автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Эллипсометрия поверхностных слоев элементов оптоэлектроники, модифицированных ионными и электронными пучками

Министерство образования и науки Росийской Федерации

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ИНФОРМАЦИОННЫХ ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

На правах рукописи УДК 535.51: 666.011.01

НОВИКОВ Александр Александрович

ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЭЛЕМЕНТОВ ОПТОЭЛЕКТРОНИКИ, МОДИФИЦИРОВАННЫХ ИОННЫМИ И ЭЛЕКТРОННЫМИ ПУЧКАМИ

Специальность 05.11.07. Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 2008

О 6 НОЯ 2003

003451586

Работа выполнена в Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий, механики и оптики

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ, Прокопенко В.Т.

Официальные оппоненты — доктор физико-математических наук,

профессор, - кандитат технических наук, доцент

Ведущая организация - ФГУП НИТИОМ ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова

Защита состоится « 16» декабря 2008 г. в " " часов

на заседании специализированного совета Д.212.227.01 "Оптические и оптико-электронные приборы и комплексы" при Санкт-Петербургском Государственном университете информационных технологий точной механики и оптики по адресу: 190031, г.Санкт-Петербург, Гривцова, д.14.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Санкт-Петербургского Государственного университета информационных технологий, механики и оптики

Автореферат разослан " "_2008 г.

Ваши отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные печатью, просим направлять в адрес университета: 197101, Санкт-Петербург, Кронверкский пр., д.49 , секретарю диссертационного совета Д 212.227.01.

Ученый секретарь

Диссертационного совета Д 212.227.01:

/В. М. Красавцев/

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность работы. В настоящее время для создания новых прогрессивных технологий изготовления элементов лазерной техники и оптоэлектроники необходимо не только детальное изучение физико-химических процессов, приводящих при "различных внешних воздействиях (механических, химических, тепловых, радиационных и т.п.) к образованию модифицированной структуры поверхностного слоя (ПС) детали, выполненной из силикатного стекла или кристалла, но также требуется разработка прецизионных методов контроля оптических характеристик элементов оптоэлектроники на всех этапах технологического цикла изготовления оптико-электронных узлов из этих элементов.

Несмотря на то, что распыление материалов с использованием низкотемпературной газоразрядной плазмы инертных и химически активных газов применяется в производстве элементов оптоэлектроники не один десяток лет, до сих пор еще в недостаточной мере изучены физико-химические механизмы, лежащие в основе формирования модифицированной структуры ПС оптических элементов. Это связано в первую очередь с тем, что при экспериментально-теоретических исследованиях кинетики физико-химических процессов, протекающих при иошю- плазменной, ионно-химической и электронно-лучевой обработке поверхности стекол и кристаллов, как правило, используют такие понятия как "сколы" или "разломы" материалов. В то же время, при механической обработке оптических деталей на поверхности уже образуются неоднородные слои, а сама поверхность не является геометрически плоской границей раздела сред. Применение упрощенных моделей для описания физико-химических свойств поверхности элементов

оптоэлектроники со структурой ПС модифицированной пучками ионов и электронов в значительной степени препятствует объективной оценке качества изготовления этих элементов.

Для формирования научных представлений о природе и физико-химических механизмах, приводящих к образованию на оптических элементах неоднородных и анизотропных ПС с измененной структурой и микрогеометрией поверхности детали при облучении ионными или электронными пучками, необходимо не только выяснить основные закономерности изменения состава, структуры и оптических свойств ПС на различных этапах получения элементов оптоэлектроники с заданными физико-техническими характеристиками, но также установить истинные корреляционные связи между оптическими свойствами ПС и технологическими параметрами процесса изготовления детали.

Для достаточно обоснованного прогноза в изменении оптических свойств поверхности детали при различных внешних воздействиях необходимо знать оптический профиль слоя - его вид и градиентные характеристики, а также определять геометрические параметры шероховатой поверхности и микроскопические характеристики энергетического микрорельефа поверхности.

Поэтому, первоочередной задачей, оптимизации технологических режимов ионно-плазменной, ионно-химической и электронно-лучевой обработки оптических деталей, является разработка поляризационно-оптических и спектроскопических методов технологического контроля физико-химического состояния поверхности детали, учитывающих неоднородное строение ПС и изменение микрорельефа поверхности оптического элемента.

Цель настоящей работы состояла в усовершенствовании известных и разработке новых поляризационно-оптических методов контроля физико-химических свойств поверхностных слоев элементов оптоэлектроники в процессе модификации структуры силикатных стекол и кристаллов ионными и электронными пучками.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие основные задачи:

- разработка методов физико-математического моделирования структуры неоднородных поверхностных слоев в рамках феноменологического подхода к описанию их макро- и микроскопических характеристик;

- разработка методик эллипсометрического и спектроскопического анализа поляризационно-оптических свойств неоднородных и анизотропных поверхностных слоев и шероховатой поверхности неоднородной подложки;

- изучение основных закономерностей изменения поляризационно-оптических свойств и физико-химических механизмов формирования неоднородной структуры поверхностного слоя при ионной, ионно—химической и электронно-лучевой обработке силикатных стекол и кристаллов;

- разработка на основе полученных экспериментальных данных оптимальных технологических режимов ионного и электронно-лучевого облучения поверхности оптических элементов для лазерной техники с минимальными потерями излучения в УФ области спектра.

Научная новизна работы состоит в том, что:

-обобщены теоретические рассмотрения задачи отражения поляризованного света от неоднородных отражающих систем при макро- и микроскопическом описании их поляризационно-оптических свойств в приближении теорий отражения поляризованного света Друде-Борна и Сивухина-Пикуса;

-получены уравнения эллипсометрии для осесимметричных неоднородных анизотропных отражающих систем и шероховатой поверхности неоднородной подложки в приближении теорий отражения поляризованного света Рэлея-Райса и Друде-Борна;

-изучены основные закономерности изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от неоднородных слоев и шероховатых поверхностей диэлектриков и полупроводников, на основе которых развиты методы физико-математического моделирования неоднородных отражающих систем;

- в рамках макро- и микроскопических параметров поверхностных слоев изучены поляризационно-оптические свойства и физико-химические механизмы формирования дискретной и континуальной неоднородности

структуры ПС элементов оптоэлектроники в процессе различных внешних воздействий на поверхность детали ионными и электронными пучками излучения;

- методами эллипсометрии, ВУФ и ИК спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной и Оже-спектрометрии проведено исследование корреляционных связей между оптическими и физико-химическими характеристиками неоднородных поверхностных слоев силикатных стекол, образующихся при механической, ионной и электронно-лучевой обработке элементов оптоэлектроники и лазерной техники;

- изучены физико-химические механизмы и кинетика формирования выщелоченного слоя и сегрегации щелочных компонентов в глубине поверхностного слоя неоднородной структуры поверхностного слоя при ионной, ионно-химической и электронно-лучевой обработке поверхности элементов оптоэлектроники, изготовленных из натриевосиликатного стекла.

Результаты, выносимые на защиту:

1. Метод решения задачи отражения поляризованного света от анизотропных осесимметричных многослойных оптических систем, основанный на применении теории возмущений к рекуррентным соотношениям Абеле, позволяющий получить аналитическое уравнение эллипсометрии для определения оптических характеристик неоднородных анизотропных поверхностных слоев элементов оптоэлектроники, выполненных из силикатных стекол и кристаллов.

2. Методы эллипсометрического анализа и измерений поляризационно-оптических характеристик отражающих систем и элементов оптоэлектроники, основанные на физико-математическом моделировании неоднородной структуры поверхностного слоя, позволяющие определять оптимальные условия эксперимента и провести высокоточные измерения параметров оптических систем при экспериментальных условиях, когда наилучшим образом обеспечиваются метрологические возможности используемой спектроэллипсометрической аппаратуры.

3. Метод аттестации потерь оптического излучения в элементах лазерной техники при совместном использовании эллипсометрической и спектрометрической аппаратуры, позволяющий по поляризационно-оптическим параметрам шероховатой поверхности неоднородной подложки различать потери оптического излучения в поверхностном слое внутрирезонаторных элементов ионных лазеров и определить коэффициент ослабления излучения в материале оптической детали с погрешностью Я,, <0,02%.

4. Установлена общая закономерность изменения оптических свойств при обработке поверхности радиационными пучками натриевосиликатных стекол по глубине поверхностного слоя, заключающаяся в образовании в приповерхностной области выщелаченного слоя с показателем преломления меньше объемного значения и формировании в глубине поверхностного слоя области с показателем преломления больше объемного значения.

5. Двухстадийное ионно-плазменное распыление поверхностного слоя полированного кварцевого стекла низкоэнергетическими пучками ионов Аг+ с последующей низкотемпературной обработкой, что позволяет уменьшить потери оптического излучения в БУФ области спектра на внутрирезонаторных элементах ионных лазеров до 10—20% в области спектра илучения Х~145-163 нм.

Практическая значимость работы состоит в том, что

— разработанные методы эллипсометрического контроля оптических характеристик неоднородных отражающих систем и шероховатых слоев являются достаточно универсальными, и что позволяет использовать их при решении широкого круга научных и технологических задач на ряде производств элементов лазерной техники и оптоэлектроники;

— установленные корреляционные связи между оптическими параметрами поверхностного слоя и технологическими режимами ионно-плазменной и ионно-химической обработкой элементов лазерной техники, выполненных из кристаллического и плавленого кварца, позволили разработать критерии качества внутрирезонаторных элементов для ионных и эксимерных лазеров с минимальными потерями излучения в ВУФ и УФ области спектра;

Полученные результаты диссертационной работы были использованы для технологического контроля кинетики физико-химических процессов формирования неоднородных структур поверхностных слоев элементов оптоэлектроники на предприятиях ООО «Кварцевое стекло», ФГУП НИТИОМ ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова.

Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены либо лично автором, либо по его инициативе и при его непосредственном участии.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI Международной конференции "Прикладная оптика" (г.Санкт-Петербург, 2004 г.), на VII Международной конференции "Прикладная оптика" , проводимой в рамках Международного конгресса "ОПТИКА XXI век" (г.Санкт-Петербург, 2006 г.), на III Межвузовской конференции молодых ученых (г.Санкт-Петербург, 2005 г.), на XXXII, XXXIII и XXXIV научно-технических конференциях ППС СПб ГУ ИТМО (г.Санкт-Петербург, 2003,2004, 2006 г.).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах, в том числе в 2 научных статьях в научно-техническом вестнике СПб ГУ ИТМО, входившего в перечень 2001-2008 г.г. ВАК для ведущих рецензируемых научных изданий для докторских диссертаций, а также в 3 научных статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка литературы, включающего 201 наименование, содержит 186 страниц основного текста, включая 42 рисунка и 14 таблиц.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы; сформулирована цель и задачи работы, ее научная новизна и практическая значимость; представлены основные положения и результаты, выносимые на защиту и дано краткое содержание каждой главы диссертационной работы.

В первой главе представлен обзор литературы, на основании которого рассмотрены основные тенденции развития аппаратурного и методического обеспечения метода эллипсометрии неоднородных и анизотропных отражающих систем.

Изложены особенности одноканальных и двухканальных эллипсометрических приборов, построенных по фотометрической и компенсационной (нулевой) схеме измерения поляризационно-оптических параметров анизотропных оптических элементов. Проведен анализ особенностей применения методов амплитудной и фазовой модуляции поляризованного излучения, рассмотрены методы переключения состояния поляризации в оптических схемах нуль-эллипсометров для анизотропных оптических систем.

На основе введенного ранее обобщенного критерия качества эллипсометрических схем измерения поляризационных параметров оптического излучения представлен сопоставительный анализ модуляционных и балансных схем эллипсометров относительно классической (компенсационной) схемы нуль-эллипсометра с учетом метрологических возможностей используемой спектральной аппаратуры.

Рассмотрены различные методические подходы к анализу эллипсометрических измерений оптических характеристик неоднородных поверхностных слоев и многослойных структур элементов оптоэлектроники. В используемых эллипсометрических методах технологического контроля физико-технических характеристик оптических элементов можно выделить три подхода. Первый основан на проведении корреляционного анализа непосредственно измеряемых эллипсометрических параметров отраженного светового пучка с физико-химическими свойствами поверхностного слоя. Второй - на модельном представлении поверхностного слоя как однородного изотропного (или анизотропного) слоя с некоторыми эффективными параметрами - показателем преломления Пс и толщиной с!с. Третий - на определении вида оптического профиля показателя преломления.

Однако решение целого ряда технологических проблем возникающих при изготовлении градиентных элементов оптоэлектроники заставляет применять широкий класс ранее не используемых моделей отражающих систем и

ужесточать требования к принимаемым решениям о соответствии той или иной модели ПС объекту исследования.

Во второй главе диссертации дается развитие теории эллипсометрического метода анализа поляризационно-оптических характеристик неоднородных и анизотропных оптических систем и шероховатой поверхности неоднородной подложки.

При исследовании физико-химических свойств неоднородных ПС оптических элементов современными методами исследования состава и структуры ПС было очевидно, что такое понятие, как геометрическая толщина слоя, справедливое для однородной пленки, не приемлемо для ПС, когда изменение их локальных физико-химических свойств (состав, плотность, поляризуемость, электропроводность, диэлектрическая проницаемость и т.п.) по мере удаления от границы раздела сред асимптотически приближаются к свойствам объема материала. Эта особенность ПС оптических элементов требует введения в теорию неоднородных отражающих систем новых понятий о толщине ПС и методов ее определения.

Изменение состояния поляризации отраженного от неоднородного ПС светового пучка зависит от разности 5в(г)=е(2)—в0, где г(г) — диэлектрическая проницаемость ПС и в объеме материала е0, из которого выполнена деталь, а для тонкого слоя это изменение пропорционально толщине йг. Суммарный эффект в изменении поляризации отраженного светового пучка от неоднородного слоя в первом приближении будет пропорционален интегральной величине

е)=|(Ф)-Е0)с12,

(1)

которую принято -называть «оптическим эффектом» слоя. Значение этого

параметра для однородного слоя равно ^ -(ес ~ £0)с1С1 где £с - диэлектрическая проницаемость слоя, с!с - толщина слоя. Для неоднородного ПС из условия равенства параметра можно получить некоторые средние значения

толщины с1ср и показателя преломления Мср:

¿ср=(^<Н))2

}(б(2)-£0)2ск

Нср =

1 10

■ (2)

При ассимптотическом приближении достаточно уверенно

можно зафиксировать отличие оптических свойств неоднородного ПС от свойств объема материала в области ПС толщиной <1*, которую называют эффективной толщиной ПС. Эффективные значения диэлектрической проницаемости е* и толщины слоя <1* определяются из соотношений:

1

<с

(3)

где Ср — малая положительная величина, зависящая от критерия близости оптических свойств ПС к свойствам объема материала.

