автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.07, диссертация на тему:Моделирование процесса осаждения и разработка методов контроля градиентных пленок в процессе осаждения

МИНИСТЕРСТВО ОБЩЕГО И ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО ОБРАЗОВАНИЯ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

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

На правах рукописи

РГЯ од

/ 0 ШОП 1333 Ким Чжон Суп

УДК 621.535.683

МОДЕЛИРОВАНИЕ ПРОЦЕССА ОСАЖДЕНИЯ И РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ КОНТРОЛЯ ГРАДИЕНТНЫХ ПЛЕНОК В ПРОЦЕССЕ ОСАЖДЕНИЯ

Специальность 05. 11. 07 - Оптические и оптико-электронные приборы

АВТОРЕФЕРАТ

, диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Санкт-Петербург 1998

Санкт-Петербургского государственного института точной механики и оптики

(технического университета)

Научный руководитель: доктор технических наук, профессор

Э. С. ПУТИЛИН

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор

С. А. РОДИОНОВ

кандидат технических наук А. В. МИХАЙЛОВ

Ведущее предприятие - АО ЛОМО

Защита диссертации состоится "1" июля 1998 года в 15 ч. 30 мин. на заседании специализированного совета Д 053.26.01 "Оптические и опгико-электронные приборы" при Санкт-Петербургском государственном институте точной механики и оптики (техническом университете) по адресу: (197101, г. Санкт-Петербург, ул. Саблинская, д. 14).

Автореферат разослан "_"июня 1998 г.

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

Ученый секретарь

специализированного совета Д 053.26.01. кандидат технических наук, доцент

В. М. Красавцев

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Оптические покрытия, получаемые осаждением в вакууме, позволяют управлять оптическими характеристиками оптической системы и широко распространены в современной науке и технике. Общим требованием к покрытиям является обеспечение заданного распределения толщины слоев по поверхности оптической детали. В последние годы во многих областях науки и техники возник интерес к градиентным пленкам, профиль толщин слоев которых изменяется по координате подложки. Методы создания градиентных пленок разнообразны, и выбор способа, обеспечивающего простоту и удобство использования, является необычайно важным. Кроме того, при изготовлении таких пленок важной задачей является исследование процесса осаждения и фотометрического контроля толщины слоя при их формировании.

В согласии с этими задачами в диссертации проводится исследование процесса осаждения градиентных пленок и разработка методов их контроля в процессе осаждения.

Цель и задачи работы. Целью диссертационной работы является формирование и моделирование процесса осаждения слоев испарением из малого испарителя в вакууме, создание переменного профиля толщины слоя по поверхности детали и разработка фотометрического контроля толщины в процессе осаждения слоя. Задачи исследования.

1. Моделирование и исследование эмиссионной характеристики испарителя из реального испарителя с меняющимся профилем фронта испарения во время испарения.

2. Определение оптимальных параметров вакуумной установки для получения слоев с постоянной толщиной.

3. Разработка методов получения градиентных пленок по поверхности детали с использованием простейших диафрагм.

4. Разработка фотометрических методов контроля толщины слоев градиентных пленок в процессе осаждения.

5. Определение оптимальных геометрических параметров процесса осаждения при нанесении градиентных пленок.

6. Исследование параметров оптических покрытий, содержащих переменные по поверхности детали толщины слоев.

Методы исследования.

1. Исследование параметров оптических покрытий, содержащих переменные по поверхности детали толщины слоев.

2. Математическое моделирование процесса испарения реального испарителя.

3. Аналитические и численные методы интегрирования элементарных испаренных масс для формирования толщины слоев на детали.

4. Матричные методы передачи энергии в тонкопленочной системе, интегральные для анализа сигналов на фотоприемнике.

5. Методы ряда полинома для получения контрольной длины волны в процессе фотометрического контроля слоев.

5. Методы использующие функции селекции для решения задач, решение которых в невозможно явном виде.

7. Аналитические и численные методы оптики тонких пленок для анализа характеристик многослойных систем.

Научная новизна работы.

