автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Балансно-двухволновой метод контроля оптических толщин слоев

0

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ

_РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ_

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

'-(""^'"'СК'.Г' ••\.К.<,,' ' •1 ''¡:"НЦАЯ На правах рукописи :?.".,'ЛлО! ¿-ЯД

Эльгарт Зиновий Эльевич

УДК 621.535.2

БАЛАНСНО-ДВУХВОЛНОВОЙ МЕТОД КОНТ. ОПТИЧЕСКИХ ТОЛЩИН СЛОЕВ (ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДА ПРИ ИЗГО ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ)

ис.

Специальность: 05.11.07 "Оптические и оптико-электронные приборы"

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998 г.

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики (техническом университете)

Научный руководитель: доктор технических наук,

профессор Э.С.Путшшн Официальные оппоненты: доктор технических наук,

Ведущее предприятие - Всероссийский научно-исследовательский центр

(ВНЦ) ГОИ им. С.И.Вавилова

Защита диссертации состоится "15" декабря 1998 года в 15 час. 30 мин. На заседании специализированного совета Д.053.26.01 "Оптические и оптико-электронные приборы" при Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики (техническом университете) по адресу: 197101, г. Санкт-Петербург, ул. Саблинская, д. 14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке институ та. Автореферат разослан "16" "ноября" 1998 года.

Ваши отзывы и замечания по автореферату просим направлять в адрес института: 197101, г. Санкт-Петербург, ул Саблинская, д. 14, ИТМО, ученому секретарю специализированного совета Д.053.26.01.

профессор Родионов С.А. доктор физико-математических наук, профессор Котликов В.Н.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д.053.26.01. кандидат технических наук, доцент

В.М.Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы.

Качество и надежность оптических систем во многом определяется качеством ¿"надежностью покрытий на поверхностях оптических деталей.

Современные технологии изготовления многослойных оптических интерференционных покрытий базируются главным образом на вакуумных методах нанесения покрытий и требуют формирования на поверхностях деталей тонких слоев пленкообразующих материалов (ПОМ) с контролируемыми и воспроизводимыми параметрами. При синтезе интерференционных покрытий в расчет, как правило, закладываются характеристики самого ПОМ или же некоторые усреднешше значения показателей преломления - п; и поглощения

За дк

к тонких слоев этого материала (иногда —,— дисперсия этих показателей),

8к дк

полученные в сходных условиях напыления.

При практической реализации оптических покрытий используемые технологии и системы контроля зачастую не позволяют учесть специфику и обеспечить воспроизводимость условий напыления отдельных слоев заданной оптической толщины. Это приводит к отличию реально получаемых характеристик слоев (№=п+цс; и £ = пс1; где (1 - геометрическая толщина слоя) от расчетных и, как следствие, к отклонению свойств готового покрытая от заданных.

Задача оптимизации технологии нанесения оптических покрытий, т.е. задача обеспечения максимального соответствия теоретических и реально полученных спектральных характеристик интерференционных систем решается, как правило, по трем направлениям:

а) путем эмпирического подбора (варьирования) и последующей максимально возможной стабилизацией технологических параметров процесса напыления;

б) путем оптимизации конструкции интерференционной системы, повышающей ее "устойчивость" к технологическим отклонениям параметров слоев и погрешностям контроля их толщин;

в) путем повышения точности систем контроля толщин слоев в процессе их осаждения.

Первый путь - эмпирическая оптимизация технологии - очень дорогостоящий и требующий больших затрат времени пуп., не позволяет, однако, решать одну из основных проблем отрасли - проблему воспроизводимости свойств наносимых покрытий.

Оптимизация конструкций оптических покрытий позволяет создать границы "неопределенности" результата, однако, также не решает проблему воспроизводимости, особенно при изготовлении покрытий с очень высокими требованиями к форме и положению спектральной характеристики.

Таким образом научно обоснованную модернизацию и оптимизацию существующих технологий оптических покрытий, а также создание и разработку принципиально новых технологий (основанных, например, на одновременном нанесении разных ПОМ на одну подложку или изготовлении, так называемых, адаптивных, т.е. "самоподстраивающихся" интерференционных систем) невозможно осуществить без разработки методов и систем контроля толщин оптических покрытий в процессе их изготовления.

При этом, кроме собственно повышения точности и расширения диапазона контролируемых толщин (особенно в сторону "тонких" слоев), необходимо рассматривать тип покрытия, его конкретные характеристики, систему и методику контроля толщин пленок, а также комплекс технологического оборудования для осаждения пленок в вакууме как единую замкнутую систему, объединяемую набором описываемых аналитически причинно-следственных связей, набором выходных параметров которой являются характеристики изготовленной тонкослойной интерференционной системы.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

AJГ^^yaлы^ocть темы.

Качество и надежность оптических систем во многом определяется качеством и надежностью покрытий на поверхностях оптических деталей.

Современные технологии изготовления многослойных оптических интерференционных покрытий базируются главным образом на вакуумных методах нанесения покрытий и требуют формирования на поверхностях деталей тонких слоев пленкообразующих материалов (ПОМ) с контролируемыми и воспроизводимыми параметрами. При синтезе интерференционных покрытий в расчет, как правило, закладываются характеристики самого ПОМ или же некоторые усредненные значения показателей преломления - п; и поглощения

дп 5к

к тонких слоев этого материала (иногда —,— дисперсия этих показателей),

дХ дХ

полученные в сходных условиях напыления.

При практической реализации оптических покрытий используемые технологии и системы контроля зачастую не позволяют учесть специфику и обеспечить воспроизводимость условий напыления отдельных слоев заданной оптической толщины. Это приводит к отличию реально получаемых характеристик слоев (Ы^п+ж, и Р. - п<1; где с! - геометрическая толщина слоя) от расчетных и, как следствие, к отклонению свойств готового покрытия от заданных.

Задача оптимизации технологии нанесения оптических покрытий, т.е. задача обеспечения максимального соответствия теоретических и реально полученных спектральных характеристик интерференционных систем решается, как правило, по трем направлениям:

а) путем эмпирического подбора (варьирования) и последующей максимально возможной стабилизацией технологических параметров процесса напыления;

5) ну ¡ем оптимизации конструкции интерференционной системы, повышающей ее "устойчивость" к технологическим отклонениям параметров слоев и погрешностям контроля их толщин;

в) путем повышения точности систем контроля толщин слоев в процессе их осаждения.

Первый путь - эмпирическая оптимизация технологии - очень дорогостоящий и требующий больших затрат времени путь, не позволяет, однако, решать одну из основных проблем отрасли - проблему воспроизводимости свойств наносимых покрытий.

