автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Исследование оптических постоянных металлических покрытий

ВВЕДЕНИЕ

ГЛАВА 1. Исследование оптических постоянных металлов

1.1. Анализ оптических постоянных металлов приводимых в различных источниках

1.2. Анализ влияния технологических факторов на оптические характеристики тонких металлических пленок

1.2.1. Зависимость коэффициента отражения от чистоты алюминия

1.2.2. Скорость испарения и старение

1.2.3. Температура подложки.

1.2.4. Влияние неровностей поверхности

1.2.5. Влияние угла поступления паров

1.2.6. Адгезия металлов к подложкам

Выводы по главе

ГЛАВА 2. Определение оптических постоянных металлических слоев и расчет интерференционных систем содержащих слои металлов

2.1. Расчет оптических характеристик тонкопленочных систем содержащих слои металлов

2.2. Определение оптических постоянных металлических слоев

2.2.1. Измерения при нормальном падении света

2.2.2. Фотометрические и интерферометрические измерения

2.2.3. Эллипсометрические измерения

2.2.4. Методы, основанные на измерении только разности фаз поляризованных компонент, возникающей при отражении

2.2.5 Определение оптических постоянных во время осаждения слоя металла

Выводы по главе

ГЛАВА 3. Применение и методы изготовления металлодиэлектрических интерференционных покрытий

3.1. Широкополосные ахроматические высокоотражающие зеркала

3.2. Отрезающие зеркала

3.3. Металл одиэ лектрические спектро делите ли

3.4. Узкополосные интерференционные фильтры

3.5. Клиновые узкополосные фильтры

Выводы по главе

ГЛАВА 4. Перечень оборудования, используемого в экспериментах и оценка точности полученных результатов

4.1. Использованное вакуумное оборудование

4.2. Определение величины погрешности полученных экспериментальных результатов

4.3. Условия проведения экспериментов с металлами

4.3.1. Никель

4.3.2. Медь

4.3.3. Алюминий

4.3.4. Хром

4.3.5. Серебро

4.3.6. Изготовление металлодиэлектрического узкополосного интерференционного фильтра

Выводы по главе

ГЛАВА 5. Определение оптических постоянных металлов

5.1. Никель

5.2. Медь

5.3. Алюминий

5.4. Хром

5.5. Серебро

Выводы по главе

На характеристики ряда оптических элементов, в состав которых входят интерференционные покрытия, включающие в себя слой металла, оказывают значительное влияние параметры тонких металлических слоев (показатель преломления, главный показатель поглощения и толщина). К этой группе оптических элементов относятся: зеркала, как металлические, так и металлодиэлектрические,, ослабляющие светофильтры для широкого спектрального диапазона, градиентные ослабители (оттенители) и металлодиэлектрические узкополосные светофильтры. Этот тип светофильтров обладает рядом достоинств по сравнению с другими: широкая полоса гашения в нерабочей зоне спектра, относительная простота в изготовлении, возможность получения светофильтров для ультрафиолетовой области спектра. На характеристики каждого из перечисленных элементов (пропускание, отражение) в той или иной степени влияют оптические параметры металлических слоев, которые в свою очередь зависят не только от чистоты осаждаемого материала, но и от условий формирования покрытия.

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

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

Настоящая диссертационная работа посвящена: 1) систематическому анализу и обобщению литературных данных в области исследования оптических покрытий на основе металлов; 2) выводу математических зависимостей оптических характеристик (коэффициенты пропускания и отражения) многослойных интерференционных покрытий содержащих поглощающие слои (слои металлов) от параметров слоев (показатель преломления, главный показатель поглощения и толщина) в виде пригодном для создания программ, а так же составление программы расчета характеристик многослойных интерференционных покрытий и программы определения оптических постоянных тонких металлических пленок по спектрофотометрическим измерениям; 3) методике определения оптических постоянных металлических слоев; 4) экспериментальным исследованиям оптических постоянных полученных металлических покрытий; 5) рассмотрению технологических особенностей нанесения металлических покрытий электроннолучевым испарением в вакууме для различных металлов; 6) анализу существующих металлодиэлектрических покрытий; 7) применению полученных экспериментально оптических постоянных при синтезе и изготовлении металлодиэлектрических покрытий.