Метод решения задачи отражения поляризованного света от неоднородного анизотропного слоя, основанный на применении теории возмущений к рекуррентным соотношениям Абеля для многослойной структуры и метода эффективного слоя, позволяет получить обобщенное уравнение эллипсометрии для неоднородных анизотропных отражающих систем в виде:

р = tg4» • ехр( г'Д) = R(p)/R(5) = р0 • (l + А(р) • 5Y(p) - A(s) • 5Y(s)), (4)

АМ = . [(и(р.оу _ (и(,оу ] ',Ро = tg^0 • ехрг'Д0 = rw/r w, (5)

8Y(p) = гк08 ■ (г -ев ■ sin2^)"1 ÍK(z)-e0,x -eB -(е0,2 -e^z))"' х

(6)

X Sin Ж (Z) • e,(z) - • £0,J} • ехр(-2гк0е0х • (ü^dz ,

ю

5Y,S) = ik0 J (гу (z) - £0 у) exp(-2ik0U0<s,z)dz (7)

о

Здесь ХР, - азимуты линейной восстановленной поляризации; Д, Д0 -разности фаз между р- и ^-компонентой отраженного светового пучка от объекта исследования и геометрически плоской границы раздела сред, соответственно; Ub'0,U^'s)- адмиттансы внешней среды и однородной подложки; e0 x,G0iy, co z - составляющие тензора диэлектрической проницаемости однородной подложки; e>x(z), ey(z), eiZ(z) - составляющие тензора диэлектрической проницаемости ПС; ев - диэлектрическая проницаемость внешней среды; ко=2л/Х, где А. - длина волны излучения.

Для изотропных сред обобщенное уравнение эллипсометрии имеет вид:

Р = РЛ1 + AÖYJ, (8)

Ао =28otg29-Ur ■ ([tg> - (Uí!>)2 - CU'*»)3 ] - (e„ - e,))"1(9)

5YH =/kJ(£(z)-e0)-(e(z)-£1)[e(z)]-1 -exp(-r2k0U<s)z)dz. (10) o

При описании профиля диэлектрической проницаемости e(z) неоднородного ПС можно воспользоваться обобщенной функцией вида

Ф) = е„+(е,-O-F(qz), F(qz) = F1(q,z)-F2(q2z),

F1(q,z) = (l-q,z), F2(q2z) = exp(-q2z), n(0) = ^, d = l/2q,

где n(0) - показатель преломления на границе раздела сред (z=0); d -характеристическая толщина ПС. При Fi(qiz)=l оптический профиль ПС описывается экспоненциальной функцией e(z), при F2(q2z)=l оптический профиль ПС описывается линейной зависимостью e(z). В этих случаях имеется принципиальная возможность замены неоднородного ПС моделью однородного слоя с некоторыми средними значениями показателя преломления и толщиной слоя (2). В общем случае оптический профиль ПС описывается

знакопеременной зависимостью е(г) с экстремумом гтах|;|ш внутри ПС.В этом случае возможна замена неоднородного ПС двухслойной системой.

Получены аналитические выражения для решения прямой и обратной задач эллипсометрии для ПС имеющего различный вид оптического профиля г.(г), и определены численным методом для экспоненциального профиля ПС границы применимости обобщенного уравнения эллипсометрии (8) и уравнений в приближении Борна (когда 5£(г)=£(г) - Ео« е0). Используя понятие о пороговой чувствительности метода эллипсометрии к оптическому параметру неоднородного ПС а; из уравнения (8) несложно получить выражения для расчета минимальной (1тт и максимальной с!тах толщин ПС, определяющих границы области {с1т;п, с1тах}, в пределах которой удается однозначно оценить оптические параметры неоднородного ПС. Для экспоненциального профиля ПС г(г) эти соотношения имеют вид

X • 88 „

Л

(12)

'871-и15)-^-^-[Д-Л/"™ 4я-• 880 '

где 580-пороговая чувствительность эллипсометра. Показано, что при толщине ПС (1«>ь возникает неопределенность в определении показателя преломления слоя п(0), а для протяженного ПС (при (1»л) возрастает погрешность Яа, т.е. возникает неопределенность в определении толщины <1* слабоградиентного слоя.

При модификации структуры поверхности полупроводников и диэлектриков ионными (электронными) пучками возможно образование легкополяризуемых или высокопроводящих тонких ПС с деформацией энергетических зон, имеющих как пустые, так и заполненные энергетические уровни поверхностных электронных состояний, и отличающихся от энергетических уровней в глубине ПС. Для описания оптических свойств таких слоев используются комплексные квазимикроскопические параметры: поляризуемость слоя в вертикальном направлении а0>у (размерность длины) и высокочастотная поверхностная проводимость рол. (размерность скорости) [3], которые связаны с нормальными составляющими векторов поляризации Рп и напряженности электрического поля Е„, а также с тангенциальными составляющими напряженности электрического поля ЕХ|У и поверхностными токами соотношениями:

(13)

^ V £о )

где С - скорость света в вакууме; со - частота излучения. Используя безразмерные комплексные параметры а„-1к0па0> „ и ру=4ярои/С, на основе граничных условий для уравнений Максвелла выражения для коэффициентов отражения жения поляризованного света от тонкого слоя, находящегося на анизотропной подложке с тензором £0, можно получить в виде: К(Р.з) = (и(Р,*> _ и<р.*> _ §у(р.*>). (ив + + 5У2(Р'!))-', 8У,(!) = 8УУ = pv, (14)

5Y,*> =[рж +n3 -a, -U™ -Ulp> -sin2 Ф]-[1-(пв - a. -p. -sin2 ср)/4Г, (15) 5Yjlp) =[pv -nB -a, -Ui" ■ sin2 ф]• [1 -(nB ■ av -pv - sin2 ф)/4]"'. (16)

Для изотропной подложки г? =eo при условии | av | «1 и | pv | «1 несложно получить соотношения между макроскопическими характеристиками и микроскопическими параметрами квазикристаллической модели ПС введенными Д.В.Сивухиным (параметры уху2) и для модели высокопроводящего слоя, введенными Г.Е.Пикусом . Эти соотношения можно записать в виде:

Pv=ik„-(se-l)-Y„, av=/ko-(E.-D-yA. 07)

Р. ='Kf(e,y00-£„)dz, a, =ik„í(e,(z)-e0)-(61(z)-eer,dz. (18).

О о

Откуда следует, что изменение состояния поляризации отраженного светового пучка, вызванное нарушениями в ориентации молекул и межмолекулярных расстояниях, а также появлением особых поверхностных состояний электронной подсистемы атомов и молекул в ПС, формально может быть учтено введением некоторого переходного слоя, который в общем случае является анизотропным и поглощающим. Однако строгое теоретическое рассмотрение задачи отражения поляризованного света от тонких ПС толщиной d*«/. показывает, что описание оптических свойств сильно неоднородных, легко-поляризуемых и поглощающих слоев в рамках макроскопического подхода приведет к ошибкам в интерпретации результатов эллипсометрических измерений.

Для шероховатой поверхности неоднородной подложки уравнение эллипсометрии имеет вид:

/> = A,[1 + A„6Y, +к^2Ф(г)], (19)

БШф БШф

где а - среднеквадратическое значение высоты микрорельефа; у -среднеквадратическое корреляционное расстояние; F,2(y) - параметры, зависящие от вида корреляционой функции шероховатой поверхности.

Для разработки неразрушающих методов технологического контроля физико-технических параметров элементов оптоэлектроники, основанных на математическом моделировании структуры ПС, в первую очередь необходимо установить корреляционные связи с типом поляризации отраженного светового пучка, угловыми зависимостями изменения основных эллипсометрических параметров Д(ф) и Т(ф) и видом оптического профиля e(z) неоднородного ПС и видом корреляционной функции шероховатой поверхности.

Такой анализ можно выполнить используя графические методы, в том числе и основанные на применении Д-^-номограмм. Каждый квадрант Д-ЧР-

номограммы в системе координат поляризационных параметров геометрически плоской границы раздела сред (Д0 и ¥0) отражает не только тип поляризации отраженной монохроматической волны, но и характер угловых зависимостей основных эллипсометрических параметров Д(ср) и 'Р(ф). На рис.1 показаны Д-У-номограммы для экспоненциального распределения показателя преломления по глубине ПС при п(2)>п<, и гауссовой корреляционной функции шероховатой поверхности кварцевого стекла (по=1,4570 при 1=0,6328 мкм).

3) „ Д

11/ г» ко о г\0 д с^о

Рис.1 А-Т-номограммы экспоненциального профиля ПС (а) и гауссовой корреляционной функции шероховатой поверхности кварцевого стекла (б), а) «+» - точное решение; «о» -уравнение в приближении Борна; «—» пс=соп$и «—©—» й=соти б) сплошные линии — среднеквадратическая высота шероховатости; ; пунктирные линии — корреляционное расстояние у (значения указаны в мкм): 1- а=6 нм, 2- а=8 нм.

Для Д-ЧЧномограммы неоднородного ПС (рис.1,а) поляризация светового пучка будет левоэллитической п <Д(ф)<2зг, а угол поляризации (рп больше угла Брюстера срп > срв, Для шероховатой поверхности однородной подложки (рис. 1,6) поляризация светового пучка будет правоэллиптической 0<Д(<р)<71, а угол поляризации срп < фБ. Показана принципиальная возможноть различать эффекты в изменении состояния поляризации для неоднородного ПС, описываемого монотонной функцией распределения п(г) (экспоненциальной, линейной) от ПС, имеющего в глубине слоя экстремальной значение показателя преломления птах>тш (г). Кроме того, можно отличать изменение состояния поляризации от шероховатой поверхности кремния от тонкого окисного слоя.

Показано, что параметры шероховатой поверхности, в пределах которых можно гарантировать надежность метода эллипсометрии при использовании прибора типа ЛЭФ с пороговой чувствительностью 88о=3-10^, принимают

гц-1 юи

v

д

значения по величине среднеквадратической высоты в диапазоне от с1ШП=5 А0 до сгтах=55-110 А° при значении корреляционного расстояния у= 0,03-1 мкм.

Для объективной оценки возможностей эллипсометрии при определении параметров шероховатой поверхности оптических элементов были сопоставлены результаты измерений, полученные различными методами (табл.1.). Отметим, что среднеквадратическое отклонение точек профиля поверхности, обозначенное символом а*, для образцов 1-3 определялось методом профилометрии на приборе "ТаНз1ер", на образцах 4,5 - методом спекл-интерферометрии. Из представленных в табл.1 результатов измерений следует, что значения среднеквадратической высоты микрорельефа а, полученные методом эллипсометрии на основе уравнения (19), хорошо согласуются с данными других физических методов.

Таблица 1 Сравнение параметров шероховатой поверхности кварцевого стекла полученного различными физическими методами

№ Угол Поляризаци- Эффективные параметры ПС и

образца измер онные углы шероховатой поверхности элементов

ения,

Ф

А «р п* й*, мкм у,мкм о, А о*, А

1 50° 180°01' 8°38' 1,4572 0,73 0,3 6,2 4

60° 359°57' 7°00'

2 50° 180°36' 8°44; 1,4588 0,54 0,2 16 13

60° 358°54' 6°55у

3 50° 180о55' Б^О7 1,4597 0,65 0,06 22 20

60° 358°53' 6°52'

4 50° 180°07' 8°38' 1,4576 0,20 0,03 11 10

60° ЗбЭ'Ш'' 7°01/

5 50° 180°10' 8°35; 1,4600 0,07 0,03 23 20

60° 359°58' 7°00'

Однако метод эллипсометрии имеет существенное преимущество по сравнению с другими методами, поскольку он позволяет наряду с параметрами шероховатой поверхности одновременно определять и параметры ПС, которые также дают информацию о качестве обработки поверхности детали. В частности, при одинаковых значениях высоты шероховатой поверхности значения показателя преломления и толщины ПС могут существенно различаться (табл.1, образцы 3,5), что может сказываться на потерях

оптического излучения на поверхности оптических элементов в видимой и УФ областях спектра.

Третья глава посвящена разработке методов эллипсометрического контроля оптических характеристик неоднородных слоев, образующихся при изготовлении внутрирезонаторных элементов ионных лазеров. Критерием качества оптических внутрирезонаторных элементов, используемых для получения одночастотного режима генерации излучения ионных лазеров в видимой и УФ-областях спектра, является величина потерь излучения на этих элементах. Для объективной оценки качества изготовления внутрирезонаторных элементов необходимо различать потери оптического излучения, вызванные образованием в процессе изготовления элементов модифицированного ПС, от потерь связанных, с ослаблением излучения в объеме материала, из которого выполнена деталь.

В данном разделе проводится экспериментально-теоретический анализ возможности применения методов эллипсометрии и спектрофотометрии для аттестации потерь излучения в оптических элементах для лазерной техники и исследование оптических характеристик поверхностного слоя при полировании кварцевого стекла.

Непрерывную сетку из неупорядоченно расположенных кремниевокислородных тетраэдров [БЮ^]0, соединенных между собой вершинами (мостиковыми атомами кислорода) можно рассматривать как "идеальную" структуру стеклообразного диоксида кремния 8Ю2. Реальная структура кварцевого стекла всегда имеет нарушения в виде примесных и собственных дефектов кремнекислородной сетки. При технологическом синтезе различных кварцевых стекол (КУ, КВ, КИ и др.) принято различать два типа неупорядоченности структуры: позиционную (или геометрическую) и композиционную (или химическую). Первый тип выражается в неупорядоченном пространственном расположении структурных узлов, занимаемых атомами кремния и кислорода О, второй - в неупорядоченном характере распределений атомов различного сорта по структурным узлам кремнекислородной сетки: микро-примесей ионов металлов гидроксильных ОН-групп и молекул технологических примесей Н2, С12, Н20, НС1 и N2, находящихся, как правило, не только в химически связанных структурах с 8Ю2_х, где 0<х<2, но и в порах сетки кварцевого стекла размером 4-7 А.