Оптимизация конструкций оптических покрытий позволяет создать границы "неопределенности" результата, однако, также не решает проблему воспроизводимости, особенно при изготовлении покрытий с очень высокими требованиями к форме и положению спектральной характеристики.

Таким образом научно обоснованную модернизацию и оптимизацию существующих технологий оптических покрытий, а также создание и разработку принципиально новых технологий (основанных, например, на одновременном нанесении разных ПОМ на одну подложку или изготовлении, так называемых, адаптивных, т.е. "самоподстраивающихся" интерференционных систем) невозможно осуществить без разработки методов и систем контроля толщин оптических покрытий в процессе их изготовления.

При этом, кроме собственно повышения точности и расширения диапазона контролируемых толщин (особенно в сторону "тонких" слоев), необходимо рассматривать тип покрытия, его конкретные характеристики, систему и методику контроля толщин пленок, а также комплекс технологического оборудования для осаждения пленок в вакууме как единую замкнутую систему, объединяемую набором описываемых аналитически причинно-следственных связей, набором выходных параметров которой являются характеристики изготовленной тонкослойной интерференционной системы.

Балансно-двухволновый метод контроля оптических толщин формирующихся покрытий и система, построенная на его основе позволяет увеличить точность контроля оптических толщин пленок ''неравнотолщниных" слоев, а также реализовать объективную аналитическую взаимосвязь между конструкцией покрытия и технологическими параметрами ее изготовления с одной стороны и методикой, рабочими параметрами и возможностями системы контроля толщины пленок с другой.

Цель работы.

Цель работы состояла в выборе способа и разработке методик для системы контроля оптических толщин пленок в процессе их формирования, позволяющих оптимизировать процесс разработки и изготовления оптических интерференционных покрытий - увеличить степень воспроизводимости их выходных параметров и создавать покрытия с новыми (уникальными) свойствами и характеристиками.

Задачи исследований.

Для достижения сформулированной цели было необходимо решить следующие задачи:

1. Выбрать (разработать) базовый метод контроля толщин пленок оптического интерференционного покрытия в процессе их формирования.

2. Создать математическую модель системы контроля, учитывающую ее методические и аппаратурные характеристики в комплексе с конкретной конструкцией изготавливаемого покрытия и некоторыми параметрами технологического процесса.

3. Реализовать на практике полученные методики.

4. Изучить полученные с помощью созданной аппаратуры экспериментальные данные.

5. Установить, на основе полученных данных, научно обоснованную взаимосвязь между возможностями метода, его рабочими парамет-

рами, режимами работы и спектральными характеристиками полученных покрытий

6. Использовать опыт, полученный при работе с систем ой-прототип ом для выработки критериев, рекомендуемых при расчете оптических покрытий, для выработки требований к технологическим системам и устройствам для нанесения покрытий и собственно для системы контроля оптических толщин пленок в процессе их формирования, предназначенной для получения покрытий с заданными спектральными характеристиками

Методы исследования.

Для решения поставленных задач использовались следующие методы'

- систематический анализ и обобщение литературных данных с целью

использования достижений в области систем контроля оптических покрытий, синтеза и анализа интерференционных тонкослойных структур, технологии изготовления оптических покрытий и деталей для выбора оптимальных теоретических методик и технических решений, а также с целью выявления перспектив развития темы;

- универсальные методики и аппаратура для нанесения оптических по-

крытий в вакууме, адаптированных к анализу свойств и параметров системы контроля оптических толщин наносимых пленок в условиях, близких к условиям нанесения оптических покрытий на производстве;

- спектрофотометрические и готлипсометрические методы определения оптических характеристик тонких пленок и многослойных систем с целью установления корреляций между типом покрытия, технологическими режимами, параметрами системы контроля и характеристиками полученных покрытий.

Научная новизна.

Научную новизну работы определяют:

- Оригинальная математическая модель, разработанная применительно

к балансно-двухволновому методу контроля оптических толщин пленок в процессе их нанесения, позволяющая впервые объединить в единый комплекс составные части процесса создания оптического покрытия, а именно: тип и характеристики конкретной интерференционной системы, параметры и режимы работы системы контроля оптических толщин наносимых слоев, параметры технологического оборудования и ПОМ;

- Аналитические зависимости для количественной оценки погрешности

контроля оптических толщин слоев в зависимости от типа покрытия, режима и рабочих параметров системы контроля;

- Разработанные критерии выбора оптимальным образом реализуемых

конструкций покрытий; полученные методики полностью адаптированы под современную аппаратурную базу, на основе которой они могут получить свое дальнейшее развитие, являясь новым, эффективным средством научно обоснованной оптимизации процессов создания оптических интерференционных покрытий. Практическая значимость и реализуемость результатов работы. Практическая ценность работы:

- Создан комплекс фотометрического контроля толщин наносимых пленок балансно-двухволновым (БДВ) методом;

- Разработана методика выбора оптимальной конфигурации системы контроля, режимов ее работы и требования к параметрам и характеристикам основных узлов фотометрического комплекса;

- Изготовлены (на вакуумном оборудовании низкой степени автоматизации - установки типа ВУ-1А и ВУ-2М), следующие покрытия:

а) дихроические покрытия со стабилизацией отрезающих фронтов спекгральной характеристики не хуже ЛХ05<1нм;при крутизне

фронта Б = 0,12 им и Ттях = 0,9;

б) отрезающие фильтры, состоящие из шести различных ПОМ с

у

суммарной оптической толщиной = 63-^р; (ЯО"=508 им

и 670 нм) со стабильными значениями положения отрезающих фронтов (ДА.0_5 < 1 нм), крутизной Б = 0,1 нм"1 и Т^ = 0,8;

в) диэлектрические узкополосные интерференционные фильтры на Атак =404 нм (при Х1тшх<?.,. - нижней границы рабочего спектрального диапазона системы контроля) с точностью стабилизации длины волны максимального пропускания ЛХтг1ах<0,3 и полушириной спектральной характеристики - 3 нм;

- экспериментально подтверждены точностные возможности БДВ мето-

да для широкого диапазона оптических толщин наносимых слоев с относительной погрешностью контроля 0,1%;

- экспериментально подтверждены возможности изготовления так называемых "адаптивных" покрытий, т.е. покрытий в процессе изготовления которых при БДВ контроле происходит автоматическая корректировка опгических толщин слоев, вызванная неконтролируемыми отклонениями от расчетных величин реальных значений показателей преломления наносимых слоев;

Тема диссертационной работы была непосредственно связана с выполнением научно-исследовательских работ Ленинградского оптико-механического объединения : ТТ-2-301-81 "Разработка технологического процесса изготовления дихроических зеркал с повышенными требованиями к фиксации положения спектральной характеристики для передающих камер цветного телевидения"; и ТТ-2-601-84 "Разработка промышленной технологии нанесения высокопрочных отражающих оксидных покрытий применительно к крупногабаритным (1000-2600) оптическим деталям".