В первой главе рассмотрены литературные данные по оптическим постоянным тонких пленок металлов, обобщены данные по влиянию технологического процесса изготовления металлических покрытий на их оптические постоянные. На примере пленок алюминия рассмотрено влияние состава пленкообразующего материала, толщины слоя, скорости осаждения, температуры подложки, влияния угла поступления паров на оптические характеристики покрытия. Приведены адгезионные свойства различных металлов к подложкам.

Во второй главе приведены формулы для расчета оптических характеристик тонкопленочных интерференционных систем содержащих поглощающие слои. Исследованы методы проведения оптических измерений и определения оптических постоянных слоев металлов. Проанализированы точностные возможности различных методов.

В третьей главе проведен анализ металлодиэлектрических интерференционных покрытий, с рассмотрением методов их изготовления. Проведен расчет металлодиэлектрического интерференционного узкополосного фильтра с лучшими характеристиками, чем у приводимых в литературе.

В четвертой главе приводятся параметры используемого в экспериментах технологического оборудования. Рассматриваются особенности технологических процессов изготовления металлических и металлодиэлектрических покрытий.

В пятой главе приведены экспериментально полученные оптические характеристики металлических покрытий и оптические постоянные слоев металлов разной толщины и полученные при различных технологических параметрах для нескольких металлов. Рассмотрено влияние технологических факторов и толщины на оптические постоянные металлических слоев.

В заключении сформулированы основные положения и выводы, полученные при выполнении диссертационной работы.

Выводы по главе 5

1. Оптические постоянные металлов определенные по спектрофотометрическим измерениям сходятся с оптическими постоянными полученными по данным эллипсометрических измерений.

2. Определенные оптические постоянные исследованных металлов в некоры случаях согласуются с данными приводимыми в литературе.

3. Исследования показывают, что у всех приведенных металлов оптические постоянные зависят от толщины и условий осаждения, но вид зависимостей разный.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе проведен полный анализ литературных данных по оптическим постоянным металлов (А1, Си, Сг, N1, Аи).

2. Рассмотрено влияние технологических факторов на характеристики тонких пленок металлов.

3. Приведено математическое моделирование расчета многослойных интерференционных покрытий содержащих поглощающие слои (металл), в том числе на поглощающих подложках. Составлена программа расчета на ВАБГСе.

4. Проведен анализ металлодиэлектрических систем по литературным источникам. Синтезирована конструкция металлодиэлектрического узкополосного фильтра на основе серебра с использованием уточненных в ходе экспериментов оптических постоянных.

5. Рассмотрена технология напыления тонких металлических пленок методом электронно-лучевого испарения в вакууме. Проанализировано влияние технологических параметров на механические и оптические свойства металлических и металлодиэлектрических покрытий.

6. Отработана методика определения оптических постоянных металла, по спектрофотометрическим измерениям и толщине, а также по эллипсометрическим измерениям.

7. Проведен ряд экспериментов по определению оптических постоянных металлических пленок (А1, Си, Сг, №, А§) в видимой области спектра при различных толщинах слоев и условиях осаждения. Исследования показали, что у всех приведенных металлов оптические постоянные зависят от толщины и условий осаждения.

7. Отработана технология изготовления металлодиэлектрического узкополосного фильтра с коррекцией оптических постоянных слоев металла по предварительным исследованиям. Полученный металлодиэлектрический узкополосный фильтр имеет спектральную характеристику практически совпадающую с расчетной.

1. 1.ani G. В., Huen Т., Wooten F., Optical Constants of Silver and Gold in the Visible and Vacuum Ultraviolet. —J. Opt. Soc. Amer., 1971, v. 61, № 1, p.128.

