WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!


Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 17 |
Андреев С.В., Губанова Л.А., Путилин Э.С.

Методические указания к лабораторному практикуму по курсу «Оптические покрытия» ~ ~ ~1 ~2 ~j n n n n n n 0 l-1 l 0 d d d d l-1 1 2 j l - 1 1 2 j 0 j – 1 l - 2 Санкт-Петербург 2006 Министерство образования и науки Российской Федерации Федеральное агентство по образованию Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики.

Андреев С.В., Губанова Л.А., Путилин Э.С.

Методические указания к лабораторному практикуму по курсу «Оптические покрытия» Санкт-Петербург 2006 УДК 29.33.39 Андреев С.В., Губанова Л.А., Путилин Э.С.

Оптические покрытия. Учебное пособие по курсу «Оптические покрытия».

СПб:СПбГУИТМО, 2006 Методические пособия к лабораторному практикуму по курсу «Оптические покрытия» содержит методы определения оптических постоянных металлических и диэлектрических слоёв, а также влияние на них технологических факторов, определяемых условиями осаждения слоёв, в частности чистоты исходных материалов, скорости испарения и угла поступления паров на поверхность подложки, температуры подложки.

Кроме того, в работе содержится описание методов измерения оптических параметров тонких слоёв, как в процессе осаждения, так и в процессе эксплуатации.

Пособие может быть полезно при изучении курсов «Оптические покрытия», «Оптические материалы и технология их обработки».

Пособие предназначено для студентов оптических и оптико-электронных специальностей приборостроительных вузов.

Допущено УМО по оптическому и приборостроительному образованию для студентов высших учебных заведений, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 200200 “Оптотехника”, дипломированных специалистов 654000 “Оптотехника”; специальностям 200201 “Оптико-электронные приборы и системы”, в качестве учебного пособия для студентов, обучающихся по направлению подготовки бакалавров и магистров 200200 “Оптотехника”, дипломированных специалистов 654000 “Оптотехника”; специальностям 200201 “Оптикоэлектронные приборы и системы”, 200204 “Оптические технологии и материалы”, решение ………………… © Санкт-Петербургский государственный университет информационных технологий, механики и оптики, © Андреев С.В., Губанова Л.А., Э.С.Путилин, СОДЕРЖАНИЕ стр.

ВЕДЕНИЕ …………………………………………………………………………….. РАЗДЕЛ 1. Влияние технологических факторов на оптические постоянные металлов ……………………………………………….... 1.1. Оптические постоянные металлов ……………………………………. 1.2. Влияние технологических факторов на оптические характеристики тонких металлических пленок …………………... 1.2.1. Зависимость коэффициента отражения от чистоты алюминия 1.2.2. Скорость испарения и старение ………………………….………….. 1.2.3. Температура подложки ……………………………………...………… 1.2.4. Влияние неровностей поверхности ………………………………… 1.2.5. Влияние угла поступления паров ………………….………………... 1.2.6. Адгезия металлов к подложкам ……………………………………... РАЗДЕЛ 2. Определение оптических постоянных металлических слоев и расчет интерференционных систем содержащих слои металлов …………………………………………………...…………….. 2.1. Расчет оптических характеристик тонкопленочных систем содержащих слои металлов ……………………………………………. 2.2. Методы контроля оптических постоянных и толщины пленок во время осаждения слоя ……………………………..……………….... 2.2.1. Рентгенографические методы ……………………...……………... 2.2.2. Радиочастотный метод контроля толщины слоя …………….. 2.2.3. Фотометрические методы контроля ………..…………………… 2.2.4. Обработка фотометрического сигнала с использованием производной по толщине и оценка точности контроля ….….. 2.2.5. Контроль оптических параметров слоя во время осаждения пленки в вакууме …………………………………………………...….. 2.3. Методы измерения оптических параметров (n, k, d) тонких пленок ……………………………………………………………………….. 2.3.1. Измерения при нормальном падении света …………………… 2.3.2. Фотометрические и интерферометрические измерения …… 2.3.3. Эллипсометрические измерения …………...……………………. 2.3.3.1. Оптимальные условия элипсометрических измерений... 2.3.3.2. Методы точного решения ……………………………………. 2.3.3.3. Идеальная граница между полубесконечными средами 2.3.3.4. Однородный изотропный слой на изотропной подложке …………………………………………………………... 2.3.3.5. Аналитическое решение обратной эллипсометрической задачи для однослойной системы ……………………...…… 2.3.3.6. Теоретические и методические основы проведения эллипсометрических измерений на ЛЭФ-3М ……….…… 2.3.4. Методы, основанные на измерении разности фаз поляризованных компонент, возникающей при отражении.. стр.