Результаты работы вошли в зарегистрированные во ВНИТИЦ научно-технические отчеты по этим темам.

Результаты работ использованы также в электровакуумной лаборатории отдела 36 и в оптическом цехе №56 ЛОМО и могут использоваться в научно-нсследовательских лабораториях, производственных участках при разработке и изготовлении всего спектра оптических интерференционных покрытий.

Основные результаты, выносимые на защиту:

1. Математическая модель двухволнового балансного фотометрического метода контроля оптических толщин формируемых слоев,

2. Структура системы контроля, методика ее настройки, эксплуатации и требования к основным функциональным узлам.

3 Методика выбора оптимальных длин волн, обеспечивающих максимальную точность контроля оптических толщин наносимых слоев.

4. Методика оценки влияния точности установки рабочих длин волн, дисперсии и технологических девиаций значений показателя преломления наносимых пленок на смещение спектральной характеристики покрытия и методика компенсации погрешности положения.

X

5. Методика контроля "тонких" слоев (£ = — ;Я0 < X - нижняя граница

4

рабочего спектрального диапазона системы контроля);

6. Методика контроля "нечетвертьволновых" слоев БДВ методом;

(/= —= ^ Где X] и Х-2 - рабочие длины волн).

4 X,

7. Методика расчета и изготовления антиотражающих (типа У-соа1) и дихроических покрытий при использовании пленкообразующих материалов с нестабильными значениями показателей преломления (эффект автоматической оперативной корреляции, автоподстройка).

8. Методика использования БДВ системы как отдельно, так и совместно с системой "кварцевого" контроля толщины пленок для оперативной индикации отклонений значений показателей преломления форми-

руемых слоев от их расчетных или экспериментально установленных величин.

9. Алгоритм расчета оптических "адаптивных" покрытий применительно к БДВ методу контроля.

10. Результаты экспериментальной проверки работы фотометрического комплекса при изготовлении дихроических, антиотражающих и узкополосных фильтрующих покрытий.

Апробация работы.

Основные научные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Международной конференции по инженерной оптике (Израиль, 1992) на симпозиумах по прикладной оптике (Санкт-Петербург, 1994; 1996). Основные материалы диссертации обсуждались и одобрены в 1990- 1997 гг. на научно-технических семинарах кафедры Оптических технологий СПб ГИТМО (ТУ).

Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 научных работ и получено 5 авторских свидетельств.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 186 страниц машинописного текста, в том числе 35 рисунков, 26 таблиц и 5 приложений. Список литературы содержит 108 наименований.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Бо введении показана актуальность задачи разработки и создания систем и средств контроля оптических толщин формируемых покрытий оптических элементов, сформулированы основные направления работы для достижения поставленной задачи, а также научные положения и результаты, выносимые на защиту.

Первая глава диссертации посвящена анализу работ, связанных с описанием методов и средств контроля толщин слоев, формирующихся оптических интерференционных покрытий.

Приведен краткий анализ физических параметров тонкослойных интерференционных систем и технологических факторов, влияющих на "качество" оптических покрытий и, в первую очередь, на форму и точность положения их спектральных характеристик.

Приведен обзор методов и устройств, используемых для оперативного контроля толщин пленок в процессе их формирования.

Сравнительный анализ технических характеристик и возможностей систем контроля толщин оптических покрытий показал, что наиболее перспективными для использования в составе технологического комплекса для изготовления оптических покрытий являются системы, основанные на принципе спекгрофотометрирования как отдельных слоев многослойных интерференционных покрытий, так и всего многослойного "пакета" в целом.

Такие системы наряду с контролем спектральных энергетических параметров (коэффициентов пропускания, отражения) формирующейся многослойной интерференционной системы позволяют вести непосредственный контроль оптических толщин наносимых слоев, т.е. основного важнейшего параметра, определяющего, в конечном счете, параметры спектральной характеристики всей многослойной интерференционной системы в целом.

Кроме того, спекгрофотометрические системы контроля являются единственными, позволяющими на практике, в условиях производства, получай информацию о действительном значении и величине спектральной дисперсии второго важнейшего параметра, определяющего свойства оптических ин терференционных покрытий, а именно: показателе преломления формируе мых слоев.

Проведенный анализ литературных данных об устройстве и методика, использования современных спектрофотометрических систем и методик, ис

пользуемых в производственных технологических комплексах для изготовления оптических покрытий показывает, что обеспечиваемая ими относительная погрешность оперативного контроля оптических толщин слоев находится на уровне 1+2%. При этом, указанные цифры достижимы только при контроле слоев с оптическими толщинами порядка 75 нм и выше. С уменьшением оптических толщин наблюдается резкое падение точностных возможностей известных методик и систем спектрофотометрического контроля. Разработанные методики получения информации о величине показателей преломления формирующихся слоев носят чисто качественный характер (типа: "больше-меньше") и пригодны только для относительно "толстых" слоев. Методика оценки и учета влияния дисперсии показателя преломления формирующегося слоя отсутствует. Нет четких критериев для выбора режимов и рабочих параметров системы контроля в зависимости от типа покрытия, порядкового номера формируемого слоя, его материала и, собственно говоря, от требований, предъявляемых ко всей интерференционной системе в целом.

Учет всех вышеперечисленных факторов является непременным условием дальнейшего прогресса в разработке изготовления и применении тонкослойных оптических покрытий. Использование спектрофотометрических систем при контроле толщин оптических интерференционных покрытий требует дальнейшей разработки и усовершенствования методик и аппаратурных средств.

Во второй главе описывается математическая модель спектрофотомет-рической системы контроля оптических толщин покрытий, основанной на ба-лансно-двухволновом (БДВ) методе контроля.

Получена аналитическая зависимость для расчета относительной поп II (Г/ а-о 1 ■ -грешности контроля четвертьволновых = —-;А,0 =—-—/-1 и кг - ра-

4 Я.| +

бочие длины волн) слоев, учитывающая аппаратурные особенности построе-

ния системы контроля и чувствительность метода при работе на пропускание и отражение.

Получена аналитическая зависимость для расчета методической чувствительности при контроле "четвертьволновых" слоев, включающая в себя практически все физические параметры как собственно самой системы контроля, так и непосредственно контролируемого процесса.

Выведены формулы для расчета рабочих длин волн, обеспечивающих в процессе контроля максимальную чувствительность метода.

Показано, что рабочие длины волн, оптимальные с точки зрения чувствительности метода, вообще говоря, не совпадают с длинами волн минимизирующих относительную погрешность контроля.

Приведены расчетные данные, позволяющие оценить влияние показателей преломления подложки и осаждаемых материалов на ширину рабочего

а.,

спектрального диапазона - § = —.