2. TaftE. A., Phillip H. P .—Phys. Rev., 1961, v. 121, p. 1100.

3. Schulz L. G., Tangherlini F. R., Optical Constants of Silver, Copper, and Aliminium. II. The Index of Refraction n. — J. Opt. Soc. Amer., 1954, v. 44, p.362.

4. Schulz L. G., Tangherlini F. R., Optical Constants of Silver, Copper, and Aliminium. I. The Absorption Coefficient k. —J. Opt. Soc. Amer., 1954, v. 44, p.357.

5. Dold B, Merke R. — Optik, 1965, Bd. 22, p. 435.

6. Beattie J. R. — Physica, 1957, v. 23, p. 898.

7. Weiss K. — Z. Naturforsch., 1948, Bd. 3a, p. 143.

8. Ingersoll L. R.—Astrophys. J., 1910, v. 32, p. 282.

9. Bennett H. E., Bennett J. M., Optical Propeties and Electronics Structure of Metals and Alloys / Ed. F. Abeles, Amsterdam: Nort—Holland, 1966.

10. Hagemann H. J., Gudat W., Kunz C., Optical constans from the far infrared to the x-ray region: Mg, Al, Cu, Ag, Au, Bi, and AI2O3. — J. Opt. Soc. Amer., 1975, v. 65, p. 742.

11. П.Золотарев В. M., Морозов В. Н., Смирнова Е. В., Оптические постоянные природных и технических сред, Справочник, Л.:, Химия, 1984.

12. Головашкин Ф. И., Мотулевич П. П., Шубин А. А. — ЖЭТФ, 1960, 38, с. 51.

13. Шкляревский И. Н., Яровая Р. Г., Квантовое поглощение в алюминии и индии. — Опт. и спектр., 1964, т. 16, с. 85.

14. Шкляревский И. Н., Яровая Р. Г. — Опт. и спектр., 1963, т. 14, с. 252.

15. Shiles Е., Sasaki Т., Inokuti М., Smith D. Y. — Phys. Rev. (В), 1980, v. 22, p. 1612.

16. Beattie J. R., Canu G. К. Т.—Phil Mag., 1955, v. 46, p. 989.

17. Roberts S. —Phys. Rev., 1960, v. 118, p. 1509.

18. Otter M. — Z Physik, 1961, Bd. 161, p. 163.

19. Canfield L. R., Hass G., Reflectance and Optical Constants of Evaporated Copper and Silver in the Vacuum Ultraviolet from 1000 to 2000 A. — J. Opt. Soc. Amer., 1965, v. 55, №1, p. 61.

20. Шкляревский И. H., Падалка В. Г. — Опт. и спектр., 1959, т. 6, с. 78.

21. Robusto P. F., Braunstein R. — Phys. Stat. Sol. (В), 1981, v. 107, p. 443.

22. Canfield L. R, Hass G., Hunter W. R. — J. Phys., 1964, v. 25, p. 124.

23. Мотулевич Г. П., Шубин А. А. —ЖЭТФ, 1964, т. 47, вып. 9, с. 840.

24. Падалка В. Г., Шкляревский И. Н. — Опт. и спектр., 1961, т. 11, с. 285.

25. Weaver J. Н., Krafka С., Lynch D. W. et al. Physics Data, Optical Properties of Metals. Karlsruhe: Fach-Information Zentrum, 1981.

26. Hass G., Waylonis J. E., Optical Constants of Evaporated Aluminum in the Visible and Ultraviolet — J. Opt. Soc. Amer., 1960, v. 50, p. 1133.

27. Hass G., Waylonis J.E., Optical Constants and Reflectance and Transmittance of Evaporated Aluminum in the Visible and Ultraviolet. — J. Opt. Soc. Amer., 1961, v. 51, №7, p. 719.