В качестве объектов исследования были использованы кварцевые стекла, полученные разными технологическими способами: высокотемпературным гидролизом паров тетрахлорида кремния в кислородно-водородном пламени; вакуумно-компрессионным методом плавления кристаллов кварца; плавлением кварца в кислородно-водородном пламени. В дальнейшем образцы подвергались термической обработке в силитовой печи, а для достижения постоянного значения плотности время выдержки I (час) и температура термообработки ТС выбиралась по данным Брюкнера. Отметим, что в быстроохлажденном кварцевом стекле восстановительного синтеза на воздухе или в воде, может быть "заморожено" определенное количество различных

дефектов в структурных группах SiCVx, концентрация которых зависит от технологических условий проводимого синтеза кварцевого стекла.

С целью фиксирования равновесной температуры образования дефектов структуры кремнекислородной сетки и оптической неоднородности кварцевого стекла проводилась закалка блока стекла в воде. При исследовании физико-химических свойств парофазного кварцевого стекла КСМВ, образцы вырезались в виде дисков из блока в направлении перпендикулярном оси роста, каждый диск разрезался на части с интервалом 10 мм, а затем, в зависимости от используемой методики измерений физико-химических параметров стекла, вырезался элемент соответствующего размера.

Для преодоления односторонности описания совокупности технологических факторов, влияющих на структуру кварцевого стекла, изучение его оптической однородности следует вести на основе комплексного подхода к исследованию различных физико-химических свойств силикатной системы (плотности р, показателя преломления п, показателя ослабления излучения ц-, (см-1) и концентрации ОН-групп Сон) по блоку парафазного кварцевого стекла методами ИК и УФ спектрометрии, интерферометрии и термоградиентным флотационным методом. Измерение оптической неоднородности по показателю преломления An(R) по радиусу R блока парофазного кварцевого стекла осуществлялось в интерферометре Тваймана с погрешностью измерения Sn—il-10"6.

Результаты исследования оптической однородности парофазного кварцевого стекла по показателю преломления Ari(R) со поставлялись с изменением «фиктивной» температуры T(R) и концентрации С0н ОН-групп в различных блоках парофазного кварцевого стекла (рис.2). Видно, что местонахождение экстремумов (min и шах) физико-химических параметров T(R), Coh(R), An{R) и характер их изменения в разных блоках кварцевого стекла практически совпадают.

Рис.2 Изменение «фиктивной» температуры T(R) (а), концентрации Сон (R) гидролитических ОН-групп (б), оптической однородности по показателю преломления An(R) (в) по диаметру различных блоков (1,2,3) парофазного кварцевого стекла КС—4В и. номограмма распределения коэффициента ослабления УФ излучения Р(/л) в различных партиях кварцевого стекла.

Оптическая неоднородность в блоках кварцевого стекла обусловлена, в основном, двумя факторами. Во-первых, разным участкам блока стекла соответствует определенная «фиктивная» температура Т, от значения которой, как правило, зависит позиционная неупорядоченность структуры кремнекислородной сетки кварцевого стекла, которая, в свою очередь, может быть связана с образованием кластеров или комплексов с тетрагональными искажениями в октаэдрическом комплексе [SiO«]" или с образованием локальной неоднородности близкой к структуре кристобалита или тридимита. Во-вторых - неоднородностью химического состава стекла, обусловленного, например, наличием в объеме материала градиента концентрации гидроксильных ОН-групп, т.е. различных химических связей в силикатной системе SiOx(OH)y- комбинационной неупорядоченностью кремнекислородной сетки по радиусу R блока кварцевого стекла. Если совпадение по блоку «фиктивной» температуры T(R) и концентрации С0ц (R) (рис.2,а,б, кривые 1) можно объяснить тем, что растворимость ОН-групп в области расплава кварцевого стекла растет с повышением температуры (химическая неупорядоченность структуры кварцевого стекла), то изменение показателя преломления Ап(К) следует связывать также и с позиционной неупорядоченностью структуры стекла.

В образцах толщиной L=10±0,l мм, вырезанных из разных блоков кварцевого стекла и полированных при стандартных условиях в водной суспензии полирита, путем измерений коэффициента пропускания Тх на спектрофотометре «Specord М40» при длине волны 1=200 нм определялся коэффициент ослабления излучения ц\ с погрешностью измерения 5^=±5-10 4 (см-1). На рис.2, показаны распределения коэффициента ослабления излучения Р(р.) для всех образцов парофазного кварцевого стекла (блоки 1,2,3), полированного первоначально по стандартной технологии в водной суспензии полирита на глубину съема материала h—10 мкм (партия 1), а затем по методу глубокого полирования с добавлением в полирующую суспензию диоксида церия (~ 20 масс.% СеОг) на глубину съема материала h~20 мкм (партия 2). Из представленных данных следует, что на потери оптического излучения цх влияет не только неоднородность физико-химической структуры и состава по блоку парофазного стекла, но и неоднородность физико-химической структуры ПС, образованного при полировании оптического элемента. Расхождение между средними значениями //ср и //ср для первой и второй партии кварцевого стекла следует отнести к влиянию физико-химической структуры ПС на потери излучения в УФ области спектра.

В качестве неразрушающего метода эллипсометрического контроля оптических характеристик модифицированных ПС внутрирезонаторных элементов рассмотрен метод математического моделирования вида оптического профиля ПС, основанный на определении оптимальных экспериментальных условий, при которых можно, на основе критерия максимального правдоподобия, давать оценку адекватности различных по своему физическому содержанию моделей ПС объекту исследования.

На первом этапе, последовательно, используя решение обратной и прямой задачи эллипсометрии, осуществляется прогнозирование изменений поляризационных углов Д^ (т) и (т) и возможных ошибок их измерения ^„д и Б^ч» для т-альтернативных моделей ПС в любой (]+1)-ой измерительной ситуации в зависимости от экспериментальных значений А^ и

т.е. полученных в j-oй ситуации по известной пороговой

чувствительности прибора 5Б0. При этом расчетным путем устанавливаются функциональные зависимости

А«(ш) = Р(ш,Т}э),Д()э),пв,фЛ), Ч^(™) = Р(т,Ч^Д^,пв,ФД) , (21) =Р(/«,Т}э),Д()э),пв,фЛ,55о), =Р(т,^э),Д(1э),пв,фЯ,5Бо). (22)

С точки зрения наибольшей вероятности принятия правильного решения о соответствии ьой или к-ой модели ПС объекту исследования, выбор оптимальных условий для продолжения эксперимента определятся совокупностью измерительных ситуаций, при которых функция ошибки Р(т) имеет наибольшую зависимость своих значений от вида модели отражающей системы. Показано, что при этом должно выполнятся условие:

5А;к:

41-АЙ , (23)

Поскольку выбранный функционал Р(т) не противоречит условиям % -распределения, то по зависимостям (21)-(23) несложно теоретически оценить вероятность ошибки И рода Уп(ф) в различных измерительных ситуациях, например, при многоугловых эллипсометрических измерениях для двухальтернативных моделей ПС. В измерительных ситуациях, при которых УпСф)-Угшгъ проводится измерение поляризационных параметров А® и *1/(р), а по значению функционала ¥(т) определяется вероятность ошибки второго рода Ушэксп.. полученной уже с учетом реальных погрешностей измерения поляризационных углов Б^д и и оценивается адекватность каждой 1-ой модели отражающей системы объекту исследования.

На втором этапе, для ¡-ой модели отражающей системы по известной пороговой чувствительности прибора 550 определяются экспериментальные условия для проведения измерений поляризационных параметров Д(ф) и Ч*(ф), где ошибки измерения физических параметров ( например, показателя преломления, толщины слоя и т.п) для этой модели ПС минимальны. По полученным в этих экспериментальных условиях значениям физических параметров оценивается их метрологическая надежность.

Из теоретического анализа обобщенного уравнения эллипсометрии для изотропных сред следует, что для различных модельных представлений о профиле показателя преломления ПС для одних и тех же зависимостей

поляризационных параметров А и Ч* от угла падения светового пучка расчетные значения показателя преломления в объеме материала пога будут различны. Очевидно, что отличие расчетного значения показателя преломления По1Ш определяемого для ш видов оптического профиля ПС от истинного значения п0, измеренного независимым методом, например гониометрическим или рефрактометрическим. Разброс значений пот(ф), полученных в разных измерительных ситуациях, может служить другим критерием правильности выбора модели отражающей системы.

Достоинством разработанного метода анализа оптических характеристик неоднородных отражающих систем является то, что он позволяет при наименьшем количестве проводимых измерений поляризационно-оптических характеристик сравнивать различные по своей физической природе модели отражающей системы (шероховатые поверхности; неоднородные, анизотропные или проводящие слои и т.п.) и оценивать вероятность ошибки в принятии решений об адекватности той или иной модели ПС объекту исследования.

По данной методике в видимой и ПК-области спектра были проведены эллипсометрические исследования оптических характеристик ПС, образующихся при различных режимах полирования внутрирезонаторных элементов изготовленных из кварцевого стекла и стекла К8. Показано, что оптический профиль ПС состоит из сильно градиентной по показателю преломления приповерхностной области толщиной до 0,3-0,5 мкм, и слабо градиентной области, протяженность которой определяется глубиной нарушенного слоя, образующегося на стадии шлифования оптической детали.

Из полученных результатов исследования ПС оптических элементов следует, что изделия выполненные из одной партии кварцевого стекла, к которым предъявлялись одинаковые требования по классу чистоты и точности формы поверхности, могут сильно отличаться по своим оптическим характеристикам, которые при прочих равных условиях обработки детали определяются физико-химического свойствами образующегося поверхностного слоя (табл.2).

Таблица 2. Поляризационно-оптические параметры поверхностных слоев кварцевого стекла полированного при различных условиях

Образ ец Состав порошк а Материал полировальника Угол измерения Поляризационные параметры Оптические параметры ПС и шероховатости

Ф Д * п <1 ,мкм у,мкм Я,,А

1 Се02 войлок 54° 57° 180°20' 359°30; 2°2б' 2°17/ 1,4579 0,047 0,10 25,3

2 смола 54° 57° 181°14' 358°26/ 2°32' 20П' 1,4595 0,256 0,08 37,7

3 Сг203 войлок 54° 57° 180°33' 359°17' 2°2б' 2° 17' 1,4583 0,095 0,12 42,6

4 смола 54° 57° 180°53' 359°17/ 2°30' 2°13' 1,4601 0,479 0,11 90

Необходимо подчеркнуть, что столь малый геометрический рельеф поверхности, высота которого сопоставима с молекулярными размерами кремнекислородных образований, может оставлять при полировании детали (по используемому здесь методу «float surface») кристалл полирующего оксида СеС>2, а не вся частица полирующего зерна, размер которой обычно составляет 0,25-3 мкм. Эти данные подтверждают гипотезу о механо-химической природе процесса полирования стекла и механизме формирования физико-химических свойств ПС и микрорельефа поверхности вследствие структурно-ориентированной механическим притиром хемосорбции монослоев ПС на кристаллических гранях частиц полировального порошка, которая сопровождается процессом гидролитической деструкции ПС.

Если при определении методом спекрофотометрии коэффициента внутреннего пропускания стекла та не учитывать влияние поверхностных потерь, то возникает существенная ошибка в величине показателя ослабления оптического излучения р,0, по которой судят о качестве оптического стекла. Истинное значение параметра ц0 в объеме стекла будет отличаться на величину потерь излучения ц,„ обусловленных его рассеянием на шероховатой поверхности (1ДИф.) и потерями на отражение светового пучка от неоднородного ПС (апс):

=Ц-Ц„. Ип =(1яиф+аПс)-Ь"1. (24)

Экспериментальная проверка величины ошибки в определении коэффициента ослабления (i проводилась методами спектрофотометрии и эллипсометрии, где в качестве образцов сравнения использовался оптический элемент изготовленный из высокооднородного кварцевого стекла толщиной L=10±0,l мм, поверхности которого первоначально обрабатывались по методу ГШП полиритом (образец 1), а затем тот же элемент полировался по методу «float surface» с добавлением в полирующую суспензию диоксида церия (образец 2) (табл.3.).

Таблица 3. Поляризационно-оптические параметры поверхностного слоя и шероховатой поверхности элемента и потери оптического

Образец Угол измерения Поверхность элемента

1-ая сторона (а) 2-ая сторона (б)

Ф A 4f д у

50° 180°08' 8°41' 180°09' 8°39'

1 60° Ъ59Ч9' 6°58' 359°40/ б^'

50° 180°02' 8°40' 180°00' 8°39'

2 60° 359°55/ 7°00' 359°49' 6°58''

Параметры ПС и Потери оптического излучения

Образец шероховатости (/.'=632, 3 нм) ( 1=200 нм)

п(0) С7, А У, 1диф.-Ю3 оспс-Ю4 Ц-Ю3, Цо'Ю3,

мкм мкм см 1 см 1

1(а) 1,4585 1,88 14,6 0,40 3,64 0,85

11,1 4,9

1(6) 1,4578 0,70 11,9 0,03 2,47 0,43

2 (а) 1,4587 0,67 12,3 0,40 2,59 0,93

7,2 4,4

2(6) 1,4579 1,34 2,2 0,03 0,08 0,51

Сопоставление значений коэффициента ослабления излучения в стекле Но, полученное с учетом поверхностных потерь цп рассчитанных по данным метода эллипсометрии, показало что величина поверхностных потерь цп соизмерима с потерями оптического излучения в стекле и не учет их при слектрофотометрических измерениях приводит к завышенным значениям ц по сравнению с истинным значением показателя ослабления излучения в стекле ц0. Одновременное применение метода эллипсометрии и спекгрофотометрии позволяет определить показатель ослабления излучения в материале, из которого выполнена деталь и потери излучения связанные с наличием поверхностного слоя.

В четвертой главе рассматриваются основные закономерности изменения поляризационно-оптических свойств поверхностных слоев силикатных стекол и кристаллов в процессе ионно-плазменного, ионно-химического распыления материала и электронно-лучевого оплавления поверхности элементов.

Для получения внутрирезонаторных элементов ионных лазеров использовались оптические детали полученные из кристаллического и плавленого кварца диаметром 20 мм и толщиной Ь=2,5±0,01 мм, которые обрабатывались по методу глубокого шлифования и полирования (ГШП). Ионную обработку образцы проходили на установке ЭВ-156, где источником ионов служила плазма, создаваемая ВЧ полем частотой {'=440 кГц, при давлении Р-З-10"3 Па и плотности тока 1~1ма/см2. Съем материала контролировался методом интерферометрии на приборе МИИ-4. Измерения коэффициентов пропускания Т(>.) образцов кварца в ВУФ области спектра проводились с погрешностью Бт<1,0-1,5% на установке с использованием монохроматора ВМР-2, где источником излучением являлась водородная

лампа ВМФ-25П с окном из монокристаллического MgF2, а приемником излучения служил ФЭУ-19. Эллипсометрические исследования проводились по методикам изложенным во второй главе диссертации на приборе ЛЭФ-ЗМ при длине волны излучения >..=0,6328 мкм.