Показано, что при значениях ё;>1 ,5 не наблюдается практического выигрыша в точности контроля, что позволяет значительно снизить требования к ширине рабочего спектрального диапазона системы контроля а, соответственно, значительно упростить ее аппаратурную реализацию. Кроме того, автоматически снижается отрицательное влияние дисперсии показателей преломления подложек и пленкообразующих материалов на точность фиксации положения спектральной характеристики покрытий.

Получены результаты, идущие вразрез с традиционно сложившимся мнением о том, что для увеличения точности БДБ метода необходимо непременно стремиться к расширению рабочего спектрального диапазона системы контроля. Доказано, что во всем диапазоне известных пленкообразующих материалов и подложек вариант работы БДВ системы контроля на отражение при фотометрировании системы: подложка-непоглощающая пленка гораздо

предпочтительнее с точки зрения точностных параметров, чем контроль по пропусканию.

Приводится сравнительная оценка относительных погрешностей "экстремального" одноволнового метода контроля и БДВ метода при работе на отражение. Минимальный выигрыш в точности контроля около 3-х раз.

Рассмотрено влияние ошибки установки рабочих длин волн системы БДВ контроля на смещение спектральных характеристик покрытия. Доказано, что ошибка положения спектральной характеристики не превышает максимальной из ошибок установки рабочих длин волн. Кроме того, в БДВ системах контроля требования к устройствам монохроматизации могут быть примерно в 2 раза менее жесткими, чем в системах "экстремального" контроля.

Исследовано влияние дисперсии показателя преломления однослойной пленки на смещение спектральной характеристики покрытия. Получена аналитическая зависимость для введения поправок в значения рабочих длин волн, компенсирующих влияние дисперсии.

Теоретически доказана возможность контроля "тонких"

"нечетвертьволновых" ( £ ~~;Х0 < Х0 < Х21 слоев БДВ методом при

V 4 Хг+12 )

сохранении точности контроля присущей "четвертьволновым" плешам.

Разработанная методика "предварительного разбаланса" показала однозначное преимущество ввода данных не в оптическую часть системы контроля, а только в электронную (за исключением установки рабочих длин волн). Этот прием обеспечивает как минимум 30% повышения точности контроля параллельно с упрощением и удешевлением всей системы.

Получены аналитические зависимости для вычисления относительной погрешности контроля "нечетвертьволновых" слоев при работе системы как на пропускание, так и на отражение. Эти зависимости включают в себя как параметры изготавливаемой тонкопленочной конструкции, так и рабочие характеристики самой системы контроля.

Анализ зависимостей позволяет сделать вывод, что при работе на отражение вне зависимости от величины показателя преломления осаждаемого слоя БДВ метод обеспечивает возможность контроля "тонких нечетвертьволновых" слоев практически во всем диапазоне оптических толщин

? ^ = К —; где: К = > 0,2^ с относительной погрешностью 81 к < 15 р; где

р. - "шумовой" коэффициент фотоприемника.

Разработана методика расчета аппаратурной погрепшости контроля толщин слоев с учетом спектральных характеристик источника света и фотоприемника. Оказалось, что правильный выбор фотоприемника является решающим фактором, обуславливающим принципиальную возможность контроля "тонких нечетвертьволновых" слоев.

Представлена методика расчета оптимальных рабочих длин волн системы контроля при "сквозном" фотометрировании многослойных токопленоч-ных покрытий, обеспечивающая выбор оптимальных рабочих длин волн для каждого из наносимых слоев.

Рассмотрено влияние девиаций значений показателей преломления наносимых слоев на величин}' погрешности контроля оптических толщин пленок при различных вариантах работы системы - на отражение и на пропускание.

Выведены аналитические зависимости для расчета ошибок оптических толщин, вносимых отклонениями от расчетных значений, показателей преломления осаждаемых пленок.

Разработаны методики выбора режимов работы системы контроля в зависимости от осаждаемых материалов и типа покрытия, позволяющие свести к минимуму влияние девиаций значений показателей преломления наносимых слоев и обеспечивающие получение покрытий с заданными спектральными характеристиками.

Исследована и подтверждена возможность фиксации отклонений от расчетных значений показателей преломления слоев в процессе их осаждения. Регистрируются относительные отклонения значений показателей преломления на уровне 1-3% от номинала.

Предложен и рассмотрен так называемый "совместный" (БДВ +" кварцевый") метод индикации изменений показателей преломления формирующихся слоев и определения их текущих значений.

Предложена (применительно к БДВ контролю) методика синтеза адаптивных интерференционных оптических покрытий, при реализации которых ошибки (неконтролируемые изменения) в показателях преломления слоев не приводят к изменению результирующих спектральных характеристик покрытий за счет их компенсации путем изменения оптических толщин пленок,

автоматически при выбранной схеме контроля

В третьей главе описан состав, принцип действия и схема объектов комплекса фотометрического контроля оптических толщин пленок в процессе их формирования. Разработанная система контроля позволяет успешно реализовать все потенциальные возможности БДВ метода.

Приводятся экспериментальные данные о линейности измерительной схемы: не хуже 1% при динамическом диапазоне входного сигнала ±60 дб. Полученные технические решения и результаты оставляют место для дальнейшего развития и усовершенствования как теоретических, так и аппаратурных возможностей балансного метода контроля.

В четвертой главе диссертации рассмотрены некоторые теоретические аспекты и технологические возможности изготовления современных дихрои-ческих покрытий, требующих, в частности, стабилизации положения отрезающего фронта (Длоз) не хуже + 2 нм.

Показано, что при контроле "четвертьволновых" дихроических покрытий БДВ методом наблюдается эффект автоподстройки (при условии стабильности показателей преломления пленкообразующих слоев). А именно, выпол-

няется равенство: пЕс1в + пнс1„ = гДе индексы в и н означают "высокий" и

"низкий"; п и (1 - соответственно показатель преломления и геометрическая толщина. Выполнение этого равенства у пар соседних слоев обеспечивает теоретическую стабильность положения отрезающего фронта:

ДА,0 ^ _ I

——=— <1-10 , что примерно в 20 раз лучше, чем при контроле обычным

^ 0.5

''экстремальным" методом.

Разработан критерий качества и алгоритм расчета рабочих длин волн при сквозном контроле-дихроических четвертьволновых покрытий БДВ методом. Приведены результаты программного расчета оптимальных рабочих длин волн при изготовлении двух типов "четвертьволновых" интерференционных систем.

