Методы контроля толщины многослойных покрытий на основе тугоплавких оксидов

Рисунок 3.9 - Экспериментально полученный спектр отражения однослойного покрытия ZnS толщиной 3л/4

Рисунок 3.10 - Экспериментально рассчитанный спектр отражения однослойного покрытия SiO₂ толщиной 3л/4

Рисунок 3.11 - Экспериментально полученный спектр отражения однослойного покрытия SiO₂ толщиной 3л/4

Рисунок 3.12 - Теоретически рассчитанный спектр отражения пятислойного покрытия ZrO₂+SiO₂ толщиной л/4

Рисунок 3.13 - Экспериментально полученный спектр отражения пятислойного покрытия ZrO₂+SiO₂ толщиной л/4

3.2 Контроль оптических характеристик с помощью спектрального эллипсометра ESM 512

Для того, чтобы охарактеризовать с оптической точки зрения тонкую изотропную плёнку, необходимо указать значения оптических постоянных n и k, материала а также ее толщину d. Метод эллипсометрии основан на измерении параметров, описывающих состояние поляризации отраженного от исследуемой плёнки света. Поскольку плоскополяризованный свет после отражения оказывается эллиптически-поляризованным, понятно происхождение названия этого метода. С помощью эллипсометра определяются сдвиги фаз при отражении световых волн, поляризованных параллельно плоскости падения _p и перпендикулярно плоскости падения _s, а также относительный азимут эллипса поляризации отраженного света . Эти экспериментальные параметры связаны оптическими параметрами плёнки:

, (3.5)

(3.6)

где , - комплексные коэффициенты отражения для параллельно и перпендикулярно поляризованного света.

Выражение (3.5) является уравнением для комплексных величин, которое разбивается на два уравнения - для действительной и мнимой составляющих. Т.е., решив уравнение (3.5), можно найти значения двух величин, например n и k, если d определено из независимых измерений. Все три величины n, и k и d могут быть определены по и , измеренных при двух различных углах падения. Отличительная черта эллипсометрических методов состоит в том, что измеряемыми величинами являются углы, разности фаз и отношения амплитуд компонент световой волны. Вид эллипсометра ESM 512, на котором проводились измерения оптических параметров представлен на рисунке 3.15.

Рисунок 3.15 - Эллипсометр ESM 512

Спектральный эллипсометр ESM 512 состоит из блока питания, оптико-механической части эллипсометра с встроенным в нее источником света на 8 светодиодах, малогабаритным дифракционным монохроматором, линейкой фотодиодов, и электронной системы управления, сопряжения и регистрации эллипсометрических параметров с комплектом программного обеспечения на языке Visual С. Принцип действия спектрального эллипсометра ESM 512 основан на переключении состояния поляризации, при этом на исследуемый образец попеременно направляется пучок белого света, преобразующийся в последовательность ортогонально поляризованных пучков с азимутами линейной поляризации Р и Р + 90 градусов. Отраженное от образца излучение с каждым состоянием поляризации попеременно разделяется в последовательность ортогонально поляризованных пучков с азимутами линейной поляризации A и A + 90 градусов, попадает на монохроматор, формирующий спектр на линейке 512 фотодиодов, который анализируется электронной системой регистрации эллипсометрических параметров.

Таблица 3.1 - Технические характеристики эллипсометра ESM 512

В эллипсометрии измеряется относительный фазовый сдвиг двух ортогонально поляризованных компонент и их относительное изменение при взаимодействии пучка с образцом. Для эллипсометрии с конфигурацией поляризатор- образец- анализатор интенсивность света на фотодетекторе определяется формулой:

 (3.7)

где P и A - азимуты поляризатора и анализатора; I₀ - коэффициент, не зависящий от P и A; Ш и Д - эллипсометрические углы, определяющие отношение комплексных амплитудных коэффициентов отражения r_p и r_s для p и s поляризаций:

(3.8)

В данной модели спектрального эллипсометра используется оригинальный метод поляризационно-оптических измерений с переключением состояния поляризации, в котором на исследуемый образец попеременно направляется излучение с двумя ортогональными состояниями поляризации с азимутами P и P + 90^о и анализируются сигналы на фотоприемниках для азимутов анализатора A и A + 90^о:

(3.9)

(3.10)

(3.11)

(3.12)

ha - коэффициент, характеризующий отношение чувствительностей двух каналов в анализаторе.