1. Разработаны математические модели эмиссионных характеристик испарения из жидкой или твердой фаз при изменяющейся форме фронта испарения в процессе осаждения слоя с учетом образованной воронки.

I. Разработаны математические формулы для определения оптимального расположения элементов вакуумной установки.

Проведен математический анализ определения оптимального расположения элементов вакуумной установки.

Проведено моделирование и исследование оптических свойств многослойных систем.

5. Разработаны общие методы анализа систем, содержащих диафрагмы или маски, для получения градиентных пленок. Приведены профили толщины слоя при осаждении на подложку через диафрагму, содержащую круглое отверстие при одинарном или планетарном вращением для любых отношений угловых скоростей вращения подложки и подаожкодержателя.

5. Разработан метод контроля градиентных пленок и формула для выборе оптимальной длины волны при контроле пропускания в процессе осаждения слоя.

Трактичсская значимость работы.

Тракгаческая значимость работы заключается в возможности использования

;е основных результатов для:

.. получения слоев с постоянной по поверхности детали толщины на больших площадях при одинарном вращении, или увеличения числа одновременно изготавливаемых деталей при использовании планетарного вращения подложек.

1. получения градиентных слоев с заданным распределением толщины по поверхности детали.

>. Фотометрического контроля градиентных слоев в процессе осаждения.

Основные результаты, выносимые на защиту.

1. Модели испарения из реального испарителя, электронно-лучевым способом и результаты их экспериментальной проверки.

2. Формирование толщины пленки на деталях электронно-лучевым испарением в вакууме при одинарном или планетарном вращении подложек.

3. Методы получения пленки с меняющимся профилем толщины слоя осаж-деписм через круглую диафрагму, помещенную между испарителем и подложкой, совершающей одинарное или планетарное вращение.

4. Методы Фотометрического контроля процесса осаждения градиентных пленок, выбор оптимальной длины волны при этом контроле.

5. Результаты исследования диэлектрических систем, содержащих (радиент-ные пленки.

Апробация работы. Основные результаты диссертационной работы докладывались и обсуждались на международной конференции "Прикладная оп-тгаса-96" (г. Санкт-Петербург, сентябрь, 1996 г.), на V Петербургского семинара-выставки "Лазеры для биологии и медицины" (г. Санкт-Петербург, октябрь, 1997 г.).

Публикации По материалам, диссертационной работы опубликовано 4 печатной работы.

Структура и обьемг работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, библиографического списка 92 наименований и 1 приложений, содержит 112 страниц основного текста, 47 рисунков и 1 таблица.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Введении

Во введении показана актуальность проводимых исследований, научная новизна и практическая значимость работы; краткая аннотация глав; сформулированы положения, выносимые на защиту. Первая глава

В первой главе приведен краткий обзор литературы, содержащий применение многослойных диэлектрических зеркал в резонаторах лазеров с целью улучшения пространственно-энергетических характеристик генерируемого излучения, методы получения зеркал с заданным распределением коэффициента отражения по поверхности детали, методы контроля толщины слоев в процессе осаждения. Здесь же рассмотрено образование тонких пленок вакууме, процесс испарения при электронно-лучевом испарении. При элек-трогаю-лучевом испарении, поскольку испаритель подогревается фокусированным пучком, т.е. зона испарения мала, эмиссионная характеристика фор-

мируется ю малой области. При рассмотрении процесса испарения важным параметром является скорость испарения по массе ц^,, т.е. общая масса частиц, испаренных с единицы площади за единицу времени при данных давлении и температуре. Зная форму фронта испарения на испарителе во время испарения, о^ может быть определена = ра<#1Ы?, где р„ - плотность

материала испарителя и ¿Л/Л- - скорость движения фронта испарения в твердой или жидкой фазе. Однако, на самом деле, при рассмотрении процесса испарения сложность заключается в том, что при плавлении материала влияние на форму фронта испарения оказывает сила поверхностного натяжения жидкости, разность потенциалов между различными поверхностями в диэлектрическом испарителе из-за электрических зарядов переданных электронным пучком и так далее. Кроме того из-за большого различия коэффициентов теплопроводности между металлами и диэлектриками, отношение между скоростями по глубине <й/Л и ширине канала может сущест-