Важнейшим результатом анализа является тот факт, что для каждой конкретной интерференционной системы, вне зависимости от того к какому участку ее спектральной кривой (или набору точек) предъявляются повышенные требования, существует свое, характерное именно для системы данного типа ( с учетом, естественно, и количества слоев) распределение функционала качества БДВ системы контроля, как функции от выбранных рабочих длин волн Л-1 и Х2. Рассмотрена работа БДВ метода контроля при изготовлении дихроических покрытий из материалов с несгаблышми значениями показателей преломления.

Показано, что в этом случае, для обеспечения эффекта автокомпенсации контроль должен вестись по пропусканию и раздельным способом, т.е. каждому слою из материала с нестабльным значением показателя преломления должна предшествовать смена контрольного образца.

Рассмотрено применение БДВ метода контроля при изготовлении анти-отражающих покрытий. Разработана методика расчета двухслойных антиот-ражающлх покрытий при условии их контроля БДВ методом, а также алго-

ритм выоора раоочих дj ihh волн системы контроля, обеспечивающих в процессе изготовления двухслойного покрытия эффект автоподстройки, с обеспечением минимального коэффициента отражения на заданной длине волны.

В пятой главе диссертации описываются эксперименты и практические результаты применения БДВ метода контроля при изготовлении оптических покрытий. Описаны серии экспериментов по изготовлению 11-ти слойных дихроических покрытий из сернистого цинка (ZnS) и фтористого магния (MgF2). Полученные результаты сравниваются с данными, полученными при изготовлении таких же покрытий с контролем "кварцевым" методом. Так при изготовлении "четвертьволновых" 11-ти слойных дихроиков Х0 =550 нм с помощью БДВ метода разброс положения длинноволнового отрезающего фронта - X(os находится в пределах ±2,5 нм. Изготовление нескольких серий этого же покрытия с помощью "кварцевого" контроля обеспечивает A\'q5<17 нм. Работа с обычной "экстремальной" системой фотометрирова-ния дает еще более неудовлетворительные результаты <±22 нм.

Наиболее полно возможности БДВ метода проявились при изготовлении уникального оптического фильтра (типа "Bandpass"), состоящего из двух склеенных отрезающих фильтров, на каждом из которых была нанесена 31 слойная конструкция типа: 3m3B3H3(3H2H2)2[(B,Hi)93B2](H23B2)2 Н3ЗВ3; где: пв1 = 2,3 (ZnS), nB,=2,05 (ZrOz); пв3=1,96 (Hf02); nHi = l,35(Na3AlF6); пн2 = 1,45(SiOj), цн3 = 1,60 (Alj03);

В), B2, В3, Hi, Н2, Н3 - "четвертьволновые" оптические слои при А,(оК)=508 нм для "коротковолнового" отрезающего фильтра и =670 нм для "длинноволнового" фильтра.

Полученный с помощью БДВ метода "Bandpass" - фильтр удовлетворяет заданным параметрам.

№ Параметр Спектральный диапазон, Пропускание, 1%1

1 Зона "прозрачности" 560-610 50±5

Коротковолновая зона подавления 480-550 <0,01 (0>4)

3 Длинноволновая зона подавления 620-700 <0,01 (0>4)

Была разработана методика и поставлена серия экспериментов , целью которых было получение количественной практической величины погрешности оптических толщин пленок при контроле БДВ методом "нечетвертьволновых" слоев.

В качестве модели был выбран процесс изготовления II-ти слойных диэлектрических узкополосных интерференционных фильтров с аП1М=404 нм.

Интерпретация полученных результатов позволяет утверждать, что относительная погрешность контроля оптических толщин трех средних (важнейших) слоев узкополосного фильтра при работе БДВ системы в режиме раздельного контроля "нечетвертьволновых" слоев по отражённому сигналу не превышает 0,1%.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основные результаты исследований изложеных в работе:

1. Разработана математическая модель двухволнового балансного фотометрического метода контроля оптических слоев покрытий в процессе их формирования.

2. Рщрабшача система контроля, методика ее настройки, эксплуатации и сформулированы требования к ее основным функциональным узлам .

Разработана методика выбора оптимальных рабочих длин волн системы контроля, обеспечивающих минимальную погрешность оптических толщин слоев.

3. Разработана методика оценки влияния дисперсии и девиации значений показателя преломления осаждаемого слоя на смещение спектральной характеристики покрытия и показаны пути компенсации ошибки положения.

4. Разработана методика контроля "тонких нечетвертьволновых" слоев

X

(<! = —;Я0 < >.„- нижняя граница рабочего спектрального диапазона 4

системы контроля).

5. Изложена методика расчета и изготовления просветляющих (типа \'-соаГ) дихроических и фильтрующих покрытий при работе с пленкообразующими материалами, имеющими нестабильные значения показателей преломления (эффект автоматической оперативной коррекции, автоподстройка).

6. Представлен алгоритм использования БДВ системы как отдельно, так и совместно с системой "кварцевого" контроля, предназначенный для оперативной индикации отклонений значений показателей преломления формируемых слоев от их расчетных или экспериментально установленных величин.

7. Изложена методика расчета оптических "адаптивных" покрытий применительно к БДВ методу контроля.

8. Представлены результаты экспериментальной проверки разработанного фотометрического комплекса при изготовлении дихроических просветляющих и узкополосных фильтрующих покрытий.

ПУБЛИКАЦИИ

Но теме диссертации опубликованы следующие работы:

1. A.C. 1044973 МКИ G01B 21/08 Устройство фотометрического контроля оптической толщины пленок, напыляемых в вакууме; З.Э.Эльгарт, В.Д Введенский (СССР) №3442965/18-28; Заяв. 21.05.82; Опубл. 30.09.83, Бгол. №36.

2. Эльгарт З.Э., Фурман Ш.А. Фотометр для контроля толщин пленок по методу двух длин волн //Приборы и техника эксперимента. Москва 1984,-№5.-С.205-208.

3. Эльгарт З.Э., Фурман Ш.А., Полина ТВ., Слотина Н.М. Разработка технологического процесса изготовления дихроических зеркал с повышенными требованиями к положению спектральной характеристики для передающих камер цветного телевидения //Отчет НИР 2-301-81. JIOMO. Ленинград, 1986, 161с.

4. A.c. 1295875 МКИ G 01В Устройство для контроля толщин слоев оптических интерференционных покрытий. Эльгарт З.Э., Столов Е.Г. (СССР) №3897747; Приоритет 12.05.85', зарегистрировано 8.11.86. Без права публикации.

5. A.c. 1299246 МКИ G 01В Фотоэлектрическое устройство для контроля толщины пленок оптических покрытий в процессе их изготовления. Эльгарт З.Э., Воробьев С.Ф., Стерин М.Д., Фурман Ш.А. (СССР) №3880362 ; Приоритет 3.04.85, зарегистрировано 22.11.86. Без права публикации.