Особенность формирования ПС при иошюй обработке оптических элементов выполненных из кристаллического кварца заключается в том, что бомбардировка поверхности детали ионами Аг+ приводит к появлению "аморфного" слоя, показатель преломления которого меньше объемного значения п0(о,е). Однако, ширина области ПС, в которой нарушена упорядоченность структуры кристалла низкоэнергетическими пучками ионов Аг+ меньше, чем для ПС, образовавшегося при полировании кристалла. Следует также отметить, что перестройка структуры в приповерхностной области аморфизированного слоя в результате внешних механических и радиационных воздействий приводит к перестройке структуры в глубине ПС кристалла так, что дополнительно появляется напряжено-деформированое состояние ПС, в результате которого происходит увеличение величины анизотропии 5na(z)> 5пао. В общем случае ионная обработка кристаллического кварца приводит к уменьшению потерь излучения в ВУФ области спектра.

При ионно-плазменной обработке кварцевого стекла КУ1 происходит формирование ПС с двухслойной структурой: в зоне непосредственного взаимодействия ионов Аг+ с гидролизованным в процессе полирования кварцевого стекла ПС SiOx(OH)y образуется сильно градиентный слой толщиной до 50 Á, оптические свойства которого описываются микроскопическими параметрами - высокочастотной поляризуемостью в тангенциальном с^ и нормальном а„ направлении к границе раздела сред, и протяженный подслой толщиной до 0,15—0,20 мкм, оптические свойства которого описываются макроскопическими параметрами - эффективной толщиной d* и показателем преломления п*.

По характеру изменения высокочастотной проводимости и поляризуемости ПС можно заключить, что с увеличением энергии пучка ионов Аг+ происходит не только интенсивное образование радиационных дефектов структуры в тонком ПС ( увеличение Rean и Rea, при энергиях пучка Еаг<0,75 кэВ), но и их распад ( уменьшение Rea,, и Rear при энергиях пучка EAi>0,75 кэВ). Это явление объясняется тем, что при неупругих соударениях ионов Аг+ с атомами ПС в результате передачи энергии от возбужденной электронной подсистемы атомам ПС происходит макроскопический нагрев поверхности и как результат нагрева — распад радиационных дефектов, т.е. возникает радиационно-стимулированный отжиг. Однако при радиационно-стимулированном отжиге продукты распада могут не только рекомбинировать, но и принимать участие в образовании дефектов структуры ПС иной природы, чем вызванные непосредственным взаимодействием ионов Аг+ с атомами ПС. Об этом свидетельствуют результаты полученные в рамках макроскопического подхода к анализу экспериментальных данных. Показано, что уменьшение эффективного показателя преломления ПС при энергиях пучка ионов аргона ЕАг>0,75 кэВ не велико и составляет 6п~5'10"3.

При распылении ПС полированного кварцевого стекла КУ1 ионами Аг+ с энергией ЕАг=1,5 кэВ наибольшее отклонение показателя преломления ПС п(0) от показателя преломления стекла п0 наблюдается в области h~0,5 мкм, т.е. в зоне наибольшей концентрации дефектов структуры ПС, возникающих при полировании стекла с образованием гидрооксидов SiOx(OH)y, которые характеризуются появлением центров поглощения излучения в ВУФ области спектра. При дальнейшем распылении ПС (до 1i~2mkm) оптические параметры d* и п(0) изменяются незначительно, но селективность ионно-плазменного распыления ПС приводит к возрастанию высоты микрорельефа а и угла наклона микро-граней шероховатой поверхности <0>. Однако, в общем случае ионно-плазменное распыление ПС и последующий термический отжиг радиационных дефектов приводит к уменьшению потерь излучения в ВУФ области спектра б), обусловленных гидролитической деструкцией полированной поверхности оптических элементов.

Особенность ионно-химической обработки поверхности, состоит в том , что нарушенный слой полированной детали удаляется как в результате физического распыления материала, так и в результате химических взаимодействий между активными частицами рабочего газа и поверхностными атомами и молекулами стекла. Этот способ обработки в отличии от ионно-плазменного распыления позволяет получить оптические свойства ПС близкими к свойствам объема стекла при малой высоте шероховатой поверхности. В частности, для кварцевого стекла КУ1, обрабатываемого в плазме четырехфтористого углерода CF4, оптимальный режим обработки достигается при использовании пучка ионов с энергией Е=0,5 кэВ. Дальнейшее увеличение энергии пучка ионов или использование низкоэнергетических пучков не позволяет получить высокое качество поверхности детали, что связано с различным влиянием на ПС процессов сопровождающих физическое распыление и химическое взаимодействие активных частиц рабочего с поверхностными атомами и молекулами ПС.

Электронно-лучевая обработка деталей проводилась в установке УВН-70А переоборудованной для целей электронно-лучевой технологии, где в качестве источника электронов использована электронная пушка с оптикой Пирса, формирующая ленточный луч с энергией Ее=2—6 кэВ при плотности тока до J~200 ма/см2. Это позволяло достигать разогрева поверхности детали до Т=700-900 °С при скорости сканирования луча ~1,0 см/с. Для уменьшения деформационных явлений в деталях, вызванных разностью температур на поверхности и в объеме стекла образцы подлежали нагреву до Т=510 °С.

При электронно—лучевой обработке натриевосиликатных стекол кинетика формирования модифицированной структуры ПС происходит в результате одновременного протекания двух явлений: процесса диффузии потока ионов J\ из глубины ПС к поверхности под воздействием электрического потенциала (рэл. и процесса десорбции щелочных ионов с поверхности стекла в вакуум. При этом в приповерхностной области слоя толщиной d~0,l мкм значение показателя преломления пс<п0 (рис.3,а), что приводит к изменению интенсивности и формы фотоэлектронной линии Ois рентгеновского

излучения, которая при электронно-лучевой обработке натриевосиликатного стекла К8 близка к линии характерной для БЮ2 (рис.3.,б).

а)

6)

в)

и д

е, эв ™ п« '■'> 1«

Рис.3 Изменение оптического профиля ПС при электронно-лучевой обработки стекла К8 (а), фотоэлектронная линия Ois рентгеновского излучения (б) и ИК спектры внешнего отражения (в) .

а) энергия электронного пучка: I - Ее=0; 2 - Ее=3,9 кэВ; 3 — Ее=4,6 кэВ; 4 - Ее=4,4 кэВ (трехкратно); б, в) 1 Ее=0; 2 Еа-4,6 юВ.

Данные полученные методом ИК-спектроскопии внешнего отражения (рис.3,в) показывают, что после электронно-лучевой обработки поверхности стекла К8 в низкочастотной области спектра (v=920-1020 см-1) наблюдается уменьшение интенсивности отражения от ПС. Это свидетельствует о снижении концентрации связей SiO~-Me+ и о повышении порядка связей SiO~-Si. Аналогичные зависимости R(v) получены для образцов стекла К8 прошедших обработку ионами Аг+. С увеличением энергии электронного пучка Ес толщина области ПС с показателем преломления n(z)<n0 увеличивается. Образование этой области непосредственно связано с уменьшением относительной концентрации щелочных ионов в ПС (рис.3,б) в результате их диффузии к поверхности и последующего процесса десорбции.

Наличие в ПС области с показателем преломления n(z)>n0 связана с кинетикой процессов электромиграции ионов Ме+ из толщи стекла к поверхности, в результате которой при вязкостном механизме релаксации происходит сегрегация ионов Na+ и перестройка структуры с образованием отдельных изолированных фрагментов [(Si04/2)4_4Na+] и двухчленных цепочек ограниченной длины [(Si04/2)4~3Na+]. В отличии от жидкостного травления ПС силикатного стекла, где при выщелачивании катионов металлов происходит образование микропористой структуры, в данном случае оплавление поверхности элементов электронным лучом не создает микропористую структуру ПС.

При ионной обработке стекла К8 образование в ПС области с показателем преломления n(z)<n0 можно связать с селективным распылением атомов в соединениях SiOx(OH)y и щелочных катионов в SiO~-Me+0CT, имеющих различную поверхностную энергию связи с кремнекислородным

каркасом стекла. Образование в глубине ПС области с п(г)>п0 указывает на то, что физическое распыление атомов и щелочных катионов сопровождается действием механизма передачи изменений структуры и элементного состава по глубине ПС. При ионной бомбардировки поверхности такая передача может быть обусловлена каскадными соударениями, эффектами "вбивания" атомов или имплантацией ионов отдачи из толщи стекла, а также радиационно-ускоренной диффузией ионов в ПС. Эта диффузия может сопровождаться миграцией подвижных ионов из при поверхностной области в глубь ПС под действием положительного пространственного заряда, создаваемого плазмой), а также через активированное состояние ионов О2" в соединениях кремнекислорода из толщи стекла в приповерхностную область слоя .

Детальный анализ поляризационно-оптических свойств оптических соединений деталей, показывает, что эффективные значения параметров -показатель преломления п*0к и толщина - дают информацию не только о зоне оптического контакта, толщиной (1з«<~30-60 А и показателем преломления п0к -1,40-1,43, но и сильно градиентной области ПС элементов, прилегающей к области непосредственного оптического контакта поверхности деталей 1 и 2 . Поэтому параметры п*ок и (1*а,<- можно использовать в качестве количественной оценки, так называемого, "обобщенного критерия качества" оптических соединений элементов оптоэлектроники, поскольку их значения определяют характеристики оптического соединения в целом, т.е. с учетом физико-химических и оптических свойств ПС элементов, находящихся в оптическом контакте. Отметим, что для получения оптического контакта деталей необходимо иметь в приповерхностной области ультра микропористую структуру кремнезема, которую можно получить не только жидкостным химическим травлением силикатного стекла, но и ионно-химической обработкой поверхности элементов оптоэлектроники в плазме СБзС1.

В приложении представлен анализ литературных источников, в которых изложены методы контроля оптических параметров поляризующих элементов эллипсометра; метрологическое обеспечение эллипсометрического метода и методы физико-математического моделирования неоднородных силикатных систем. Также представлены технические акты внедрения результатов научно-исследовательской работы на предприятиях оптического приборостроения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных в диссертационной работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработан метод решения задачи отражения поляризованного света от неоднородных анизотропных слоев, основанный на применении теории метода возмущений к соотношениям Абеле для многослойной осесимметричной анизотропной оптической системы. Метод позволил с одной стороны получить в аналитическом виде уравнение эллипсометрии для неоднородных и анизотропных поверхностных слоев в приближении Друде-Борна и Сивухина-

Пикуса, с другой определить границы применимости макро- и микроскопических подходов к анализу поляризационно-оптических свойств неоднородных поверхностных слоев элементов оптоэлектроники.

2. Получено уравнение эллипсометрии для шероховатой поверхности неоднородной подложки, на основании которого разработан метод определения параметров шероховатости при наличии на поверхности оптических элементов неоднородного поверхностного слоя. Сопоставление результатов измерения параметров шероховатой поверхности оптических элементов методом эллипсометрии с данными полученными методами профилометрии и спекл-интерферометрии показало, что метод эллипсометрии позволяет определять среднеквадратическую высоту микрорельефа а=5+120А с погрешностью 50<2~5А при значениях среднеквадратического шага микрорельефа 8У=0,02~2 мкм.

3. В рамках широкого круга моделей отражающих систем установлено, что тип поляризации отраженного светового пучка и величина отклонения угла поляризации относительно угла Брюстера определяется структурой неоднородной отражающей системы. Это позволяет в рамках метода эллипсометрии различать эффекты в изменении состояния поляризации отраженного светового пучка вызванные наличием на поверхности оптических элементов шероховатых, поглощающих и неоднородных слоев с различным видом оптического профиля.

4. Разработан метод определения потерь излучения в поверхностном слое оптических элементов и показателя ослабления излучения в стеклах, основанный на сопоставительном анализе экспериментальных данных полученных методами спектрофотометрии и эллипсометрии. Показано, что предварительное ионно—плазменное распыление нарушенного слоя полированного кварцевого стекла ионами Аг+ позволяет при последующей ионной и термической обработки уменьшить дефектность кремнекислородной структуры ПС кварцевого стекла и , тем самым, уменьшить потери оптического излучения в ВУФ области спектра на внутрирезонаторных элементов ионных лазеров.

5. Показано, что при ионно-плазменном распылении кварцевого стекла происходит образование дискретной и континуальной неоднородности в модифицированой ионами Аг+ структуре поверхностного слоя, описание оптических свойств которых должно проводится в рамках макро- и микроскопического подходов к анализу физико-химического состояния поверхности элементов оптоэлектроники.

6. В результате распыления пучком ионов Аг+ поверхностного слоя кристаллического кварца в приповерхностной области толщиной до 10-15 нм образуется аморфизированный слой по своим оптическим свойствам близким к структуре стеклообразного диоксида кремния, что приводит к напряженно-деформированому состоянию кристаллической решетки кварца и увеличению анизотропии в поверхностном слое на глубине до 0,05-0,1 мкм.

7. Методами эллипсометрии, рентгеновской фотоэлектронной и оптической ИК спектроскопии показано, что выщелачивание поверхностного

слоя при ионно-плазменной и электронно-лучевой обработке натриевосиликатного стекла сопровождается сегрегацией

высокопреломляющих компонентов в глубине поверхностного слоя. При этом образуется двухслойная структура поверхностного слоя: в приповерхностной области образуются структура близкая к структуре кремнекислородного каркаса стекла с показателем преломления меньше показателя преломления стекла пс<п0„ в глубине ПС модификаторы стекла могут образовывать структуры с показателем преломления п,>п0.

ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Новиков A.A., Леонов С.А., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А. Анализ технологических особенностей изготовления и контроля микроканальных пластин для электронно-оптических преобразователей излучения // Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО: Оптические приборы, системы и технологии/Гл. ред. В.Н. Васильев. СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2002. вып.5. С. 164-167

2. Новиков A.A., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А. Оптические свойства шероховатой поверхности элементов оптоэлектроники // Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО: Теория и практика современных технологий /Гл. ред. В.Н.Васильев, СПб: СПбГИТМО (ТУ), 2004. вып. 15 С. 73-80.