Для каждого из азимутов P и P + 90^о измеряется отношение сигналов на фотоприемниках при азимутах анализатора А и А + 90^о. По измеренным отношениям и определяются эллипсометрические параметры Ш и Д из соотношений:

 (3.13)

(3.14)

здесь , , , , .

Для выбранной модели образца по измеренным величинам Ш и Д параметры слоев могут быть рассчитаны из известных эллипсометрических уравнений.

В результате мы получили значения (таблица 3.2) для ZrO₂ (рисунки 3.16, 3.17), Al₂O₃ (рисунки 3.18, 3.19), TiO₂ (рисунки 3.20, 3.21), ZnS (рисунки 3.22, 3.23), SiO₂ (рисунки 3.24, 3.25), ZrO₂+SiO₂ (рисунки 3.26, 3.27) на заданной длине волны лазера л = 480 нм.

Таблица 3.2 - Оптические характеристики покрытий на длине волны 480 нм

Рисунок 3.16 - Показатель преломления и коэффициент поглощения для ZrO₂

Рисунок 3.17 - Экспериментальные параметры плёнки для ZrO₂

Рисунок 3.18 - Показатель преломления и коэффициент поглощения для Al₂O₃

Рисунок 3.19 - Экспериментальные параметры плёнки для Al₂O₃

Рисунок 3.20 - Показатель преломления и коэффициент поглощения для TiO₂

Рисунок 3.21 - Экспериментальные параметры плёнки для TiO₂

Рисунок 3.22 - Показатель преломления и коэффициент поглощения для ZnS

Рисунок 3.23 - Экспериментальные параметры плёнки для ZnS

Рисунок 3.24 - Показатель преломления и коэффициент поглощения для SiO₂

Рисунок 3.25 - Экспериментальные параметры плёнки для SiO₂

Рисунок 3.26 - Показатель преломления и коэффициент поглощения для пятислойной плёнки ZrO₂+SiO₂

Рисунок 3.27 - Экспериментальные параметры пятислойной плёнки ZrO₂+SiO₂

Наибольшим показателем преломления на длине волны 480 нм обладает ZrO₂+SiO₂ (n = 2,8), и наименьшим ZrO₂ (n = 1,1). Наибольшим коэффициентом поглощения на длине волны 480 нм обладает Al₂O₃ (k = 1,1), и наименьшим ZrO₂+SiO₂ (k = 0,1).

Проведенные в работе экспериментальные измерения нанесенных электронно-лучевым напылением тонких плёнок показали, что эллипсометрические измерения параметров тонких плёнок являются точным и надежным методом контроля технологического процесса изготовления сложных композиционных покрытий, включая и прецизионные покрытия высокоотражающих лазерных зеркал. Применяя результаты анализа измерений можно оптимизировать процессы их изготовления.

3.3 Программа расчёта интерференционных покрытий

На основании теоретических данных [3] разработан алгоритм расчета однослойного покрытия и разработана программа для определения коэффициента пропускания и коэффициента отражения на заданной длине волны (рисунок 3.28).

Рисунок 3.28 - Схема коэффициента пропускания и отражения для ZrO₂

Результат расчёта однослойного интерференционного покрытия ZrO₂ показан в приложении А. Разработанная программа в среде Microsoft Excel показана на рисунке 3.29.

Рисунок 3.29 - Вид программы в среде Microsoft Excel

Заключение

В данной дипломной работе были рассмотрены современные методы контроля толщины в процессе формирования покрытий оптического назначения. Отмечены перспективы методов контроля оптической толщины покрытий различного функционального назначения. Изучены фотометрические методы определения оптической толщины тонких покрытий. Проведены экспериментальные работы по нанесению оптических покрытий на основе тугоплавких оксидов. Нанесение осуществлялось в лабораторных условиях на установке электронно-лучевого испарения (ВУ-1А). Осуществлен контроль толщины оптических покрытий на основе тугоплавких оксидов с помощью встраиваемой системы контроля оптических характеристик Iris-0211. Исследованы спектральные характеристики многослойных покрытий на основе тугоплавких оксидов и определены их оптические параметры. Экспериментально проведены исследования оптических характеристик с помощью спектрального эллипсометра ESM 512. В результате получены данные: наибольшим показателем преломления на длине волны 480 нм обладает ZrO₂+SiO₂, и наименьшим ZrO₂, а наибольшим коэффициентом поглощения на длине волны 480 нм обладает Al₂O₃, и наименьшим ZrO₂+SiO₂. На основании теоретических данных разработан алгоритм расчета однослойного покрытия и разработана программа в среде Microsoft Excel для определения коэффициента пропускания и коэффициента отражения на заданной длине волны.