6. A.c. 1486793 МКИ G 01В 21/00 Способ контроля толщины пленок оптических покрытий в процессе их изготовления и устройство для его осуществления. Эльгарт З.Э., Воробьев С.Ф., Морозов А.Г. Стерин М.Д., (СССР) "№4304200/24-28; Заяв. 07.09.87; Опубл. 15.06.89. Бюл. №22.

7. ¡К,-».'!>«; З.С. Эльгарт З.Э. Балансно-двухволновый метод контроля толщины оптических покрытий//Оптико-мех. пром-сть-1990-№ 10.-С.52-54.

8. Эльгарт З.Э., Столов Е.Г. Расчет оптических адаптивных покры-тий.//Оптика и спектроскопия-199}-Т.70-вып.6-С. 1282-1285.

9. Эльгарт З.Э., Столов Е.Г. Синтез адаптивных физических систем // Автометрия-¡991 -№3-С.80-85.

10. Путилин Э.С., Эльгарт З.Э. Балансно-двухволновый метод контроля толщин слоев в процессе их осаждения.//Оптико-механическая промышлен-ность-1991-№9-С.50-53.

11. Ас. 1685179 МКИ G01B. Устройство для изготовления оптических покрытий. Эльгарт З.Э., Столов Е.Г. (СССР) №4658951 Приоритет 26.12.88, Зарегистрировано 15.06.91. Без права публикации.

12. Эльгарт З.Э., Кац A.C. Широкополосное антиотражающее покрытие для видимой и ближней ИК области спектра //Тонкие пленки и покрытия, Тезисы докладов на VIII Оптической конференции. Израиль. Тель-Авив, 1992-С.3-31.

13. Путилин Э.С., Эльгарт З.Э. Устойчивость оптических покрытий при их изготовлении //Материалы симпозиума "Прикладная оптика-94", С-Петербург, 1994, С.24.

14. Путилин Э.С., Эльгарт З.Э. Способ контроля оптических толщин наносимых пленок //Материалы симпозиума "Прикладная оптика-96", С-Петербург, 1996, С.ЗО.

15. Путилин Э.С., Эльгарт З.Э. Применение БДВ метода при изготовлении оптических покрытий //Материалы симпозиума "Прикладная оптика-98", С-Петербург, 1998.

16. Elgart Z., Katz-Fish A., Maresse Z., Maresse E. //Incorporation of empiric values for refractive indexes in multilager design. SPIE, v,1972,1992,p.276-280.

ПУБЛИКАЦИИ

По теме диссертации опубликованы следующие работы:

1.А.С. 1044973 МКИ G01B 21/08 Устройство фотометрического контроля оптической толщины пленок, напыляемых в вакууме; З.Э.Эльгарг, В.Д Введенский (СССР) №3442965/18-28; Заяв. 21.05.82; Опубл. 30.09.83, Бюл. №36.

2. Эльгарт З.Э., Фурмап IIIA. Фотометр для контроля толщин пленок по методу двух длил волн //Приборы и техника эксперимента. Москва 1984,-№5.-С.205-208.

3. Эльгарт З.Э., Фурман Ш.А., Полина Т.В., Слотина Н.М. Разработка технологического процесса изготовления дихроических зеркал с повышенными требованиями к положению спектральной характеристики для передающих камер цветного телевидения //Отчет НИР 2-301-81. JIOMO. Ленинград, 1986, 161с.

4. A.c. 1486793 МКИ G 01В 21/00 Способ контроля толщины пленок оптических покрытий в процессе их изготовления и устройство для его осуществления. Эльгарт З.Э., Воробьев С.Ф., Морозов А.Г. Стерин М.Д., (СССР) "№4304200/24-28; Заяв. 07.09.87; Опубл. 15.06.89. Бюл. №22.

5. Путилин Э.С., Эльгарт З.Э. Балансно-двухволновый метод контроля толщины оптических покрытий //Оптико-мех. пром-сть-1990-№10.-С.52-54.

6. Эльгарт З.Э., Столов Е.Г. Расчет оптических адаптивных покры-тий.//Оптика и спекгроскопия-1991-Т.70-вып.6-С.1282-1285.

7. Эльгарт З.Э., Столов Е.Г. Синтез адаптивных физических систем // Автометрия-1991 -№3 -С. 80-85.

8. Путилин Э.С., Эльгарт З.Э. Балансно-двухволновый метод контроля толщин слоев в процессе их осаждения.//Оптико-механическая промышлен-ность-1991-№9.-С.50-53. <

9. Эльгарт З.Э., Кац A.C. Широкополосное антиотражающее покрытие для видимой и ближней ИК области спектра //Тонкие пленки и покрытия; Тезисы докладов на VIII Оптической конференции. Израиль. Тель-Авив, 1992- С.3-31.

10. Пугалин Э.С., Эльгарт З.Э. Устойчивость оптических покрытий при их изготовлении //Материалы симпозиума "Прикладная оптика-94", С-Петербург, 1994, С.24.

11. Пугалин Э.С., Эльгарт З.Э. Способ контроля оптических толщин наносимых пленок //Материалы симпозиума "Прикладная оптика-96", С-Петербург, 1996, С.30.

12. Путшшн Э.С., Эльгарт З.Э. Применение БДВ метода при изготовлении оптических покрытий //Материалы симпозиума "Прикладная оптика-98", С-Петербург, 1998.

13. Elgart Z., Katz-Fish A., Maresse Z., Maresse E. //Incorporation of empiric values for refractive indexes inmultilager design. SPIE, v,1972,1992,p.276-280.

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИИ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ИНСТИТУТ ТОЧНОЙ МЕХАНИКИ И ОПТИКИ (ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ)

На правах рукописи

Эльгарт Зиновий Эльевич

УДК 621.535.2

БАЛАНСНО-ДВУХВОЛНОВОЙ МЕТОД КОНТРО ОПТИЧЕСКИХ ТОЛЩИН СЛОЕВ (ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТЕЙ МЕТОДА ПРИ ИЗГОТОВЛЕНЫ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ ПОКРЫТИЙ)

Специальность: 05.11.07 "Оптические и оптико-электронные приборы"

Диссертация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель доктор технических наук, профессор Э.С.Путилин

Санкт-Петербург 1998 г.

ОГЛАВЛЕНИЕ

стр.