3. Новиков A.A. Анализ точных и приближенных методов решения обратной задачи эллипсометрии для неоднородного поверхностного слоя // Сборник трудов III межвузовской конференции молодых ученых. СПб ГУ ИТМО, 2006 (в печати)

4 Новиков A.A. Исследование состояния поверхности элементов оптоэлектроники при ионно-плазменной и ионно-химической обработке // Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика»: «Оптические материалы и технологии», СПб, 2004, Т.2, С. 183

5. Гарин П.Л., Лисицын Ю.В., Новиков A.A., Трухин М.М., Храмцовский И.А. Определение обобщенного показателя качества соединений деталей методом эллипсометрии // Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика»: Оптические материалы и технологии, СПб, 2004. Т.2. С.156.

6. Землянский В.С, Новиков А.А, Степанчук A.A., Храмцовский И.А. Критерии качества оптических элементов ионных и эксимерных лазеров выполненных из кристаллического и плавленого кварца // Сборник трудов VII Международной конференции «Прикладная оптика - 2006»: Оптические материалы и технологии. 2006. СПб. Т.2. С. 55.

7. Горляк А.Н., Новиков A.A., Храмцовский И.А Диагностика состояния поверхности оптоэлектроники модифицированных ионными и электронными пучками // Сборник трудов VII Международной конференции «Прикладная оптика -2006»: Оптические материалы и технологии. 2006. СПб.Т.2. С. 56

8. Землянский В.С,.Новиков А.А, Степанчук A.A., Храмцовский И.А. Поляризациоино-оитические методы контроля физико-химического состояния поверхности элементов в оптических соединениях деталей // Сборник трудов VII Международной конференции «Прикладная оптика -2006»: Компьютерные технологии в оптики. 2006. СПб. Т.З. С.248

9. Землянский B.C., А.А.Новиков; И.А. Храмцовский, A.A. Степанчук Особенности физико-математического моделирования структуры неоднородных поверхностных слоев элементов оптоэлектроники // Межвуз. Сб: Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий. 2007. вып.14. С.207-216

10. Горляк А.Н., Новиков A.A., Степанчук A.A., Храмцовский И.А Спектроскопический и эллипсометрический методы аттестации потоков оптического излучения в поверхностном слое и материале элементов ионных и эксимерных лазеров // Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО: Современные технологии, 2007. вып 43. С. 88-96.

11. Новиков A.A., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А Определение потерь излучения на оптических элементах методами эллипсометрии и спектрофотометрии // Приборостроение. Изв.ВУЗОВ, 2007. Т.50 . №3. С. 62-68

12. Гарин П.Л.,.Новиков А.А, Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А Исследование оптических свойств поверхностных слоев в процессе стационарного и нестационарного выщелачивания силикатных стекол // Приборостроение. Изв. ВУЗОВ. 2007. Т.50. №7. С.23-30.

13. Новиков A.A., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А Оптические свойства поверхностных слоев силикатных стекол при ионной и электроннолучевой обработки // Приборостроение. Изв.ВУЗОВ, 2007. Т.50. №8. С.54-60.

Подписано в печать 13.10.2008 Формат 60x84 1/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Усл. печ. л. 1,6. Тираж 100 экз. Заказ № 930.

Отпечатано в ООО «Издательство "JIEMA"»

199004, Россия, Санкт-Петербург, В.О., Средний пр., д.24, тел./факс: 323-67-74 e-mail: izd_lerna@mail.ru

ВВЕДЕНИЕ

СОДЕРЖАНИЕ

ГЛАВА I. АППАРАТУРА И МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ ОСНОВНЫХ ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ В

ЭЛЛИПСОМЕТРИИ ОТРАЖАЮЩИХ СИСТЕМ

1.1. Методы компенсационной (нулевой) эллипсометрии

1.2. Методы переключения состояния поляризации светового пучка

1.3. Методы азимутальной и фазовой модуляции поляризованного светового пучка

1.4. Методы многоугловой и иммерсионной эллипсометрии . 47 Выводы

ГЛАВА II. ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА НЕОДНОРОДНЫХ АНИЗОТРОПНЫХ СЛОЕВ И ШЕРОХОВАТЫХ ПОВЕРХНОСТЕЙ

2.1 Определение оптических характеристик неоднородных и анизотропных отражающих систем

2.1.1 Показатель преломления неоднородного поверхностного

2.1.2 Эффективная диэлектрическая проницаемость и толщина поверхностного слоя

2.2 Поляризационно-оптические свойства неоднородных и анизотропных поверхностных слоев

2.2.1 Обобщенное уравнение эллипсометрии в приближении теории Друде-Борна для неоднородных анизотропных слоев

2.2.2 Анализ области применимости точных и приближенных теорий отражения поляризованного света от неоднородных слоев

2.2.3 Основные закономерности изменения состояния поляризации светового пучка отраженного от неоднородного слоя . .92 2.3 Поляризационно-оптические свойства шероховатой поверхности диэлектриков и полупроводников

Выводы

ГЛАВА III. МЕТОДЫ ЭЛЛИПСОМЕТРИЧЕСКОГО КОНТРОЛЯОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ ЭЛЕМЕНТОВ ЛАЗЕРНОЙ ТЕХНИКИ

3.1 Влияние неоднородности физико-химической структуры кварцевого стекла на потери излучения в УФ области спектра

3.2 Методы эллипсометрического анализа неоднородных поверхностных слоев элементов лазерной техники

3.3 Определение потерь излучения в оптических элементах методами эллипсометрии и спектрофотометрии

Выводы

ГЛАВА IV. ПОЛЯРИЗАЦИОННО-ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОВЕРХНОСТНЫХ СЛОЕВ СИЛИКАТНЫХ СТЕКОЛ И КРИСТАЛЛОВ ПРИ ИОННОЙ И ЭЛЕКТРОННО-ЛУЧЕВОЙ

ОБРАБОТКЕ

4.1 Поляризационно-оптические свойства поверхностного слоя при ионно-плазменной и ионно-химической модификации структуры кристаллического и плавленого кварца

4.2 Поляризационно-оптические свойства поверхностного слоя при модификации структуры многокомпонентных силикатных стекол ионными и электронными пучками

Выводы

В настоящее время для создания новых прогрессивных технологий изготовления элементов лазерной техники и оптоэлектроники необходимо не только детальное изучение физико-химических процессов, приводящих при различных внешних воздействиях (механических, химических, тепловых, радиационных и т.п.) к образованию модифицированной структуры поверхностного слоя (ПС) детали, выполненной из силикатного стекла и кристалла, но также требуется разработка прецизионных методов контроля оптических характеристик элементов оптоэлектроники на всех этапах технологического цикла изготовления оптико-электронных узлов из этих элементов.

Несмотря на то, что распыление материалов с использованием низкотемпературной газоразрядной плазмы инертных и химически активных газов применяется в производстве элементов оптоэлектроники не один десяток лет, до сих пор еще в недостаточной мере изучены физико-химические механизмы, лежащие в основе формирования модифицированной структуры ПС оптических элементов. Это связано в первую очередь с тем, что при экспериментально-теоретических исследованиях кинетики физико-химических процессов, протекающих при ионно-плазменной, ионно-химической и электронно-лучевой обработки поверхности стекол и кристаллов, как правило, используют такие понятия как "сколы" или "разломы" материалов. В то же время, при механической обработке оптических деталей на поверхности уже образуются неоднородные слои, а сама поверхность не является геометрически плоской границей раздела сред. Применение упрощенных моделей для описания физико-химических свойств поверхности элементов оптоэлектроники со структурой ПС модифицированной пучками ионов и электронов в значительной степени препятствует объективной оценке качества изготовления этих элементов.

Для формирования научных представлений о природе и физико-химических механизмах, приводящих к образованию на оптических элементах неоднородных и анизотропных ПС с измененной структурой и микрогеометрией поверхности детали при облучении ионными или электронными пучками, необходимо не только выяснить основные закономерности изменения состава, структуры и оптических свойств ПС на различных этапах получения элементов оптоэлектроники с заданными физико-техническими характеристиками, но также установить истинные корреляционные связи между оптическими свойствами ПС и технологическими параметрами процесса изготовления детали.

Для достаточно обоснованного прогноза в изменении оптических свойств поверхности детали при различных внешних воздействиях необходимо знать оптический профиль слоя - его вид и градиентные характеристики, а также определять геометрические параметры шероховатой поверхности и микроскопические характеристики энергетического микрорельефа поверхности.

Поэтому первоочередной задачей оптимизации технологических режимов ионно-плазменной, ионно-химической и электронно-лучевой обработки оптических деталей является разработка поляризационно-оптических и спектроскопических методов технологического контроля физико-химического состояния поверхности детали, учитывающих неоднородное строение ПС и изменение микрорельефа поверхности оптического элемента.

Цель настоящей работы состояла в усовершенствовании известных и разработке новых поляризационно-оптических методов контроля физико-химических свойств поверхностных слоев элементов оптоэлектроники в процессе модификации структуры силикатных стекол и кристаллов ионными и электронными пучками.

Для достижения указанной цели в работе решались следующие основные задачи:

- разработка методов физико-математического моделирования структуры неоднородных поверхностных слоев в рамках феноменологического подхода к описанию их макро- и микроскопических характеристик;

- разработка методик эллипсометрического и спектроскопического анализа поляризационно-оптических свойств неоднородных и анизотропных поверхностных слоев и шероховатой поверхности неоднородной подложки;

- изучение основных закономерностей изменения поляризационно-оптических свойств и физико-химических механизмов формирования неоднородной структуры поверхностного слоя при ионной, ионно-химической и электронно-лучевой обработке силикатных стекол и кристаллов;

- разработка, на основе полученных экспериментальных данных, оптимальных технологических режимов ионного и электронно-лучевого облучения поверхности оптических элементов для лазерной техники с минимальными потерями излучения в УФ области спектра.

Научная новизна работы состоит в том, что

- обобщены теоретические рассмотрения задачи отражения поляризованного света от неоднородных отражающих систем при макро- и микроскопическом описании их поляризационно-оптических свойств в приближении теорий отражения поляризованного света Друде-Борна и Сивухина-Пикуса;

- получены уравнения эллипсометрии для осесимметричных неоднородных анизотропных отражающих систем и шероховатой поверхности неоднородной подложки в приближении теорий отражения поляризованного света Рэлея-Райса и Друде-Борна;

- изучены основные закономерности изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от неоднородных слоев и шероховатых поверхностей диэлектриков и полупроводников, на основе которых развиты методы физико-математического моделирования неоднородных отражающих систем;

- в рамках макро- и микроскопических параметров поверхностных слоев изучены поляризационно-оптические свойства и физико-химические механизмы формирования дискретной и континуальной неоднородности структуры ПС элементов оптоэлектроники в процессе различных внешних воздействий на поверхность детали ионными и электронными пучками излучения;

- методами эллипсометрии, ВУФ и ИК спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной и Ожс-спектрометрии проведено исследование корреляционных связей между оптическими и физико-химическими характеристиками неоднородных поверхностных слоев силикатных стекол, образующихся при механической, ионной и электронно-лучевой обработке элементов оптоэлектроники и лазерной техники;

- изучены физико-химические механизмы и кинетика формирования выщелоченного слоя и сегрегации щелочных компонентов в глубине поверхностного слоя неоднородной структуры поверхностного слоя при ионной, ионно-химической и электронно-лучевой обработки поверхности элементов оптоэлектроники, выполненных из натриевосиликатного стекла.

Научные положения и результаты, выносимые на защиту:

1. Метод решения задачи отражения поляризованного света от анизотропных осесимметричных многослойных оптических систем, основанный на применении теории возмущений к рекуррентным соотношениям Абеле, позволяет получить аналитическое уравнение эллипсометрии для определения оптических характеристик неоднородных анизотропных поверхностных слоев элементов оптоэлектроники, выполненных из силикатных стекол и кристаллов.

2. Метод эллипсометрического анализа поляризационно-оптических характеристик отражающих систем, основанный на физико-математическом моделировании неоднородной структуры поверхностного слоя, позволяет определять оптимальные условия эксперимента, при которых можно сравнивать различные по своему физическому содержанию математические модели структуры поверхностного слоя неоднородного слоя при наименьшей вероятности ошибки в оценки их адекватности объекту исследования.

3. Метод эллипсометрических измерений оптических характеристик элементов оптоэлектроники, основанный на физико-математическом моделировании неоднородной структуры исследуемой отражающей системы с учетом пороговой чувствительности прибора, позволяет проводить высокоточные измерения параметров оптических систем при экспериментальных условиях, когда наилучшим образом обеспечиваются метрологические возможности используемой спектроэллипсометрической аппаратуры.

4. Метод аттестации потерь оптического излучения в элементах лазерной техники, при совместном использовании эллипсометрической и спектрометрической аппаратуры, позволяет по поляризационно-оптическим параметрам шероховатой поверхности неоднородной подложки, различать потери оптического излучения в поверхностном слое внутрирезонаторных элементов ионных лазеров и определить коэффициент ослабления излучения в материале оптической детали с погрешностью 8ц<0,02%.

5. При ионно-плазменной, ионно-химической и электронно-лучевой обработке поверхности натриевосиликатных стекол установлена общая закономерность изменения оптических свойств по глубине поверхностного слоя, заключающаяся в образовании в приповерхностной области выщелаченного слоя с показателем преломления меньше объемного значения и формировании в глубине поверхностного слоя области с показателем преломления больше объемного значения.

6. Двухстадийное ионно-плазменное распыление поверхностного слоя полированного кварцевого стекла низкоэнергетическими пучками ионов Аг+ с последующем низкотемпературной обработке, позволяет уменьшить потери оптического излучения в ВУФ области спектра на внутрирезонаторных элементах ионных лазеров до 10—20%. в области спектра излучения ^-145-163 нм.