РАЗДЕЛ 3. Постановка эксперимента при исследовании тонких пленок металлов ……………………………………………………………….… 3.1. Оценка величины погрешности при проведении экспериментальных исследований …………………………………... 3.2. Технологические подходы при проведении исследований тонких пленок металлов ………………………………………………... 3.2.1. Никель …………………………………………………………………... 3.2.2. Медь …………………………………………………………………...... 3.2.3. Алюминий ……………………………………………………...……… 3.2.4. Хром …………………………………………………...………………... 3.2.5. Серебро ………………………………………………...………………. РАЗДЕЛ 4. Оптические свойства металлических пленок при различных технологических параметрах ………………………..……………... 4.1. Никель ………………………………………………………………………... 4.2. Медь ………………………………………………………….……………….. 4.3. Алюминий …………………………………………………………………... 4.4. Хром ………………………………………………………………………….. 4.5. Серебро …………………………………………………….………………… РАЗДЕЛ 5. Лабораторный практикум Лабораторная работа №1. Определение показателя преломления и толщины диэлектрических интерференционных покрытий ……. Лабораторная работа №2. Определение оптических постоянных тонких пленок металлов по спектрофотометрическим измерениям и толщине …………………………………………………… Лабораторная работа №3. Исследование тонких пленок металлов.



Зависимость оптических постоянных от толщины и скорости осаждения ……………………………………………………………………. Лабораторная работа №4. Сравнительное исследование оптических характеристик пленок двух металлов …………………….…………... Лабораторная работа №5. Исследование оптических постоянных покрытий из смесей металла с диэлектриком …………...………….. Лабораторная работа №6. Исследование зависимости скорости осаждения и оптических постоянных металлов от тока эмиссии электронно-лучевого или тока накала резистивного испарителей …………………………………………………………………..

Лабораторная работа №7. Создание покрытий с переменными оптическими постоянными по толщине ……………………………...

Приложение 1. Программа расчета оптических характеристик многослойных интерференционных систем ……..…..…….

Приложение 2. Пример расчета трехслойного интерференционного покрытия в Microsoft Excel ………………………………...…...

Приложение 3. Методика определения нулевых положений эллипсометра ЛЭФ-3М …………………………………...……...

стр.

Приложение 4. Краткий типовой технологический процесс нанесения металлических покрытий ………………………………………. Приложение 5. Оптические характеристики тонких пленок металлов …. Приложение 6. Температура испарения и скорость осаждения металлов. Приложение 7. Расчет оптических постоянных керметных пленок …….. Приложение 8. Проведение измерений на ЛЭФ-3М с приставкой автоматического определения эллипсометрических параметров исследуемых покрытий …………………...…….. Приложение 9. Пример программ для определения оптических постоянных слоя по спектрофотометрическим измерениям ……………………………………………...…………. ЛИТЕРАТУРА …………………………………………………………………………. ВВЕДЕНИЕ На характеристики ряда оптических элементов, в состав которых входят интерференционные покрытия, включающие в себя слой металла, оказывают значительное влияние параметры тонких металлических слоев (показатель преломления, главный показатель поглощения и толщина). К этой группе оптических элементов относятся: зеркала, как металлические, так и металлодиэлектрические, ослабляющие светофильтры для широкого спектрального диапазона, градиентные ослабители (оттенители) и металлодиэлектрические узкополосные светофильтры. Этот тип светофильтров обладает рядом достоинств по сравнению с другими:

широкая полоса гашения в нерабочей зоне спектра, относительная простота в изготовлении, возможность получения светофильтров для ультрафиолетовой области спектра. На характеристики каждого из перечисленных элементов (пропускание, отражение) в той или иной степени влияют оптические параметры металлических слоев, которые в свою очередь зависят не только от чистоты осаждаемого материала, но и от условий формирования покрытия.