венно отличаться. Форма фронта испарения при кипении (жидкость) и сублимации (твердое тело) различаются друг от друга из-за влияния сил поверхностного натяжения жидкости. В жидкой фазе на дне каверны должна образовываться плоская площадка, площадь которой определяется коэффициентом поверхностного натяжения жидкой фазы и твердого тела и углом смачивания жидкость-твердое тело. Вторая глава

В этой главе рассмотрены процесс испарения при электроннолучевом испарении, эмиссионные характеристики испарителей г конечным размером и формирование толщины слоя на подложках, совершающих планетарное вращение при вакуумном испарении. При рассмотрении конденсации пленки на детали, толщина слоя < в точке Р на подложке равна:

Рис.1. Схема расположения поверхностного испарителя с конечным размером А о и наблюдаемой точки Р.

Р г С соъф'ъоъв' , ,. „

а

■ЧЛ "" Кг " ' яр,К2

(1)

где 0 - коэффициент конденсации, р- плотность покрытая на подложке, гу - конечное время осаждения слоя и Аа,<р\9',Н\11 наказаны на рис.1. Эмис-;ионная характеристика £1 испарителя с конечным размером может выражаться с помощью полиномов Лежандра (в виде Р{(соь<р) = Х1=оЛ>» (С0К<Р)'") следующим образом:

<« оо

" = =М> (2)

<=о ¡-о и +

где ^(,=з,(со8р) = Х1^{(2^ + 2м+-1)(27й)!/22^!2}/2(т-(1-со5>Г; Ма=т„-яЗг, Я

- радиус испарителя.

Рассмотрим случай, когда ие,р не постоянна, а зависит от координаты и

времени. В этом случае в различных точках на поверхности испарителя во время испарения вектор нормали к поверхности испарения имеет разное направление, что оказывает влияние на его эмиссионные характеристики. Кроме того на испарителе появляется воронка или канал, которые со временем увеличиваются по диаметру и глубине. В результате, в некоторый момент, испаряемые частицы будут экранироваться краями образовавшейся воронки, т.е. не попадут на поверхность подложки.

Допустим, что и„.р определяется плотностью потока электронов и ее величина пе зависит от плотности потока электронов соседней зоны. Кроме того, пусть электронный пучок падает нормально к поверхности (параллельно оси г), и и„р симметрична относительно оси г. Предположим, что и„р линейно зависит от времени нанесения покрытия т и имеет вид оп_р = а0г ехр(-ка2"), где ой~4'гп, </„ ={2п-\)/2кп, к = (Л2)2, а - диаметр пучка подающих электронов, п - степень супергауссовской функции, г - время осаждения слоя. С учетом влияния воронки на конденсацию, окончательная толщина слоя в координате (г,Н ) может быть определена следующим выражением:

где и'^=ди„т/да, тв=а0е^Н/2п(кдпг-а,)(>0), сгя(г) = а0!Ке[{-Ду)}"2л]|,Х(х) = ^аА^о&с)' ~ полином логарифма и х = -е~'(г0/г)"*,\ Здесь К

является функцией селекции, которая позволяет учесть влияние воронки в процессе испарения, и имеет вид:

к=¿РЛЗ)-/°Р'(Г )<к ---~Г0(3)+^Р.(З)--РАЗ)+~р}(3)+... (4) & ¡Р^хУОс' 2 4 16 32

где 3 = + [И{о т,т)-И(а ,г)]ъоъ9„}.

На рис.2.а изображены характеристики формы воронки испарителя с меняющемся фронтом испарения при п - 3; й— 0.003; г> 1а„ =1; 2; 3; 4; 5, а на рис.2.б - распределе!ше толщины слоя / в сравнения с 1„ (первый интеграл в формуле (3)), 1Л (второй интеграл в формуле (3)) и /0 (кнудсеновское распределение). Нами показано, что в случае п > 1 необходимо учитывать вклад, связанный с развитием воронки во время испарения (особенно при т > гр). На самом деле механизмы процесса испарения диэлектриков и метал-

|1 (си )

- 0.2

02

<Г (СМ )

0.5

0.2

06

0.4

С

-100 - 50

О

60

100

- 0.6

а)

б)

Рис.2, а) Изменение формулы воронки испарителя во время испарения.