28. Wernick S., Electrolitic polishing and bright plating of metals, Alvin Redman, London, 1948, p. 67.

29. Holland L., Williams B.J. —J. Sci. Instrum., v. 32, 1955, p. 287.

30. Hass G., Vacuum, v. 2, 1952, p. 331.

31. Bennet H.E., Bennet J.M., Ashley E.J. — J. Opt. Soc. Amer., v. 52, № 11, 1962, p. 1245-1250.

32. Hass G., Hunter W.R., Tousey R., Reflectance of Evaporated Aluminum in the Vacuum Ultraviolet.— J. Opt. Soc. Amer., v. 46, № 12, 1956, p. 1009-1012.

33. Hass G., Filmed Surfase for Reflecting Optics. — J. Opt. Soc. Amer., v. 45, № 11, 1955, p. 945-952.

34. JI. Холлэнд, Нанесение тонких пленок в вакууме, М.:, 1963, 608 с.

35. Holland L. —J. Opt. Soc. Amer, v. 43, 1953, p. 376.

36. Williams R.C., Backus R.C. —J. Appl. Phis., v. 20, 1949, p. 98.

37. Appleyard E.T.S., Lovel A.C.B. — Proc. Roy. Soc., v. A 158, 1937, p. 718.

38. Г. Хасс, Физика тонких пленок, т. 1, М:, мир, 1967, с. 343.

39. К. Шефер, Теоретическая физика, т. III и II, ГОНТИ, 1938.

40. A. I. Mahan, J. Opt. Soc. Amer., 46, 1956, p 913.

41. А. В. Соколов, Оптические свойства металлов, 1961.

42. Н.Н. Прибыткова, Оптика и спектроскопия 11, 1957, с. 623.

43. Male D, C.R. Acad. Sci., 230, 1950, p. 1349.

44. Umrath W., Z. Angew. Phys., 22, 1967, p. 406.

45. Croce P., Gandais M., Marraud A., Rev. Opt. Theor. Instrum., 40, 1961, p 555.

46. Croce P., Devant G., Gandais M., Marraud A., Acta Crystalogr., 15, 1962, p. 424.

47. Dyson F., Physica, 24, 1958, p. 532.

48. Крылова Т.Н., Интерференционные покрытия. Л.: Машиностроение, 1973, 224с.

49. Scott G.D., McLauchlan T.A.,Sennett R.S., J. Appl. Phys., 21, 1950, p.843.

50. Г. Хасс, Р.Э. Тун, Физика тонких пленок, т. 4, М:, Мир, 1970, 440с.

51. Б.М. Комраков, Б.А. Шапочкин, Измерение параметров оптических покрытий, М:, Машиностроение, 1986, с. 132.

52. Bennett J.M., Booty M.J., Appl. Opt., 5, 1966, p. 41.

53. Abeles F., Theye M.L., Surface Sci., 5, 1966, p. 325.

54. Bazin С., С. R. Acad. Sci., 260, 1965, p. 83.

55. Ward L., Nag A., Brit. J. Appl. Phis., 18, 1967, p. 277.

56. Nilsson P.O., Appl. Opt, 7, 1968, p. 435.

57. Андреев C.B., Карасев H.H., Определение оптических постоянных тонких металлических покрытий по спектрофотометрическим измерениям, НТКППС, СПбИТМО (ТУ), тезисы докладов, часть 1, Санкт-Петербург, 2000, с. 41-42.

58. Schopper H., Z. Phys., 131, 1952, p. 215.

59. Г. Хасс, Р.Э. Тун, Физика тонких пленок, т. 2, М:, Мир, 1967, 396с.

60. Bor J., Proc. Phys. Soc. (London), 65, 1952, p. 753.

61. Archard J.F., Clegg P.L., Taylor A. M., Proc. Phys. Soc. (London), 65, 1952, p. 758.

62. Hartman R.E., J. Opt. Soc. Amer., 41, 1951, p. 244.

63. McCrackin F.L., Passaglia E., Stromberg R.R., Steinberg H.L., J. Res. Nail. Bur. Std, 76A, 1963, p. 363.

64. Beattie J.R., Phil. Mag., 46, 1955, p. 235.

65. Roberts S., в кн. "Ellipsometry in the Measurement of Surfaces and Thin Films", Passaglia E., Stromberg R.R., Kruger J., eds., Natl. But. Std. Misc. Publ. 256 U. S. Govt. Printing Office, Washington, D. C., 1964, p. 119.