Практическая значимость работы состоит в том, что

- разработанные методы эллипсометрического контроля оптических характеристик неоднородных отражающих систем и шероховатых слоев являются достаточно универсальными и были использованы при решении широкого круга научных и технологических задач на ряде производств элементов лазерной техники и оптоэлектроники;

- установленные корреляционные связи между оптическими параметрами поверхностного слоя и технологическими режимами ионно-плазменной и иои-нохимической обработкой элементов лазерной техники, выполненных из кристаллического и плавленого кварца, позволили разработать критерии качества внутрирезонаторных элементов для ионных и эксимерных лазеров с минимальными потерями излучения в ВУФ и УФ области спектра;

Полученные результаты научно-исследовательской работы были использованы для технологического контроля кинетики физико-химических процессов формирования неоднородных структур поверхностных слоев элементов оптоэлектроники на предприятиях ООО «Кварцевое стекло», ФГУП НИТИОМ ВИД ГОИ им. С.И.Вавилова. Технические акты внедрения результатов научно-технических достижений настоящей работы представлены в приложении.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI Международной конференции "Прикладная оптика" (г. Санкт-Петербург, 2004 г.), на VII Международной конференции "Прикладная оптика", проводимой в рамках Международного конгресса "ОПТИКА XXI век" (г. Санкт-Петербург, 2006 г.), на III Межвузовской конференции молодых ученых (г. Санкт-Петербург, 2005 г.), на XXXII, XXXIII и XXXIV научно-технических конференциях ППС СПбГУИТМО (г. Санкт-Петербург, 2003, 2004, 2006 г.).

Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах, в том числе 2 научных статьях в научно-техническом вестнике СПб ГУ ИТМО, входившего в перечень 2001-2005 г.г. ВАК для ведущих рецензируемых научных изданий для докторских диссертаций, а также 3 научных статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.).

Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения, приложения, списка литературы, включающего 242 наименования, содержит 182 страницы основного текста, включая 56 рисунков и 13 таблиц.

Выводы

Проведенные эллипсометричеекие и спектрометрические исследования физико-химической структуры поверхностных слоев многокомпонентного натриевосиликатного стекла, кристаллического и плавленого кварца, модифицированных ионными и электронными пучками различной энергии позволяют сделать следующие выводы.

1. Установлено, что при ионно-плазменном распылении пучком ионов Аг+ кристаллического кварца образуется неоднородный анизотропный поверхностный слой с физико-химическими свойствами характерной для двухслойной структуры кремнекислородных соединений. В приповерхностной области ПС толщиной до 10-15 нм образуется аморфизированный слой по своим оптическим свойствам близким к структуре стеклообразного диоксида кремния, что приводит к напряженно-деформированому состоянию кристаллической решетки кварца и увеличению анизотропии в поверхностном слое на глубине до 0,05-0,1 мкм.

2. Показано, что при ионно-плазменном распылении кварцевого стекла происходит образование дискретной и континуальной неоднородности в модифицированой ионами Аг+ структуре поверхностного слоя, описание оптических свойств которых должно проводится в рамках макро- и микроскопического подходов к анализу физико-химического состояния поверхности элементов оптоэлектроники. Предварительное ионно-плазменное распыление нарушенного слоя полированного кварцевого стекла ионами Аг+ позволяет при последующей ионной и термической обработки уменьшить дефектность кремнекислородной структуры ПС кварцевого стекла и, тем самым, уменьшить потери оптического излучения в ВУФ области спектра на внутрирезонаторных элементов ионных лазеров.

3. На основе разработанной методики эллипсометрического контроля параметров шероховатой поверхности неоднородной подложки показано, что в процессе ионно-химического распыления поверхностного слоя кварцевого стекла в плазме четырехфтористого углерода имеется принципиальная возможность получения элементов лазерной техники с малой среднеквадратической высотой микрорельефа поверхности и оптическими свойствами поверхностного слоя близкими к свойствам материала однородной подложки, минуя стадию предварительного ионно-плазменного распыления нарушенного слоя полированой детали.

4. Методами эллипсометрии, рентгеновской фотоэлектронной и оптической ИК спектроскопии показано, что выщелачивание поверхностного слоя при ионно-плазменной и электронно-лучевой обработке натриевосиликатного сте-кла сопровождается сегрегацией высокопрел омляющих компонентов в глубине поверхностного слоя. При этом образуется двухслойная структура поверхностного слоя: в приповерхностной области образуются структура близкая к структуре кремпекислородного каркаса стекла, в глубине ПС модификаторы стекла могут образовывать структуры близкие к мета- или ортосиликатов щелочных металлов. Приповерхностная область слоя имеет показатель преломления меньше показателя преломления стекла пс<п0, в глубине поверхностного слоя показатель преломления больше показателя преломления объемного значения пс>п0.

5. Показано, что эффективные значения параметров оптического соединения элементов оптоэлектроники - показателя преломления п*0к и толщина &*ок - дают информацию не только о зоне оптического контакта, о толщиной с15ОЛ~30-60 А и показателем преломления пок ~ 1,40-1,43, но и характеризуют оптические свойства сильно градиентной области поверхностных слоев ПС элементов, прилегающей к области непосредственного оптического контакта деталей. Эти характеристики можно использовать в качестве количественной оценки "обобщенного критерия качества" оптических соединений элементов оптоэлектроники, поскольку их значения определяют характеристики оптического соединения в целом, т.е. с учетом физико-химических и оптических свойств ПС элементов, находящихся в оптическом контакте. Для получения в приповерхностной области элементов оптоэлсктроники ультра микропористой структуру кремнезема силикатного стекла целесообразно использовать ионпо-химическое травление элементов в плазме хладоиа.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

На основании проведенных в диссертационной работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработан метод решения задачи отражения поляризованного света от неоднородных анизотропных слоев, основанный на применении теории метода возмущений к соотношениям Абеле для многослойной осесимметричной анизотропной оптической системы. Метод позволил с одной стороны получить в аналитическом виде уравнение эллипсометрии для неоднородных и анизотропных поверхностных слоев в приближении Друде-Борна и Сивухина-Пикуса, с другой определить границы применимости макро- и микроскопических подходов к анализу поляризационно-оптических свойств неоднородных поверхностных слоев элементов оптоэлектроники.

2. Получено уравнение эллипсометрии для шероховатой поверхности неоднородной подложки, на основании которого разработан метод определения параметров шероховатости при наличии на поверхности оптических элементов неоднородного поверхностного слоя. Сопоставление результатов измерения параметров шероховатой поверхности оптических элементов методом эллипсометрии с данными полученными методами профилометрии и спекл-интерферометрии показало, что метод эллипсометрии позволяет определять среднеквадратическую высоту микрорельефа а=5-И20А с погрешностью 8СТ<2-^5А при значениях среднеквадратического шага микрорельефа 8У=0,02-^-2 мкм.

3. В рамках широкого круга моделей отражающих систем установлено, что тип поляризации отраженного светового пучка и величина отклонения угла поляризации относительно угла Брюстера определяется структурой неоднородной отражающей системы. Это позволяет в рамках метода эллипсометрии различать эффекты в изменении состояния поляризации отраженного светового пучка вызванные наличием на поверхности оптических элементов шероховатых, поглощающих и неоднородных слоев с различным видом оптического профиля.

4. Разработан метод определения потерь излучения в поверхностном слое оптических элементов и показателя ослабления излучения в стеклах, основанный на сопоставительном анализе экспериментальных данных полученных методами спектрофотометрии и эллипсометрии. Показано, что предварительное ионно-плазмеппое распыление нарушенного слоя полированного кварцевого стекла ионами Аг+ позволяет при последующей ионной и термической обработки уменьшить дефектность кремнекислородной структуры ПС кварцевого стек-ла и, тем самым, уменьшить потери оптического излучения в ВУФ области спектра на внутрирезонаторных элементов ионных лазеров.

5. Показано, что при ионно-плазменном распылении кварцевого стекла происходит образование дискретной и континуальной неоднородности в модифицированой ионами Аг+ структуре поверхностного слоя, описание оптических свойств которых должно проводится в рамках макро- и микроскопического подходов к анализу физико-химического состояния поверхности элементов оп-тоэлектроники.

6. В результате распыления пучком ионов Аг+ поверхностного слоя кристаллического кварца в приповерхностной области толщиной до 10-15 нм образуется аморфизированный слой по своим оптическим свойствам близким к структуре стеклообразного диоксида кремния, что приводит к напряженно-деформированому состоянию кристаллической решетки кварца и увеличению анизотропии в поверхностном слое на глубине до 0,05-0,1 мкм.

7. Методами эллипсометрии, рентгеновской фотоэлектронной и оптической ИК спектроскопии показано, что выщелачивание поверхностного слоя при ионно-плазменной и электронно-лучевой обработке натриевосиликатного сте-кла сопровождается сегрегацией высокопреломляющих компонентов в глубине поверхностного слоя. При этом образуется двухслойная структура поверхностного слоя: в приповерхностной области образуется структура близкая к структуре кремнекислородного каркаса стекла с показателем преломления меньше показателя преломления стекла пс<п0„ в глубине ПС модификаторы стекла могут образовывать структуры с показателем преломления пс>п0.

1. Бори M.,Вольф Э. Основы оптики, М., "Наука". 1970 . 650 с.

2. Azzam R.M.A. A perspective on ellipsometry // Surface Sei., 1976. v.56, p.6

3. Современные проблемы эллипсометрии // Под ред. А.В.Ржаиова, Новосибирск,"Наука". 1980 г., 192 с.

4. Эллипсометрия метод исследования поверхности //Под ред. A.B. Ржанова, Новосибирск, "Наука", 1983 . 180 с.

5. Эллипсометрия: теория, методы, приложение//Под ред. А.В.Ржанова и Л.А.Ильина, Новосибирск, "Наука", 1987 ., 192 с.

6. Эллипсометрия в науке и технике // Под ред. К.К.Свиташева и А.С.Мардежева, Новосибирск, ИФП СО АН СССР, 1987 . 205 с.

7. Эллипсометрия в науке и технике // Под ред. К.К.Свиташева и А.С.Мардежева, вып.2, Новосибирск, ИФП СО АН СССР, 1990г.,190 с.

8. Эллипсометрия: теория, методы, приложение// Под ред. К.К.Свиташева, Новосибирск, "Наука", 1991г., 200 с.

9. Пшеницын В.И., Абаев М.И., Лызлов Н.Ю. Эллипсометрия в физико-химических исследованиях, Л., 1986 г., 152 с.

10. Аззам Р.,БашараН. Эллипсометрия и поляризованный свет: Пер. с анг. // Под ред. А.В.Ржанова, М., "Мир", 1981 г., 583 с.

11. Основы эллипсометрии // Под ред.А.В.Ржанова, Новосибирск, "Наука", 1979 г., 424 с.

12. Горшков М.М. Эллипсометрия, М., "Сов.радио", 1974г., 200с.

13. Кизель В.А. Отражение света, М., "Наука", 1973 г., 351 с.

14. Лейкин М.В., Молочников Б.И., Морозов В.Н., Шакарян Э.С.Оража-тельная рефрактометрия,Л.,"Машиностроение", 1983 г.,223 с.

15. Федоров Ф.И., Филиппов В.В. Отражение и преломление света прозрачными кристаллами, Минск,"Наука и техника ",1976 г,224 с

16. Azzam R.M.A. Two detector ellipsometer // Rev.Sci.Instrum., 1985 -vol.56, №°9.-p.l746-1748

17. Azzam R.M.A. Binary polarization modulator // Optics Letters, 1988.- vol. 3, №9 p.701-703

18. Федоров Ф.И.Оптика анизотропных сред . Минск, Изд-во АН БССР,1958

19. Филиппов В.В.,Тронин А.Ю.,Константинов А.Ф. Эллипсометрия анизотропных сред // Физическая кристаллография, М.,1992, С.254-289

20. Holmes D. A., Feucht D. L. Formulas for using plates in ellipsometry // Opt. Soc. Amer., 1967,v.57. p.466^168.

21. Рыхлитский C.B., Свиташев K.K., Соколов B.K. , Хасанов T.X. О влиянии многократного отражения на работу фазовой пластинки// Опт. и спектр. , 1987. Т.63., вып.5, С. 1092-1094

22. Семененко А.И. К теории метода эллипсометрии // Опт. и спектр. ,1975. Т.39 С.587-592

23. Кизель В.А., Красилов Ю.И., Щамраев В.Ы. Ахроматическое приспособление «четверть волны»// Опт. и спектр. ,1964. №3 С.461-^163

24. King R.J., Downs M.J. Ellipsometry applied to films on dielectric subsrates // Surf.Sci.,1969,v.l6,p.288-302

25. Федорипип B.H. Исследование и разработка спектральных эллипсометров // Авт. реф. канд. дисс. Новосибирск: ИИГА и К, 1992. 23 с.

26. Шерклиф У. Поляризованный свет.М.: Мир, 1965. 264 с.

27. Алгазии Ю.Б. , Иощенко H.H. , Леоненко А.Ф. , Панькин В.Г. , Рыхлитский C.B. , Свиташев К.К. Лазерный фотоэлектрический эллипсометр ЛЭФ-ЗМ-1 // Приборы и техника эксперимента. 1987. №6 С.204

28. Пшеницып В.И., Храмцовский И.А. Новый подход к эллипсометрии реальной поверхности оптических материалов // В сб. «Эллипсометрия: теория, методы, приложение» / Под ред. А.В.Ржанова и Л.А. Ильина Новосибирск: «Наука», 1987. С.8-14

29. Пшеницын В.И., Храмцовский И.А. Методы эллипсометрического анализа неоднородных поверхностных слоев и шероховатых поверхностей // В сб. «Эллипсометрия: теория, методы, приложение» / Под ред. К.К.Свиташева -Новосибирск: «Наука», 1991, - С.20-33

30. Алексеев С.А., Колосов A.M., Пшеницын В.И., Храмцовский И.А. Определение глубины трещиноватого слоя полированной поверхности кварцевого стекла методом ИЕС-эллипсометрии // Стекло и керамика 1992,- №8. С.6-8

31. Аммас М.М.,Лисицын Ю.В.,ПодсекаевА.В.,ТуркбоевА., Храмцовский И.А Исследование поверхностных слоев фторсодержащих материалов// Вопросы материаловедения, 2000., №1 (21), с.58-63

32. Алексеев С.А.,Крылова H.A.,Миронов А.О.,Туркбоев А.,Храмцовский И.А Применение метода секционирования при контроле окисных покрытий на ферритах// Вопросы материаловедения, 2000., №1(21), с.63-65

33. Акользин П.Г, Колосов С.В, Голоднов Д.В., Туркбоев А., Храмцовский И.А Особенности измерения параметров шероховатой поверхности диэлектриков и полупроводниковых материалов // Вопросы материаловедения , -2000, №1(21),с.66-69

34. Дронь О.С. Развитие эллипсометрии// Научное приборостроение, 2002, т. 12, №4, С.57-62

35. Дмитриев А.Л. Эллипсометр с мгновенной визуализацией проекционной картины на экране ЭЛТ// Опт. и спектр., 1972 г., т.32, с.191-194

36. Hazerbroek H.F., Holscher A.A. Interferomelric ellipsometer // J.Phys.E., 1973,v.6, p.822-826

37. Прокопенко B.T., Трофимов В.А. Анализ поляризации излучения ОКГ методом интерфсрометрической эллипсомегрии // Труды ЛИТМО, 1975, с. 23-25

38. Витвииин Е.А., Иванпикова Г.Е., Игошип Ф.Ф. Интерферометр Майкельсона дальнего инфракрасного диапазона с шаговым приводом, работающий в режиме «на линии» с вычислительной машиной// Приборы и техника эксперимента, 1981, №3, С.186-188

39. Hart М. X-ray polarization phenomena // Philosophical magazine.B., 1978, 38,№1, Part 2,p.41-56

40. Конев В.А., Кулещов E.M., Пунько H.H. Радиоволновая эллипсометрия / Под ред. И.С.Ковалева.- М.: Наука и техника , 1985 С.104-107

41. Jasperson S.N., Schnafterly S.E. An improved method for high reflectivity ellepsometry// Rev.Sci.Instr., 1969,v.40,№6, p.761

42. Федоринин В.И., Соколов B.K. Критерий качества эллипсометрических схем // Опт. и спектр., 1991. т.70, вып 5. С.1169

43. Федоринин В.Н. Исследование и разработка спектральных эллипсометров // Авт. реф. канд. дисс. Новосибирск: ИИГА и К, 1992. 23 с.