Введение.........................................................................................................4

1. Методы и средства контроля толщин наносимых слоев оптических интерференционных покрытий (обзор литературы)..................22

2. Балансно-двухволновый метод контроля оптических толщин пленок в процессе их формирования (математическая модель.)......................................................................................................43

2.1. Контроль оптических толщин "четвертьволновых" слоев БДВ методом контроля.......................................................................................44

2.2. Влияние ошибки установки рабочих длин волн системы контроля

на смещение спектральной характеристики покрытия........................63

2.3. Влияние дисперсии показателя преломления наносимой пленки на смещение спектральной характеристики покрытия.............................65

2.4. Контроль "нечетвертьволновых" оптических покрытий БДВ методом..................................................................................................71

2.5. Оценка влияния спектральных характеристик источника и приемника света на величину погрешности контроля оптических толщин слоев...............................................................................................85

2.6. Влияние девиаций значений показателей преломления наносимых слоев на величину погрешности контроля оптических толщин....................................................................................................90

2.7. Использование БДВ метода контроля для определения отклонений значений показателей преломления формируемых слоев от их расчетных величин.................................................................................97

2.8. Метод индикации изменений показателей преломления формирующихся слоев, основанный на совместном использовании двух методов контроля толщины (БДВ+мкварцевый") пленок...................106

Выводы по главе 2.......................................................................................110

3. Экспериментальная реализация приборного комплекса для ба-

лансно-двухволнового метода контроля оптических толщин слоев........................................................................................112

3.1. Оптическая схема контроля оптических толщин пленок...................113

3.2. Оптическая схема устройства для выделения двух независимых монохроматических световых потоков из сплошного спектра входного излучения. (Дихроматор).....................................................114

3.3. Принципиальная схема электронно-измерительного блока управления и ввода данных - УВД...............................................................118

3.4. Блок-схема и принцип работы электронно-измерительной части системы балансно-двухволнового контроля оптических толщин пленок...................................................................................................130

стр.

Выводы по главе 3.......................................................................................139

4. Применение БДВ метода при изготовлении некоторых типов многослойных интерференционных систем.....................................140

4.1. Дихроические покрытия.......................................................................140

4.2. Алгоритм расчета рабочих длин волн при сквозном контроле дих-роических четвертьволновых покрытий БДВ методом......................146

4.3. Результаты программного расчета оптимальных рабочих длин волн для дихроических покрытий и узкополосных фильтров...........151

4.4. Работа БДВ метода контроля при изготовлении дихроических покрытий из материалов с нестабильным значением показателей преломления.........................................................................................156

4.5. Применение БДВ метода при контроле просветляющих покрытий, обеспечивающих эффект просветления в одной длине волны....................................................................................................163

Выводы по главе 4.......................................................................................172

5. Экспериментальные и практические результаты применения БДВ метода контроля при изготовлении оптических покрытий.................................................................................................174

Выводы по главе 5.......................................................................................200

Заключение.................................................................................................202

Литература..................................................................................................204

Приложение................................................................................................214

ВЕДЕНИЕ

В последнее десятилетие технология оптических интерференционных покрытий продолжала развиваться достаточно интенсивно. Причиной этому послужил как количественный рост производства оптических элементов с покрытиями, так и качественно возросшие (или принципиально новые) требования, предъявляемые к оптическим покрытиям, использующимся во всем "спектре" современного оптического и научного приборостроения: астрономия, спектроскопия, лазерная техника, волоконно-оптические системы связи, телевидение, фото-киноаппаратура и др. Применение оптических покрытий позволяет целенаправленно изменять спектральные передающие функции оптических элементов и как результат, качественно улучшать выходные параметры оптических приборов и систем. Современные технологии нанесения оптических покрытий базируются главным образом на вакуумных методах нанесения слоистых структур и сводятся к конденсации в виде тонких пленок паров пленкообразующих материалов (ПОМ) на предварительно подготовленные поверхности подложек.

Технология интерференционных оптических покрытий включает ряд

этапов:

1. Выбор конкретных ПОМ, на базе которых будет реализована расчетная структура многослойного покрытия;

2. Определение метода и аппаратуры для реализации структуры: испарение или распыление в вакууме.

3. Определение значений основных технологических параметров процесса нанесения каждого выбранного ПОМ: температуры поверхности детали, давления и состава остаточных или реактивных газов, скорости осаждения ПОМ.

Дополнительными факторами технологического процесса являются: качество исходных материалов, количество и комбинации

ПОМ, используемых при создании интерференционной системы, состояние поверхности образцов и вакуумной камеры.

4. Выбор метода и рабочих параметров системы контроля толщин наносимых слоев в процессе их формирования.

5. Реализация выбранных технологических процессов нанесения ПОМ на вакуумной установке в последовательности, количестве и качестве, определяемыми заданной расчетной структурой интерференционной системы.

С математической точки зрения многослойная тонкопленочная система представляет собой комбинацию из конечного числа плоскопареллельных бесконечно протяженных слоев, толщина которых сравнима с длиной волны электромагнитного излучения светового диапазона.

В свою очередь каждый слой характеризуется показателем преломления - а в случае поглощения - коэффициентом поглощения - ку

Определение коэффициентов отражения, пропускания и поглощения многослойной системы с точки зрения электромагнитной теории сводится к определению стационарных амплитуд векторов напряженности электрического и магнитных полей на всех границах многослойной системы при падении световой волны с определенными характеристиками.

Оптические же свойства каждого слоя полностью описываются комплексным показателем преломления = г^ - ; и геометрической толщиной - с^, а свойства интерференционной системы - величинами ^ , N0, N¡+1 и I j = (оптическая толщина слоя), где: j - порядковый номер слоя, а N0 и

N^1- комплексные показатели преломления подложки и обрамляющей среды.

Технологический процесс изготовления оптических покрытий зависит, как уже указывалось, от нескольких десятков параметров, характеризующих

как непосредственно сам процесс вакуумного осаждения слоев, так и параметров подложки и условий эксплуатации.

Влияние некоторых из этих параметров на окончательный результат может быть достаточно точно оценено аналитически, а сами они могут с требуемой степенью точности быть измерены и отрегулированы.

Другая группа параметров может быть более или менее достоверно проанализирована аналитически с точки зрения степени их влияния на характеристики покрытия, однако, их измерение возможно лишь косвенными, полуколичественными методами, что в свою очередь, резко снижает возможности целенаправленного управления этими величинами. И наконец, целый ряд важных параметров процесса изготовления задается только эмпирически и не контролируется вообще.

Таким образом, ввиду сложности технологического процесса изготовления оптических интерференционных покрытий, в настоящее время отсутствует его полное адекватное математическое описание.

При синтезе интерференционных покрытий в расчет принимаются только комбинации пар: ^ и ^ ^, порядок расположения которых однозначно

определяют оптические и, в большей степени, эксплуатационные (прочность, адгезия, лучевая стойкость и т.п.) характеристики системы: оптическая деталь + слоистая структура.

Обычно, в расчет закладываются некоторые усредненные значения показателей преломления и коэффициентов поглощения тонких слоев ПОМ, полученные в сходных производственных условиях.