66. Lenham A.P.,Treherne D.M., J. Opt. Soc. Amer., 56, 1966, p. 752.

67. Hass G., Waylonis J.E., J. Opt. Soc. Amer., 51, 1961, p. 619.

68. Burge D.K., Bennett H.E., J. Opt. Soc. Amer., 54, 1964, p. 1428.

69. McCrackin F.L., Colson J.P., в кн. "Ellipsometry in the Measurement of Surfaces and Thin Films", Passaglia E., Stromberg R.R., Kruger J., eds., Natl. But. Std. Misc. Publ. 256 U. S. Govt. Printing Office, Washington, D. C., 1964, p. 61.

70. Archer R.J., J. Electrochem. Soc., 104, 1957, p. 619.

71. Barrett M.A., в кн. "Ellipsometry in the Measurement of Surfaces and Thin Films", Passaglia E., Stromberg R.R., Kruger J., eds., Natl. But. Std. Misc. Publ. 256 U. S. Govt. Printing Office, Washington, D. C., 1964, p. 213.

72. Kruger J., Yolken H.T., Corrosion, 20, 1964, p. 29.

73. Roberts R.W., Vanderslice T.A., Ultrahigh Vacuum and Its Applications, Prentice-Hall, Engewood Cliffs, Nev Jersey, 1963, p. 4.

74. И.Н. Шкляревский, Оптика и спектроскопия 3, 1957, с. 638.

75. Андреев С.В., Исследование оптических постоянных металлических покрытий, Сборник научных трудов молодых ученых и специалистов, вып. 1, часть 1, СПбИТМО (ТУ), 2000, с. 14-15.

76. Андреев С.В., Антистатические покрытия из смесей металла с диэлектриком на оптических деталях из полимерных материалов, Сборник научных трудов молодых ученых и специалистов, вып. 1, часть 1, СПбИТМО (ТУ), 2000, с. 15-17.

77. Хасс Г., Франкомб М., Гофман Р., Физика тонких пленок, т. 8, Москва, Мир, 1978,359 с.

78. Королев Ф.А., Клементьева А.Ю., Интерференционные светофильтры с шириной полосы пропускания 1,5Ä, Оптика и спектроскопия, т. 9, вып. 5, 1960, с. 648-652.

79. Фурман Ш.А., Современные диэлектрические узкополосные пропускающие интерференционные фильтры, ОМП, № 9, 1968, с. 5062.

80. Крылова Т.Н., Интерференционные фильтры из многослойных диэлектриков, Оптика и спектроскопия, т. 6, вып. 6, 1959, с. 784-787.

81. Ермолаев A.M., Минков И.М., Власов А.Г., Метод расчета многослойного покрытия с заданной отражательной способностью.— Опт. и спектр., т.13, 1962, с. 259-265.

82. Heavens O.S., Liddell Н.М., Optica Acta, 15, №2, 1968, p. 129-138.

83. Zycha H, Appl. Optics, 12, №5, 1973, p. 979-983.

84. Hass G., Bradford A., J. Opt. Soc. Amer., 44, 1954, p. 810-815.

85. Turner A.F., J. Opt. Soc. Amer., 1, 36, 1946, p. 711.

86. Ш.А. Фурман, Тонкослойные оптические покрытия, Jl: Машиностроение, 1977, 264 с.

87. Фурман Ш.А., ОМП, №6, 1957, с.36.

88. Столов Е.Г., Фурман Ш.А., Инфракрасный отражающий фильтр.— ОМП, №9,1974, с. 64-65.

89. Hass G., Schroeder Н.Н., Turner A.F., J. Opt. Amer., 46, 1956, p. 31.

90. Schmidt R.N., Janssen J.E., в кн. "Thermal Radiation of Solids" (Katzoff S., ed.), Nat. Aeron. Spase Admin., Washington, D. C., 1963, p. 225-230.