44. A.c. 684409 (СССР). Способ определения критического угла полного внутреннего отражения света; Авт. изобрет. Пеньковский А. И., Исхаков Б. О., Жданов В. Н. Опубл. в Б. И., 1979, №33

45. Пеньковский А.И. Способ измерения показателей преломления поглощающих сред// ОМП 1982. №8 С.38^1

46. Маслов В. П.,Мельник Т. С. Вопросы исследования метода эллипсометрии для контроля качества оптических деталей // Обзор №4687, ЦНИИИ и ТЭИ . 1988.67 с.

47. Маслов В. П.,Одарич В. А. Эллипсометрические исследования механически полированных образцов некоторых оптических стекол //ОМП. 1983. №3. 1983. С.60-61

48. Маслов В. П., Мельник Т. С., Одарич В. А. Эллипсометрические исследо- вания поверхности поверхности кристаллического кварца после механической обработки // ОМП. 1985. №8. С.1-2

49. Владимирова Т. В., Горьбань Н. Я., Маслов В. П., Мельник Т. С., Одарич В.А. Исследование оптических свойств и строения поверхностного слоя ситалла //ОМП. 1979. №9.С.9-14.

50. Свиташева С.Н.,Свиташев К.К.,Семенов Е.Е.,Васильев А.Г. Изменение эллипсометрических параметров в зависимости от механической обработки поверхности //Поверхность.Физика,химия,механика. 1983.№12. С.64-71

51. Neuman К. Ellipsometrische Bestimmung von Oberflachenschichten auf polierten optischen Glasern // Opt.Acta. 1983 v.30, №7. S.967-980

52. Мансуров Г.М., Мамедов P.K., Сударушкин A.C., Сидорин В.К.,Сидорин K.K, Пшеницын В.И.,Золотарев В.М. Исследование природы полированной поверхности кварцевого стекла методами эллипсомет-рии и спектроскопии // Опт.и спектр. 1982/т.52, вып.5. С.852-857

53. Нечаева Н.А.,Журавлев Г.И.Лисицын Ю.В. Применение метода эллипсометрии для оптимизации процесса глубокого полирования стекол К108 и Ф101 // ОМП.1984.№9. С.61-62

54. Yokota Н., Sakata Н., Nishibori М., Kinosita К., Ellipsometrie study of polished glass surfaces // Surf.Scciens. 1969 .v. 16. P.265-267

55. Wright C.R.,Kao K.C. Spetrophotometrie studies of ultra low loss optikal glasses ,111. Ellipsometrie determination of Surface reflecta ces // J. of Physics. 1969 . s.2, v.2.P.579-583

56. Дагман Э.Е.,Семененко А.Л. Исследование неоднородных отражающих систем методом эллипсометрии.1 Апроксимация однородными слоями // Укр.физ.журнал. 1981. т.26. №5. С.820-826

57. Дагмаи Э.Е.,Семененко А.Л. Исследование неоднородных отражающих систем методом эллипсометрии. II Апроксимация линейными слоями // У кр.физ.журнал. 1981. т.26. №6. С.820-826

58. Scandonne F., Ballerini L. Theorie de la transmission et de la reflexion dans les systems de conches minces multiples //Nuovo Gemento. 1946. v.3.P.81-91

59. Abeles F. Recherches sur la propagation des ondes electromagnetignes sinuso-edales dans les milienx stratifies // Ann.Phys. 1950. v.5. P.596, 706

60. Розенберг Г.В.,Оптика тонкослойных покрытий, М.,Физматгиз,1958.

61. Минков И.М. Прохождение и отражение света плоскопараллельными анизотропными слоями //Опт. и спектр. 1974. т.37,вып.2. С.309-316

62. Веремей В.В.,Горбунова Т.А.,Минков И.М. Явное выражение для 4x4 матрицы интерференции кристаллического слоя // Опт.и спектр. 1975. т.38. С.390-391

63. Хэнерт М.,Раушенбах Б. Исследование поверхностных слоев силикатных стекол // Физика и химия стекла.-1988г.-т.9ДЧ6.-с.696-703

64. Веденский В.Д.,Коновалова О.П., Шаганов И.И. Оптическая неоднородность тонких диэлектрических слоев,получаемых методом вакуумного термического испарения // ОМП- 1987г.- N2.- с.55-59

65. Fukyo Н., Oura N., Kitajiama N., Kono H. The refrakctive index distribution normal to the polished surface of fused quartz measured by ellipsometry //J.Appl.Phys.-1979.- v.50,N5.-p.3653-3657

66. Azzam R.M.A. Direcf relation between Fresnels intface reflection ceefficients for the paralled and perpendicular polarizations // J.Opt.Soc.Am. 1979. v.69, №7. P.438^45

67. Azzam R.M.A. Mapping of Fresnels interfase reflectction coefficients between normal and oblique incidence: results for the paralled and perpendicular polarization at several angles of incidence // Appl.0pt.l980.v.l9, №19. P.3361-3369

68. Швец В. А. О возможности определения комплексных коэффициентов отражения методом эллипсометрии //Опт.и спектр. 1983. т.55, вып.З. С.558-561.

69. Мардежев А. С., Швец В. А. Определение параметров однослойной системы из иммерсионных эллипсометрических измерений // Поверхность. Физика, химия, механика1985. №7. С.56-61

70. Дагман Э. Е., Папысин В. Г., Свиташев К. К., Семеиенко А. И., Семенен-ко А. В., Шварц I-I.JT. Определение параметров поглощающих пленок с помощью метода эллппсометрии // Опт. и спектр. 1979.Т.46, вып.З. С.559-565

71. Holmes D.A. On the calculation thhin film refraktive index and thickness by ellipsometry//Appl.Optics. 1967. v.6, №1. P.168-170

72. Павлов П. В.,Хохлов А. Ф.Дурильчик Е. В.Доброхотов Э. В.,Попов Ю. С. Изменение свойств кремния и кварца при ионно-плазменпой обработке // Активируемые процессы технологии микроэлектроники, Таганрог, 1979. т. 15. С.57-71

73. Беграмбеков Л.Б. Взаимодействие ионов с оптическими материалами //В сб. "Ионизирующие излучения и лазерные материалы". М.: Энергоиздат. 1982.-С.91-100

74. Кирееев В.Ю.,Данилин Б.С.,Кузнецов В.И.,Плазмохимическое травление микроструктур, М.:,Радио и связь.1983.128с.

75. Первеев А.Ф.,Михайлов А.В.,Муранов Г.А.,Ильин В.В. Оптические свойства пленок ТЮ2, полученных высокочастотным реактивным распылением с напряжением смещения //ОМП. 1975. №3. С.43-45

76. Steinike Н., Muller B.,Richter-Mendan J.,Hennig Н.-р. Evidence of an Amorhous Layer on Mechanicall Treated Singll Grystall of Quartz // Kristall und Technik. 1979. v. 14, №7. p.37-38

77. Нечаева H.A., Журавлев Г.И., Лисицын Ю.В. Применение метода эллип-сометрии для оптимизации процесса глубокого полирования стекол К108 и Ф101 // ОМП.1984.№9.С.61-62

78. Yokota Н., Sakata Н., Nishibori М., Kinosita К., Ellipsometrie study of polished glass surfaces // Surf.Scci-ens. 1969v.l6.- p.265-267

79. Wright C.R., Kao K.C. Spetrophotometrie studies of ultra low loss optikal glasses ,111. Ellipsometrie determination of Surface reflecta ces // J. of Physics. 1969 s.2, v.2 .p.579-583.

80. Храмцовский И.А., Вощенко Т.К., Черезова Л.А., Пшеницын В.И., Апнов А.А. Изменение оптических свойств поверхностного слоя при ионно-плазменном распылении кварцевого стекла // Опт. и спектр. 1988. т.65, вып.1.С.141-145

81. Chiang K.S./Consfnection of refractive-indcx profiles of planar dialectrie waveguides from the distribution of effective index /J. of Lichtwave Technology. 1985. v.LT-3. №2.P.385-391

82. Парье О., Сычугов B.A., Тищенко А.В. О восстановлении профиля показателя преломления в диффузионных волповодах//Квантовая электропика. 1980. т.7, №9. С.2028-2031

83. Войтенков А.И.,Могилевич В.,Н. Об определении профиля показателя преломления маломодовых планарных волноводов //Квантовая электроника. 1983. т. 10. №10. С.2128-2130.

84. Войтенков А.И.,Редько В.П. Определение параметров одномодовых диффузионных волноводов//Квантовая электроника. 1983. т.7.№9. С.2001-2003.

85. Храмцовский И.А., Мишин А.В., Пшеницын В.И. Использование методов эллипсометрии и ВКБ для определения оптического профиля волноводных слоев//Письма в ЖТФ. 1987. вып. 13. С. 1230-1235.

86. Закис Ю. Р., Тале И. А. Основы метода кинетических частиц в описании процессов переноса в стеклах// Физика и химия стекла, 1982. т.8. №1. С. 3-10

87. Закис Ю.Р. Дефекты в стеклообразном состоянии вещества. Рига. 1984. 202 с.

88. Стеклообразное состояние, Труды VIII Всесоюзного совещания // Под ред. Е.А. Порай-Кошица, Л.:"Наука", 1988 г., 170 с.

89. Шутилов В.А., Абезгауз B.C. Структурные особенности и модели строения кварцевого стекла // Физика и химия стекла, 1985, т. 11, N 3, с.257-271

90. Elliot S.R. Non-diffraction structural probes // J.Non-Cryst.Slids, 1985, vol 76, № 1-3, P.86-128.

91. Калинин Ю.Е. Модельные представления структуры металлических стекол // Физика и химия стекла, 1983, т.9, № 2, с. 1292, с. 129-137

92. Храмцовский И.А., Пшеницын В.И. Влияние полирующего абразива на оптические характеристики поверхностного слоя // ОМП. 1987 ,№7. С 29-31

93. Пшеницын В.И., Холдаров Н.Х., Храмцовский И.А., Калинина М.А., Тихомирова Н.И. Изменение оптических характеристик поверхностного слоя стекла при полировании // ОМП 1987,№ °8 С.28-31

94. Мазурин О.В., Порай-Кошиц Е.А. О принципах разработки общей теории стеклообразного состояния // Физика и химия стекла, 1977, т.З, № 4, с1977, т.З, С.408-412.

95. Бальмаков М.Д. Квантовомеханическое обоснование применения метода оптимальных полиномов для расчета свойств стекол // Физика и химия стекла, 1981, т.7, № 5, С.535-543.

96. Бальмаков М.Д., Борисова З.У. Метод описания соотношения структуры и свойств неупорядоченных систем //Физика и химия стекла, 1976. т.2. № 3. С.234-238.

97. Бальмаков М.Д. Метод оптимальных полиномов для расчета свойств сложных стекол // Физика и химия стекла, 1977, т.З, N 3, с.255-261.

98. Бальмаков М.Д. Структурные единицы Мюллера в методах расчета свойств стекол по составу // Физика и химия стекла, 1980. т.6. №2 с. 136-142.

99. Якхинд А.К. Расчет оптических постоянных с взаимным замещением компонентов // Физика и химия стекла,1987, т.13,№ 6, с.886- 893.

100. Якхинд А.К. Расчет оптических постоянных тройных и многокомпонентных стекол по данным для стекол бинарных и псевдобинарных систем // Физика и химия стекла, 1988, т. 14, № 5, с.723- 728.

101. Сторижко В.Е. Ядерный микроанализ // Вопросы атомной науки и техники, сер. Общая и ядерная физика. 1987. вып.1 (37). с.3-11. .

102. Петровский Г.Т., Тер-Нерсесянц В.Е. Ядерно-физические методы анализа приповерхностных слоев стекла // Физика и химия стекла. 1988 . т. 14, №5. с.641-664.

103. Черепин В.Т., Васильев М.А. Методы и приборы для анализа поверхности материалов, Киев, 1982, 400 с.

104. Ю.Чернов И.П. Методы ядерного анализа поверхности твердого тела. В кн.: Прикладная ядерная спектроскопия, вып. 10,JL, 1981, с.111-129

105. Милованов А.П., Моисеев В.В., Портягин В.И. Современнве методы анализа поверхности при изучении стекла // Физика и химия стекла, 1985, т.11, N 1, С.3-23.

106. Böttcher c.J.F. Theory of electric polarization. Amsterdam:Elsevier Co., 1952,312 p.

107. Кузьмин B.JI. Об оптических явлениях в анизотропных средах // Опт. и спектр., 1976, т.41, сС.850-854.

108. Кузьмин В.Л., Михайлов A.B. Молекулярная теория отражения света и границы применимости макроскопического подхода //Опт. и спектр., 1981, т.51, С.691-695.

109. Кузьмин В.Л. Многократное рассеяние в задаче распростронения света в среде // Опт. и спектр., 1976, т.40, С.552-557

110. Антонов В.А., Пшеницын В.И. Эффективная диэлектрическая проницаемость гетерогенной системы // Опт. и спектр., 1981,т.50,вып.2, с.362-370.