По такому же принципу определяются и точностные параметры систем контроля толщин слоев в процессе их осаждения.

При практической реализации оптических покрытий, ввиду сложности и многопараметричности этого процесса, зачастую не удается обеспечить соответствие реальных значений и^ их расчетным значениям.

Следствием этого является отличие заданных характеристик оптических покрытий от полученных реально.

Частично (и далеко не всегда) эта проблема может быть решена с помощью средств оптимизации конструкции покрытия путем повышения "устойчивости" покрытий.

Для этого еще на этапе проектирования моделируются возможные технологические отклонения параметров: nj ;kj и I jot их расчетных значений

и выбираются наиболее "устойчивые" с технологической точки зрения конструкции.

Такой подход позволяет сузить границы неопределенности результата, однако, не решает по крайней мере две из основных проблем изготовления интерференционных многослойных систем:

а) не обеспечивает воспроизводимости выходных параметров покрытий в условиях массового производства;

б) не гарантирует получение некоторых типов современных покрытий с уникальными характеристиками.

В настоящее время при выборе метода и рабочих параметров системы контроля оптических - £j = Nj -dj или геометрических - djтолщин пленок

формирующейся на поверхности детали слоистой системы руководствуются, как правило, эмпирическим подбором параметров системы контроля и других параметров технологического процесса, влияющих на точность контроля толщин пленок. При этом, тип покрытия, его конкретные характеристики, система и методика контроля толщин пленок , а также комплекс технологического оборудования для осаждения пленок в вакууме, не рассматриваются как единая замкнутая система, объединенная набором, описываемых аналитически, причинно-следственных связей, набором выходных параметров которой являются характеристики изготовленной тонкослойной интерференционной системы.

Зачастую в технологических процессах не контролируются непосредственно оптические толщины формирующихся пленок, определяющие характеристику всей интерференционной системы, а ведется контроль параметров (геометрическая толщина, масса, емкость, электропроводность, поляризационные свойства и т.д.), информация о которых косвенным образом, сопровождаемая естественно ростом погрешности, может быть интерпретирована в значения оптических толщин.

Научно обоснованное развитие существующих, а также создание новых технологий оптических покрытий невозможно осуществить без разработки методов и систем контроля параметров процесса вакуумного напыления формирующихся покрытий.

Для выбора оптимальных конструкций покрытий и оптимальных условий их изготовления необходимо установить объективную аналитическую взаимосвязь между характеристиками формирующегося покрытия и некоторыми технологическими параметрами процесса осаждения покрытий с одной стороны и методикой, рабочими параметрами и показаниями такой важнейшей системы всего технологического комплекса как система оперативного контроля оптических толщин формирующихся пленок с другой стороны.

Учитывая многопараметричность технологии вакуумного напыления и отсутствие полного адекватного математического описания этого процесса, безусловно, невозможно сейчас ставить задачу о глобальной оптимизации, по всем параметрам, используя систему контроля толщин пленок в процессе осаждения как единственный источник информации о состоянии всего комплекса параметров процесса изготовления покрытий.

Цель настоящей работы состояла в выборе способа и разработке методики систем контроля оптических толщин пленок в процессе их формирования, позволяющих оптимизировать процесс разработки и изготовления оптических интерференционных покрытий, увеличить воспроизводимость выход-

ных параметров и создавать покрытия с новыми (уникальными) характеристиками.

Для достижения сформулированной цели необходимо было решить следующие задачи:

1. Выбрать (разработать) метод контроля толщин пленок оптического интерференционного покрытия в процессе их формирования.

2. Создать математическую модель, учитывающую методические и аппаратурные особенности системы контроля в комплексе с конструкцией конкретно изготовляемого покрытия и некоторыми другими параметрами технологического процесса.

3. Реализовать на практике полученные методики.

4. Проанализировать полученные экспериментальные результаты изготовленных оптических покрытий с помощью созданной методики и аппаратуры.

5. На основе полученных данных установить научно обоснованную взаимосвязь между возможностями метода, его рабочими параметрами, режимами работы и спектральными характеристиками полученных покрытий.

Научная новизна работы заключается в том, что применительно к ба-лансно-двухволновому методу контроля оптических толщин пленок в процессе их нанесения разработана математическая модель, позволяющая впервые объединить в единый комплекс составные части процесса создания оптиче-

и и и

ского покрытия: тип и характеристика конкретной многослойной системы, режимы работы и параметры системы контроля оптических толщин слоев, параметры технологического оборудования и пленкообразующих материалов;

- получены аналитические зависимости для количественной оценки погрешности контроля оптических толщин слоев в зависимости от типа покрытия, режима и рабочих параметров системы контроля;

- разработаны критерии выбора оптимальным образом реализуемых конструкций покрытий;

Полученные методики полностью адаптированы современной аппаратурной базе, на основе которой они могут получить свое дальнейшее развитие, являясь новым эффективным средством научно обоснованной оптимизации процессов создания оптических интерференционных покрытий. Практическая значимость работы проявляется в следующем:

- Создан комплекс фотометрического контроля оптических толщин наносимых пленок балансно-двухволновым (БДВ) методом;

- Разработаны методики выбора оптимальной конфигурации системы контроля, режимов его работы и требования к параметрам и характеристикам основных узлов фотометрического комплекса;

- Изготовлены на вакуумном оборудовании низкой системы автоматизации (установки ВУ-1А и ВУ-2М) следующие покрытия:

а) 11-ти слойные дихроические покрытия со стабилизацией положения

( ДА,0 5 ^

спектральной характеристики Ао5<2 нм -—<0,3% при среднеквадра-

^о /

тичном отклонении результатов - ё = 0,3 нм

б) 19-ти слойные дихроические покрытия со стабилизацией длинноволнового и коротковолнового "фронтов" спектральной характеристики не хуже ±1 нм; крутизне фронта - Б =12%/нм при Ттах=90%;

в) 31-слойные отрезающие фильтры из 6-ти разных пленкообразую-

Я

щих материалов с суммарной оптической толщиной I- = 63— (Хо=508 нм и

4

670 нм) со стабильными значениями положения полосы пропускания отрезающих фильтров (ДА,о,5=1 нм), крутизной 8=10%/нм при Ттах=80%.

г) 17-ти слойные диэлектрические узкополосные интерференционные фильтры на Атах=404 нм (при А.тах<^н - нижней границы рабочего спектраль-

ного диапазона системы контроля) с точностью стабилизации длины волны максимального пропускания ДХтах^ ±0,3 нм и полушириной - 3 нм;

- Получены экспериментальные подтверждения точностных возможностей БДВ метода для широкого диапазона оптических толщин наносимых слоев: относительная погрешность контроля находится на уровне 0,1%;

На защиту выносятся:

1. Математическая модель дв