91. Макаров Н.Ф., Фурман Ш.А, ОМП, №10, 1961, с. 13-16.

92. Gtinzler H., Jenaer Rundschau, 4, №6, 1959, p. 188-195.

93. Bates В., Bradley D.J., Appl. Optics, 5, №6, 1966, p. 971-975.

94. Harrison D.H., Appl. Optics, 1, №1, 1968, p. 210.

95. Schroeder D.I., Opt. Soc. Amer., 52, 1962, p. 1380.

96. Turner A.F., J. Phys. Radium, 11, №7, 1950, p. 444-460.

97. Кард П.Г., Анализ и синтез многослойных интерференционных пленок, Таллин:, Валгус, 1971, 236 с.

98. Синельников К.Д., Шкляревский И.Н., Власенко Н.А., Оптические характеристики сложных интерференционных светофильтров, Журнал технической физики, т.26, №1, 1956, с. 96-101.

99. Dufour С., J. Phys. Radium, 11, №7, 1950, р.413-417.

100. Malherbe A., Guillard M., Nouv. Rev. d'Optique appliquée, 1, №6, 1970, p. 401-404.

101. Ф.А. Королев, А.Ю. Клементьева, Т.Ф. Мещерякова, И.А. Рамазина, Светофильтры высокой контрастности на основе многослойных диэлектрических покрытий, Опт. и спектр.,т.31, 1971, с. 138-145.

102. Фурман Ш.А., Шестакова С.Н., ОМП, №12, 1971, с. 426-429.

103. Яфаева В.Б., Валеев A.C., Полосовые интерференционные фильтры, Опт. и спектр., т. 17, 1964, с. 102-112.

104. Heavens O.S., Ring J., Smith S.D., Spectrochimica Acta, 10, №2, 1957, p. 179-194.

105. Knittl Z., Jemnä mechanica a Optika, №11, 1963, p. 375-380.

106. Berning P.H., Turner A.F., J. Opt. Soc. Amer., 47, 1957, p. 230-239.

107. Macdonald J., Metal—Dielectric Myltilayers, London, 1971, 78p.

108. Malherbe A., Appl. Optics, 13, №6, 1974, p. 1275-1276.

109. Валеев A.C., Иванов В.А., Интерференционный фильтр— монохроматор для инфракрасной области спектра., ОМП, №12, 1967, с. 22-24.

110. Apfel I.H., Appl. Optics, 4, №8, 1965, p. 983-985.

111. Thelen A., Appl. Optics, 4, №8, 1965, p. 977.

112. Карасев A.C., Основы оценки погрешности измерений, уч. пособие, С-Пб, ИПЦ, С-Пб ГТУ, 1995, с. 4.

113. Зайдель А.Н., Погрешности измерений физических величин, Ленинград, Наука, 1985, с. 67.

114. Федотов Г.И., Ильина P.C., Новицкий Л.А., Гоменюк A.C., Лабораторные оптические приборы, Уч-ное пособие для приборостроительных и машиностроительных вузов, 2-ое изд., Москва, Машиностроение, 1979.

115. Паспорт, Установка вакуумная модели ВУ-1А, 1984-84, 00.00.000.ПС.

116. Александров Г.А., Халлиулина Н.З., Шаяхметова Р.Х., Мансурова Л.И., Чистка оптических деталей из полимерных материалов, ОМП, №7, 1981, с. 26-28.

117. Путилин Э.С., Старовойтов С.Ф., Способ определения лучевой прочности оптических покрытий, авт. свид. СССР №1370531 от 01.10.87.122

118. ГОСТ 8.207-76 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений.

119. Андреев C.B., Губанова Л.А., Исследование оптических постоянных металлов, Оптические и лазерные технологии, сборник статей, Санкт-Петербург, 2001, с. 74-83.

120. Андреев C.B., Губанова Л.А., Определение оптических постоянных металлических слоев, Оптические и лазерные технологии, сборник статей, Санкт-Петербург, 2001, с. 198-205.