111. Доценко A.B., Ефремов A.M., Кучинский С.А. Оценка предельных значений коэффициента отражения и оптической плотности металлодиэлектрических поглощающих слоев // ОМП, 1988, №2, с. 16-19

112. Федорова Л.В.,Молчанов B.C.,Макарова Т.М.,Тихонова З.И.,Немилов C.B. Кинетика начальных стадий выщелачивания свинцовосиликатных стекол кислыми растворами // Физика и химия стекла, 1983, т.9, №6, С.725-729.

113. Бесцветное оптическое стекло СССР, каталог /Под ред.чл.-корр. Г.Т. Петровского, М., 1990 г.,130 с.

114. Антонов В.А.,Пшепицын В.И.,Храмцовский И.А. Уравнение эллип-еометрии для неоднородных и анизотропных поверхностных слоев в приближении Друде-Борпа // Опт. и спектр 1987.Т.62, вып.4. С.828-831

115. Храмцовский И.А.,Пшеницын В.И.Каданер Г.И.,Кислов A.B. Учет оптических характеристик поверхностного слоя при определении коэффициентов отражения и пропускания прозрачных диэлектриков// ЖПС. 1987. т.46, №2. С.272-279.

116. Пшепицын В.И.,Храмцовский И.А. Новый подход к эллипсометрии реальной поверхности оптических материалов // В сб. " Эллипсометрия: теория, методы, приложение" / Под ред.А.В.Ржанова и Л.А.Ильина. Новосибирск: "Наука". 1987. С.8-14.

117. Сивухин Д.В. Феноменологическая теория переходного слоя // ЖЭТФ 1943. Т.13. С.361-370

118. Сивухин Д.В. Молекулярная теория отражения и преломления света // ЖЭТФ. 1948. Т.18. С.754-750

119. Пикус Г.Е. О влиянии поверхностных состояний электронов на оптические свойства полупроводника и диэлектрика // ЖЭТФ. 1952. Т.22, вып.З, С.331- 338

120. Пшеницын В.И., Антонов В.А., Зорин З.М. К теории отражения света от тонкого проводящего слоя // Опт. и спектр. 1979 т.46., вып.2. С.310-316

121. Щуп Т.,Решение инженерных задач на ЭВМ, М.:Мир .1982,

122. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов М.: "Наука" 1986. 544 с.

123. Леонова Т.В. Исследование эллипсометрическим методом оптических характеристик поверхностей стекол после механической и химической обработки //Авт. ферат канд. диссерт., ГОИ,Л.,1990.

124. Минков И.М., Веремей В.В., Горбунова Т.А., Наклонное падение света на слой с экспоненциально изменяющимся показателем преломления // Опт. и спектр. 1977. т.43, вып.1, С.136-145.

125. Пшеницын В.И., Антонов В.А., Абаев М.И. Применение точных и приближенных решений уравнений Максвелла в эллипсометрии неоднородных слоев //Опт. и спектр.-1988г.-т.65,вып.З.- с.621-627

126. Бреховских Л. М., Волны в слоистых средах, М.:изд. АН СССР. 1957502с.

127. ДрудеП., Оптика, ОНТИ, 1935.

128. Тимофеева Н.Ф. Исследование оптических поверхностных слоев стекла //ЖЭТФ. 1936. т.6,№1. С.71-92

129. Мансуров Г.М.,Розанов H.H.,Золотарев В.М.,Сутовский С.М. Определение оптических характеристик материалов в объеме и поверхностном слое по спектрам внутреннего отражения // Опт.и спектр. 1982. т.53, вып.2. С.301-306.

130. Channet J.С., de Gennes P.G. Ellipsometrie formulas for an inhomogeneons lager with arbirary refractive-index profile // J.Opt.Amer. v.73, №12. p. 1777-1784.

131. Channet J.C.,de Gennes P.G., Ellipsometrie formulas for an index profile of small ampllitude but arbitry shpe.//J.Phys.Collay. 1983. CIO.- p.27-30.

132. Kaiser J.H. Regularization in ellipsometry., Nearsurface depth profiles of the refractive-index // Appl.Phys.B.1988. V.B45, №1. p. 1-5

133. Новиков А.А. Анализ точных и приближенных методов решения обратной задачи эллипсометрии для неоднородного поверхностного слоя // Труды III межвузовской конференции молодых ученых. СПб ГУ ИТОМ, 2006 (в печати)

134. Strachan С. The reflectien of light at a surface со vered by a mono-molecular film//Proc.Cambridge Phil.Soc. 1933. v.29. p.l 16-130

135. Алексеев С. Е.,Прокопенко В. Т.,Яськов А. Д., Экспериментальная оптика полупроводников, С.-Пб: "Политехника", 1994,248с.

136. Храмцовский И. А., Вощенко Т. К., Черезова Л. А., Пшеницын В. И., Апинов А. А. Изменение оптических свойств поверхностного слоя при ионно-плазмениом распылении кварцевого стекла // Опт. и спектр. 1988. т.65, вып.1. С.141-145.

137. Антонов В.А., Пшеницын В.И. Отражение поляризованного света шероховатой поверхностью // Опт. и спектр. 1984. Т.56. вып.1. С. 146-154

138. Ohlidal I., Lukes F. Ellipsometrie parameters of sistems with rough Sonuda ries // Optika Acta.l972.v.l9, №10. p.817

139. Ohlidal I., Lukes F., Navratil K. The problem of surface roughness in ellipsometry and reflectromerty // J.Phys.(Franc.). 1977-V.38 №11. p.77-87

140. Vorburger T.V., Ludemz K.C. Ellipsometry of rough surfaces // Appl.Opt. 1980. v.19 . №4. p.591-593.

141. Новиков A.A., Прокопенко В.Т., Храмцовскнй H.A. Оптические свойства шероховатой поверхности элементов оптоэлектропики // Теория и практика современных технологий / Гл. ред. В.Н.Васильев, СПб:СПб ГУ ИТМО , 2004 г., вып.15, С. 73-80.

142. Новиков A.A., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А «Определение потерь излучения па оптических элементах методами эллипсометрии и спектрофотометрии //Приборостроепие.Изв.ВУЗОВ, 2007. Т50 . №3. С. 62-68

143. Акользин П.Г, Колосов С.В, Голоднов Д.В., Туркбоев А., Храмцовский И.А Особенности измерения параметров шероховатой поверхности диэлектриков и полупроводниковых материалов // Вопросы материаловедения, 2000. №1(21), С.66-69.

144. Храмцовский И.А., Пасяда A.B.Отражение поляризованного света от неоднородного анизотропного поверхностного слоя// Приборостроение. Изв. ВУЗОВ, 2007 , №12, С.40^16

145. Розенберг Г.В.,Оптика тонкослойных покрытий, М.,Физматгиз,1958.

146. Топорец A.C.,Оптика шероховатой поверхности, JI: Машиностроение, 1988.191 с.

147. Храмцовский И.А., Разумная M.J1. Применение трехзеркального резонатора в установке для измерения оптических потерь // ОМП. 1983. №5. С.38—41

148. Троицкий Ю.В. Одночастотная генерация в газовых лазерах, Новосибирск: "Наука", 1975, с.23

149. Хирд Т. Измерение лазерных параметров: Пер. с англ.// Под ред. Ф.С. Хайзулова, М.: "Мир", 1970.

150. Тейлор Б., Паркер В., Ландерберг Д. Фундаментальные константы и квантовая электродинамика-М.: Энергоиздат, 1972

151. Аникеев В.Г., Каменев П.В., Манько В.И., Рыхлитский С.Б., Сидорова Л.С.// Эллипсометры. Методика поверки. МИ 1811-87, Новосибирск: СНИ-ИМ, 1987.

152. Шестаков И.П., Шешуков А.П., Фроленко В.А., Гон B.C. Интерференционный профилограф // Препринт № 367Ф, ИФ СО АН СССР, Красноярск, 1986.

153. Шестаков И.П.,Шешуков А.П., Исследование точности измерения интерференционного профилографа // Труды VI Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение". М. 1986. С.252.

154. Лызлов Н.Ю., Пшеницын В.И. Электрохимический эталон для эллипсометрии // Электрохимия- 1984. т.20, №8. С. 1139-1140.

155. Candela G.A, Chandler-Horowitz D.,Novotny D.B.,Vorburger T.V. Film thickness and refractive index Standart Reference Material calibrated by ellipsometry and profilometry // Proc.SPIE. Int. Soc. Opt. Eng,- 1986. v.661. p.402-407

156. A.И.Потапова, СПб: СЗТУ. 2007 , вып.14. с.184-193.

157. Горляк А.Н.,Новиков А.А.,И.А.Храмцовский Диагностика состояния поверхности оптоэлсктропики модифицированных ионными и электронными пучками// Труды VII Международной конференции «Прикладная оптика -2006», том 2/ Оптические материалы и технологии. С. 56

158. JIeico Е.К. Вязкость кварцевых стекол // Физика и химия стекла, 1979, т.5, № 3, С.258-278

159. Амосов А.В., Малышкип С.Ф. Роль дефектов типа «кислородная вакансия» в образовании радиационных центров окраски в кварцевых стеклах // Физика и химия стекла, 1984, т. 10, № 3, С.305-310

160. Амосов А.В. Новая концепция механизма образования радиационных парамагнитных центров окраски в кварцевых стеклах // Физика и химия стекла, 1983, т.9. № 5, С.569-583

161. Бокий Г.Б. Кристаллохимия. М., 1971, 400 с.

162. Vukcevich M.R. A new interpretation of the anomalous properties of vitreous silica// J. Non-Crystalline Solids, 1972, v.l 1, № 1, p.25-63.

163. Халилов B.X. Дефекты типа «обрыва связи» в кварцевом стекле // Физика и химия стекла, 1983, т.9, №2, С. 195-206

164. Бреховских С.М. Атомарно-ионная структура стекла // Стекло и керамика, 1964, т.21, №11, С. 1-6.

165. Айлер Р., Химия кремнезема. М., 1982, ч.2, 712 с.

166. Поль Р. В. Оптика и атомная физика. М.,1966. 552 с.

167. Елисеева И. И., Юзбашев М .М. Общая теория статистики, М:"Финансы и статистика". 2004. 655 с.

168. Мансуров Г.М., Мамедов Р.К., Сударушкин А.С., Сидорин

169. B.К.,Сидорин К.К, Пшеницын В.И.,Золотарев В.М. Исследование природы полированной поверхности кварцевого стекла методами эллипсометрии и спектроскопии // Опт. и спектр.1982.т.52, вып.5. С.852-857

170. Демидов И.В., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А., Фан Ли Шуан ,

171. Применение эллипсометрии в контроле оптических характеристикнеоднородных поверхностных слоев // Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий: Межвузов. Сб., вып.1 СПб : СЗГТУ, 2001г., С.3-10.

172. Новиков А.А., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А Оптические свойства поверхностных слоев силикатных стекол при ионной и электроннолучевой обработки // Приборостроение. Изв. ВУЗОВ, 2007, №8, т.50. С.54-60

173. Новиков А.А., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А Определение потерь излучения на оптических элементах методами эллипсометрии и спектрофотометрии // Приборостроение. Изв. ВУЗОВ, 2007 г, Т50 , №3., с. 62-68

174. Дагман Э.Е.,Панькин В.Г.,Свиташев К.К.,Семененко А.И.,Семененко А.В.,Шварц Н.Л. Определение параметров поглощающих пленок с помощью метода эллипсометрии // Опт. и спектр. 1979. т.46, вып.З. С.559-565

175. Павлов П.В., Хохлов А.Ф., Курильчик Е.В., Доброхотов Э.В., Попов Ю.С. Изменение свойств кремния и кварца при ионно-плазменной обработке //

176. Активируемые процессы технологии микроэлектроники, Таганрог, 1979. т. 15.-С.57-71.

177. Беграмбеков Л.Б. Взаимодействие ионов с оптическими материалами //В сб. "Ионизирующие излучения и лазерные материалы". М.: Эиергоиздат. 1982. С.91-100

178. Кирееев В.Ю., Данилин Б.С., Кузнецов В.И., Плазмохимическое травление микроструктур, М., Радио и связь, 1983.128 с.

179. Первеев А.Ф., Михайлов A.B., Муранов Г.А., Ильин В.В. Оптические свойства пленок ТЮ2, полученных высокочастотным реактивным распылением с напряжением смещения/ЮМП. 1975.№3 С.43—45

180. Смагин А.Г., Ярославский М.И. Пьезоэлектричество кварца и кварцевые резонаторы. М.,"Энергия",1970. 488 с.

181. Глюкман Л.И. Пьезоэлектрические кварцевые резонаторы. М.,"Радио и связь", 1981. 232 с.

182. Постановление МЭК-758-1 (протокол №1)

183. ОСТ 41-07-274-87 (ок. 57 2631), Кварц искусственный пьезоэлектрический (технические условия, введен 01.01.1988)

184. Новиков A.A. Исследование состояния поверхности элементов оптоэлектроники при ионно-плазменной и ионно-химической обработке /Сборник трудов VI Международной конференции «Прикладная оптика»: «Оптические материалы и технологии», СПб, 2004, т.2, С. 183

185. Куксенко С.Н., Новак Н.И., Пух В.П. Влияние нагрузки на спектры отражения кварцевого стекла //ЖПС. 1975. т.22,№6.С.1048-1051

186. Гарин П.Л., Новиков А.А, Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А Исследование оптических свойств поверхностных слоев в процессе стационарного и нестационарного выщелачивания силикатных стекол // Приборостроение. Изв. ВУЗОВ, 2007 , №7, с.23-30

187. Zachariasen W.H. The atomic in glass // J.Amer.Chem.,1932, v.54,N°10, p.3841-3851

188. Лысенков A.A. Исследование распределения катионов кальция и магния между силикатными и алюмосиликатными анионами//Физика и химия стекла, 1981, т.7, № 5, С.584-594.

189. Сиренек В.А., Комаров Е.В., Иоффе И.В. К теории выщелачивания стекла // Физика и химия стекла, 1984, т.10, №1, С.106-109

190. Авдеев С.П. Разработка электронно-лучевой технологии изготовления малошумящих микроканальных пластин // Авт.канд. дис., ТГРУ, г.Таганрог, 1997, 22 с.

191. Филипович В.Н. Теория электропроводности двущелочных силикатных стекол и полищелочной эффект// Физика и химия стекла, 1980, т.6, № 4, С.369-382

192. П.1 Оптические парамеры поляризующих элементов эллипсометра