CC BY
14
УДК 62.408.62; 62.41; 666.1
ВОЛОКОННО-ОПТИЧЕСКАЯ АППАРАТУРА ДЛЯ МОНИТОРИНГА ТЕХНОЛОГИЧЕСКИХ ПРОЦЕССОВ
П. В. Волков, А. В. Горюнов, В. М. Данилъцсв, А.К). Лукьянов,
Д. А. Пряхин, А. Д. Тсртытттник, О. И. Хрыкин, В. И. Шаттткин
В работе приведены результаты по разработке и внедрению оптических систем мониторинга технологических процессов. Разработанная аппаратура базируется, на принципа,х тандемной низкокогерентной интерферометрии. Оборудование позволяет осуществлять бесконтактный дистанционный контроль оптической толщины прозрачных слоисты,х объектов с нанометровым, разрешением непосредственно в ходе технологических процессов. Один из вариантов аппаратуры, предназначенный для, контроля толщины листового стекла, успешно внедрен в промышленность. Второй вариант, предназначенный для, мониторинга, процессов формирования, полупроводниковых наноструктур, успешно применен для, контроля ростовых процессов в условиях металлоорганической газофазной эпитаксии и процессов плазмохимического травления.
Ключевые слова: световоды, мониторинг толщины, производство стекла и прозрачных материалов.
Современные тенденции развития производства приводят к непрерывному ужесточению требований к качеству выпускаемой продукции. При этом в условиях сложного, многоступенчатого, длительного производственного цикла только выходной контроль качества (разбраковка готовых изделий) становится неэффективным, поскольку при появлении брака требуется много времени для поиска причин его возникновения и исправления ошибок, в течение которого впустую тратятся ресурсы, и загрязняется окружающая среда.
Учреждение Российской академии наук Институт физики микроструктур РАН, 603950, Нижний Новгород, ГСП-105; e-mail: volkov@ipm.sci-nnov.ru.
Рис. 1: Тандемная низкокогерентая интерферометрия. БЬР - суперлюминесцентный диод, ВБ - светоделители, Р - оптическое волокно, М - зеркала, РР - фотоприемник, - разности длин плеч интерферометров.
Оптимальным выходом в этой ситуации является непрерывный контроль ключевых параметров технологического процесса, напрямую влияющими на качество готовой продукции. Кроме того, в идеале контроль должен быть бесконтактным, а системы контроля - многофункциональными, т.е. способными контролировать различные параметры, и помехозащищёнными, поскольку в условиях производства присутствуют различные факторы, мешающие проведению измерений, такие как вибрации, турбулентные потоки газов, сильные электромагнитные поля, большие градиенты температур и др.
В ИФМ РАН, используя принципы низкокогерентной тандемной интерферометрии, разработана аппаратура для высокоточного бесконтактного измерения оптической толщины прозрачных объектов.
Принципиальной особенностью метода является использование широкополосного источника света с малой длиной когерентности (около 20 мкм), излучение которого последовательно проходит через пару интерферометров, которую часто называют тандемом интерферметров, отсюда и название - тандемная низкокогерентная интерферометрия. При такой конфигурации на выходе всей системы интерференция может наблюдаться только в том случае, когда разности длин плеч обоих интерферометров отличаются друг от друга менее чем на длину когерентности источника, то есть выполняется условие
\Ь2 — Р\\ < Ьсоъ, (1)
где Ьь Ь2 - разности длин плеч первого и второго интерферометров. Интерферировать будут две волны: первая - прошедшая короткое плечо в первом интерферометре и длинное плечо во втором, и вторая - прошедшая длинное плечо в первом интерферометре и короткое плечо во втором. В нашем случае одним из интерферометров является измеряемая лента стекла, которую можно рассматривать как интерферометр Фабри-Перо, а
Рис. 2: Основной блок системы, оптические головки, установленные на производстве, график изменения толщины стекла, записанный системой.
второй - измерительный интерферометр - размещён в оптоэлектронном измерительном блоке и снабжён возможностью контролируемого изменения разности длин плеч. Перестраивая эту разность и определяя момент появления интерференционного сигнала, можно определить оптическую толщину измеряемого объекта. Оптическая связь между интерферометрами осуществляется по достаточно длинному оптическому волокну, что позволяет установить прецизионный измерительный интерферометр в благоприятных условиях вдали от места измерения.
Первый вариант аппаратуры предназначен для мониторинга толщины ленты флоат стекла в горячей зоне его формирования (выпускается ООО НПП “ТЭОС”) [1]. Толщину необходимо измерять в жестких условиях: температура в зоне измерений составляет 550 °С, присутствуют вибрация и турбулентные потоки агрессивных газов. Тем не менее, благодаря использованию описанных инновационных принципов, защищённых патентами РФ, аппаратура обеспечивает надежное непрерывное измерение толщины с расстояния 1.5 м с точностью 1 мкм. Фотографии системы и результаты ее работы приведены на рис. 2. К настоящему времени установлено 13 комплектов на стекольных заводах России, Киргизии и Белоруссии.
На базе описанной выше системы авторами была создана оригинальная система оптического мониторинга для технологических процессов формирования полупроводниковых микро- и наноструктур. Аппаратура позволяет одновременно измерять абсолютную температуру (точность 1 градус) и изгиб подложки, а также отслеживать
100 80 | 60 ^ 40 20
°0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200
г, %
Рис. 3: Процесс роста структуры в условиях МОГФЭ.
изменение толщины слоёв в процессе их нанесения (травления) с высокой точностью (2 нм) [2].
Разработанное оборудование было успешно применено авторами для мониторинга ростовых процессов в условиях металлорганической газофазной эпитаксии и процессов плазмохимического травления [3].
В качестве иллюстрации на рис. 3 показано изменение оптической толщины на первых этапах формирования структуры для низкобарьерного диода Шоттки (пСаАй-5(81)-пСаАй-А1). Уменьшение оптической толщины структуры после прерывания роста связано с уменьшением температуры подложки из-за добавления потока силана в смеси с водородом (0.5 л/мин) для формирования дельта-легированного слоя. Точность измерения аппаратурой (среднеквадратичное отклонение от среднего) изменения толщины растущей плёнки в данном процессе составила 2 нм, скорость роста - 54 нм/мин.
Очень перспективным выглядит применение разработанной аппаратуры для построения многоканальных волоконно-оптических датчиков таких параметров как температура, давление и др., которые легко можно конвертировать в изменение оптического пути. Высокая помехозащищенность метода позволяет использовать аппаратуру в жестких условиях, там, где традиционные электронные датчики использовать невозможно (например, атомная энергетика, нефтегазодобывающая промышленность и т.д.).
ЛИТЕРАТУРА
[1] п. в. Волков и др., Стекло и керамика, вып. 5, 8 (2008).
[2] П. В. Волков и др., Поверхность: Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования, вып. 8, 5 (2008).
[3] P. V. Volkov et al., J. of Crystal Growth. 310, 4724 (2008).
По материалам Я Всероссийской молодежной школы-семинара “Инновационные аспекты фундаментальных исследований по актуальным проблемам физики”, Москва, ФИАН, октябрь 2009 г.
Поступила в редакцию 20 января 2011 г.