Наиболее существенное влияние параметры металлических слоев оказывают на характеристики металлодиэлектрических светофильтров, т. е. фильтров сформированных из тонких слоев металла (алюминий, серебро) и диэлектрика. Пропускание в максимуме, степень гашения в нерабочей области (фон) и полуширина этих фильтров определяются не только оптическими параметрами диэлектрика и металла, но и скачком фаз на границе раздела — металл–диэлектрик. Этот скачок определяется значением показателя преломления диэлектрика и оптическими постоянными металлических слоев. Оценка значения этих величин и определение их связи с характеристиками технологического процесса позволят получить светофильтры с характеристиками, близкими к теоретическим.

Зависимость оптических постоянных металлических слоев от толщины оказывает существенное влияние на распределение коэффициента пропускания градиентных ослабителей (оттенителей), используемых в телевизионных камерах, работающих в условиях значительного перепада освещенности. Знание истинного значения этого распределения позволит улучшить надежность и качество объективов, обеспечивающих работу камер слежения.

Настоящее пособие посвящено: 1) систематическому анализу данных в области исследования оптических покрытий на основе металлов;

2) рассмотрению математических зависимостей оптических характеристик (коэффициенты пропускания и отражения) многослойных интерференционных покрытий содержащих поглощающие слои (слои металлов) от параметров слоев (показатель преломления, главный показатель поглощения и толщина); 3) методике определения оптических постоянных металлических слоев; 4) рассмотрению технологических особенностей нанесения металлических покрытий.

РАЗДЕЛ 1. Влияние технологических факторов на оптические постоянные металлов 1.1. Оптические постоянные металлов При расчете оптических покрытий на основе металлов возникает вопрос, какие справочные данные по оптическим постоянным металлов использовать и насколько они являются достоверными.

Так на рисунках 1.1–1.5 приведены оптические постоянные серебра, меди, золота и алюминия, соответственно, по данным авторов. Из этих зависимостей видны значительные расхождения в значениях показателя преломления и главного показателя поглощения. Хотя у алюминия эти расхождения не так заметны, как у других приведенных металлов (рис. 1.4) при увеличении масштаба (рис. 1.5) видно, что оптические постоянные отличаются друг от друга. Это может быть связано с различными причинами, такими, например как способы и условия получения покрытий, а также и с методами определения оптических постоянных разными авторами.

Но, к сожалению, не у всех авторов приводятся или приводятся не полностью условия изготовления покрытий и методы определения их оптических постоянных. Приведем эти данные для некоторых зависимостей оптических постоянных указанных металлов. Для оптических постоянных серебра приведенных на рис. 1.1 кривая 3, меди на рис. 1.2 кривая 6, золота на рис. 1.3 кривая 7 и алюминия на рис. 1.кривая 1 [1,2] осаждение слоев проводилось резистивным методом на гипотенузную грань прямоугольной призмы со скоростью 3 нм/c при давлении в вакуумной камере 1,3·10-3 Па. Толщина покрытий контролировалась по весу с погрешностью ± 5 нм, последующий отжиг проводился за 30 часов с дискретным повышением температуры на 20°С в час и давлении 1,3·10-4 Па. Но для определения показателя преломления покрытия изготавливались толщиной 150 – 200 нм, а для определения главного показателя поглощения толщиной 50 нм. Для серебра на рис. 1.1 кривая 1 и золота рис. 1.3 кривая 2 образцы после напыления были отожжены и выдержаны в вакууме при давлении <1,3·10-7 Па. Оптические постоянные определялись по измерениям коэффициента отражения методом Крамерса–Кронига (относительная погрешность измерений R/R= ±0,03).





Оптические постоянные алюминия (кривая 1 рис. 1.5) по работам [3] и [4] совпадают с данными [1, 2], но из условий изготовления указывается только, что осаждение проводилось скоростью 3 нм/c при давлении в вакуумной камере 1,3·10-3 Па и чистота алюминия составляла 99,99 %.

Для кривой 2 рис. 1.5 известно, что покрытия изготавливались резистивным методом при давлении в вакуумной камере 2,6·10-3 Па с максимально большой скоростью осаждения и чистота алюминия 99,999 % [5]. Оптические постоянные определялись по данным поляриметрических измерений, и погрешность определения для показателя преломления не превышала 4%, а для главного показателя поглощения 3%.

