1.3, приведённой в приложении 2, соответствующее доверительной вероятности 0,95 и проведённому числу измерений.

Рассчитать выборочное стандартное отклонение среднего арифметического (или среднеквадратичную погрешность среднего арифметического):

,

где  - результат измерения с номером ;  - среднее арифметическое;  - число измерений данной величины.

Перемножить коэффициент Стьюдента  и выборочное стандартное отклонение среднего арифметического  и таким образом найти случайную погрешность .

Полная погрешность измерений рассчитывается

.

Значение  приводится в окончательной записи результатов измерений (пункт 13 порядка выполнения работы). Точность ответа – десятые доли нм.

 

Контрольные вопросы

1.      Дать определение явления интерференции.

2.      Дать определение когерентных волн.

3.      Описать методы получения когерентных волн.

4.      Перечислит и кратко охарактеризовать методы наблюдения интерференции.

5.      Описать метод наблюдения интерференции в тонких плёнках.

6.      Привести примеры наблюдения интерференции в тонких плёнках в природных явлениях.

7.      Привести примеры использования тонких плёнок.

8.      Перечислить основные элементы установки и схему их соединения.

9.      Что служит источниками света в установке?

10.  Как выбрать уровень светового сигнала для проведения измерений?

11.  Как световой сигнал передаётся на измерительное устройство?

12.  Принцип передачи световых сигналов оптоволоконной линией.

13.  Какие данные о материалах образцов необходимо знать для проведения измерений используемым методом?

14.  Для чего используются эталон материала подложки и чёрного цвета?

15.  Как выставить значения показателей преломления вещества плёнки и подложки, на которую плёнка нанесена?

16.  Как рассчитать погрешность измерений?

 

 

Список литературы

1. Яворский Б.М., Детлаф А.А. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2003 . – 720 с.

2. Трофимова Т.И. Курс физики. – М.: Высшая школа, 2004 – 544 с.

3. Сивухин Д.В. Оптика. Т.4. – М.: Физматлит, 2006. – 731 с.

4. Степанов Б.И. Введение в современную оптику. – Минск: Наука и техника, 1989. – 254 с.

5. Физическая энциклопедия. Т.4. Под редакцией А.М. Прохорова. – М.: Большая Российская энциклопедия, 1994. – 704 с.