По результатам дипломной работы имеется акт внедрения лабораторной работы "Методика определения коэффициента отражения и коэффициента пропускания в интерференционных покрытиях" в учебный процесс кафедры оптики физического факультета.

Список использованных источников

1. Крылова, Т. Н. Интерференционные покрытия / Т. Н. Крылова. - Л.: Машиностроение, 1973. - 224 с.

2. Демтредер, В. Интегральная оптика / В. Демтредер; пер. с англ.; под ред. Т. Тамира. - М.: Мир, 1978. - 344 с.

3. Андреев, С.В. Оптические покрытия: учебное пособие по курсу для студентов. / С.В. Андреев, Л.А. Губанова, Э.С. Путилин. - СПб: ГУИТМО, 2006. - 35 с.

4. Данилин, Б.С. Вакуумное нанесение тонких плёнок. / Б.С. Данилин. - М.: Энергия, 1967. - 120 с.

5. Баринов, Ю.А. Простое устройство ввода аналогового сигнала в компьютер / Ю.А. Баринов. - М.: Наука, 2003. - 64 с.

6. Спектрометрический усилитель. Гибридный микроузел / А.Н. Архипкин, В.Г. Бровченко, А.М. Кириченко, Н.А. Петров, И.Г. Толпекин, В.В. Федоренко. - М.: Наука, 2003. - 84.

7. Автоматизация фотометрического контроля толщины осаждаемых слоев / С.В. Андреев, Н.Н. Карасев, Э.С. Путилин, А.О. Шакин, - М.: Электроника, 2003. - 143 с.

8. Майссел, Л.И. Нанесение тонких плёнок катодным распылением / Л.И. Майссел // Физика тонких плёнок / пер. с англ.; под ред. Г. Хасса, Р. Туна. - М.: Мир, 1968. - 58 с.

9. Меркулов, С.В. Измеритель оптической толщины / С.В. Меркулов, Е.В. Лебедев, Д.Д. Баинов // Приборы и техника эксперимента. - 2004. - №6, С. 6 - 8.

10. Борн, М. Основы оптики / М. Борн, Э. Вольф, пер. с англ. под ред. Г.П. Мотулевич. - М.: Наука, 1970. - 856 с.

11. Лазерный рефлектометрический метод измерения толщины наноплёнок золота на кварцевой подложке / В.А. Городничев, М.Л. Белов, А.М. Белов, С.В. Березин, Ю.В Федотов. - М.: Наука и образование, 2012. - 101 с.

12. Никитин, М.М. Технология и оборудование вакуумного напыления / М.М. Никитин. - М.: Металлургия, 1992. - 161 с.

13. Фурман, Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия / Ш.А. Фурман. - Л.: Машиностроение, 1977. - 264 с.

14. Мешков, Б.Б. Проектирование интерференционных покрытий / Б.Б. Мешков, П.П. Яковлев. - М.: Машиностроение, 1987. - 185 с.

15. Путилин, Э.С. Оптические покрытия / Э.С. Путилин. - СПб: ГУИТМО, 2005. - 230 с.

16. Карпенко, Г.Д. Современные методы генерации осаждаемого вещества при нанесении тонкоплёночных покрытий в вакууме / Г.Д. Карпенко, В.Л. Рубинштейн. Минск: БелНИИНТИ, 1990. - 36 с.

17. Котликов, Е.Н. Исследование оптических констант плёнок халькогенидов мышьяка в области длин волн 0.5 - 2.5 мкм / Е.Н. Котликов, В.А. Иванов, В.А. Крупенников. - Оптика и спектроскопия, 2007. - 983 с.

18. Черёмухин, Г.С. Расчёт оптических характеристик плёнок / Г.С. Черёмухин. - М.: Наука, 1976. - 13 с.

19. Хасса, Г. Физика тонких плёнок. / Под общ. ред. Г. Хасса и Р.Э. Тауна; пер. с англ. под ред. В.Б. Сандомирского, А.Г. Ждана. - М.: Мир, 1967. - 15с.

20. Оптические плёнкообразующие материалы для инфракрасной области спектра / Е.Н. Котликов, Ю.Н. Кузнецов, Н.П. Лавровская, А.Н. Тропин. - Научное приборостроение, 2008. - 32 с.

Приложение

Результаты расчёта однослойного интерференционного покрытия в среде Microsoft Excel

Размещено на Allbest.ru