При изготовлении частично прозрачных металлических покрытий необходимо рассчитать их оптические свойства. Для этого надо точно знать оптические постоянные металлов. Так при расчетах частично прозрачных покрытий серебра на длине волны = 2000 нм по данным рис. 1.1 кривая 4 (n = 0,65 ; k = 12,2) и кривая 5 (n = 0,48 ; k = 14,4) возможно получение различных значений коэффициентов отражения R и пропускания T при одинаковой толщине слоя. При толщине слоя серебра d = 20 нм возможно получение R = 90,9795,50 % и T = 5,092,53 %, при толщине 15 нм R = 85,9192,60 % и T = 9,254,87 % и при толщине 10 нм R = 74,9185,54 % и T = 19,0910,89 %. Это приводит к затруднениям при расчетах металлических светоделителей и тем более металлодиэлектрических систем.

На рисунке 1.6а приведены расчетные спектральные характеристики металлодиэлектрического фильтра Ag(7нм)-SiO2-(560нм)-Ag(7нм) на подложке из стекла марки К8 при использовании оптических постоянных серебра n=0,48; k=14,4 (кривая 1) и n=0,65; k=12,2 (кривые 2 – 4). Расчет проводился в предположении, что контроль осаждения может проводиться тремя методами: 1) по контролю толщины (кривая 2) (контроль по массе);

2) по контролю коэффициента пропускания (кривая 3); 3) по контролю коэффициента отражения (кривая 4). При контроле процесса осаждения по изменению коэффициентов отражения и пропускания нельзя получить требуемые значения окончания осаждения последнего слоя серебра, поскольку экстремум наступает раньше, и приходиться заканчивать осаждение на экстремуме, но эти методы позволяют выдержать оптическую толщину разделительного слоя диэлектрика. Хотя заканчивать осаждение разделительного слоя необходимо не по второму экстремуму, а при том же значении коэффициента пропускания или отражения (рис. 1.6б). Но это справедливо для симметричной системы. Из приведенных спектральных характеристик видно, что наиболее схожая характеристика фильтра получается при контроле осаждения по коэффициенту отражения (кривая 4), но максимум пропускания на 12% ниже расчетного значения (кривая 1).

Для определения влияния технологических факторов на оптические постоянные тонких металлических покрытий, достаточно рассмотреть их влияние на коэффициент отражения металлических покрытий. Далее рассмотрим это влияние на примере пленок алюминия.

0,1 0,100 1000 длина волны, нм 0,100 1000 длина волны, нм 1– напыленное [6] 5– напыленное [10, 11] 2– массив [7, 8] 6– химически осажденное [8, 12] 3– напыленное [1, 2] 7– [8, 13] 4– напыленное [8, 9] 8– [8, 14] Рис. 1.1. Оптические постоянные серебра.

показатель преломления показатель поглощения 5 0,7 0,100 1000 длина волны, нм 0,100 1000 длина волны, нм 1– напыленная [8, 15, 16] 4– [8, 19] 2– [8, 14] 5– массив [8, 20] 3– напыленная [8, 11, 17] 6– напыленная [1, 2] 7– монокристаллическая [8, 18] Рис. 1.2. Оптические постоянные меди.

показатель преломления показатель поглощения 0,0,10 100 1000 длина волны, нм 0,10 100 1000 длина волны, нм 1– напыленное [8, 11, 21] 5– [8, 24] 2– напыленное [6] 6– массив [8, 13] 3– кристаллическое [8, 22] 7– напыленное [1, 2] 4– кристаллическое [8, 18, 23] Рис. 1.3. Оптические постоянные золота.

показатель прелломления показатель поглощения 0,0,10 100 1000 длина волны, нм 0,0,0,10 100 1000 длина волны, нм Рис. 1.4. Оптические постоянные алюминия.

показатель преломления показатель поглощения 0,400 800 1200 1600 длина волны, нм 400 800 1200 1600 длина волны, нм 1– напыленный [1, 2, 3, 4, 8] 2– напыленный [5, 26, 28] 3– напыленный [8, 25] Рис. 1.5. Оптические постоянные алюминия.

показатель преломления показатель поглощения 1 – расчетная характеристика фильтра 2 – 4 – характеристики фильтров при несоответствии оптических постоянных серебра (2–контроль по толщине; 3–по пропусканию;

Pages:     || 2 | 3 | 4 | 5 |   ...   | 17 |










© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.