Цифрами показаны относительное время испарения в виде г„/<т0. б)

Распределение ее толщин слоя при п = 3

лов отличны друг от друга. При испарении диэлектрика теплота, переданная электронным пучком, распространяется посредством колебаний решетки или фонона, поэтому молекулы на поверхности или в самой решетке легче испаряются (сублимация) в вакуум, и с меньшей вероятностью передают энергию на соседнюю решетку, т.е. имеют малое значение коэффициента теплопроводности. Для моделирования этого процесса можно считать, что падающая энергия полностью поглощается на испарение. У разных диэлектрических материалов величины теплопроводности разные, и это больше влияет на скорость испарения по глубине канала, чем по ширине, из-за большой разности градиентов температуры. Поэтому можно предполагать, что определяется также как и раньше, и различие заключается в разной величине тр /<г0. Что касается испарения металлов, то передача энергии в испаряемом материале выполняются свободными электронами, а сами материалы имеют большую теплопроводность. В этом случае градиент температуры может быть приблизительно одинаков по ширине и отличается только по глубине испаряемого материала, поэтому можно считать, что иетр определяется также

как и раньше, но с другим эффективным размером пятна электронного пучка

с].

Для получения пленок на подложках совершающих одинарное или планетарное вращение, благодаря равномерности пространственного положения деталей относительно испарителя во время осаждения слоя, существует возможность создания слоев постоянной толщины на различных деталях. В :лучас, когда отношение между толщинами слоя по поверхности детали не швисят от времени, удобно полагать, что оптическая толщина слоя «/(г) ли-яейно зависит от времени осаждения слоя и коэффициент конденсации р равен единице, т.е. [Ы{т) = г • . Кроме того, при оптимальных условиях на-аесения тонких пленок электронно-лучевым испарением из маленького по-

верхностного испарителя удобно предполагать, что его эмиссионная характеристика подчиняется закону Кнудсена.

Вначале рассмотрим процесс осаждения слоя на подложку совершающую одинарное вращение со скоростью а. Поверхности испарителя и подложки Н параллельны друг другу и находятся на расстоянии Н, а испаритель расположен на расстоянии а от оси вращения подложки. Ось вращения проходит через центр подложки. Толщина слоя может выражаться после интегрирования (1) по времени осаждения слоя г. Максимальное различие толщин слоя по координате (р,фа) на подложке можно выразить в следующем виде:

МЛ)«, =(W(5) где В = 2ар!(рг +а2 +Н2). С учетом максимального различия в толщине слоя по координате (р,Ф„) распределение толщины слоя по радиусу при достаточно большом числе оборотов подложки может быть представлено в виде двух сомножителей, один из которых зависит от геометрических, а второй от временных членов:

Из анализа относительной толщины слоя t„, - t,(p)lt0 видно, что формулы t„x имеет сингулярность при р'=1 и II'—0, как это следует из tim tnl = 1 и

£т /„, =l/(p" -I)2, т.е. возможно получения постоянного профиля толщины слоя по подложке при большем значении Л', а максимальное значение t„, находится при р' = 1 тогда, когда Н' устремляется к нулю.

Для того, чтобы обеспечивать постоянство толщины слоя на подложке с большими размерами, необходимо найти оптимальные параметры вакуумной камеры. Постоянство толщины слоя характеризуется функцией tA, представляющей значение среднего отклонения толщины слоя t(p) с учетом (6) в заданной зоне 0<pS р^ и 0<фа <2 л на поверхности подложки. Эта функция

может быть представлена в виде 1А -рф, где /„ -тол-

щина слоя в центре детали. Тогда, из условия oih / £>(Н,а,рт,) = 0 можно определить оптимальное отношение а и Н, обеспечивающее постоянство толщины слоя для разных рт, при условии л = 0. th уменьшается с увеличением Я при фиксированном значении р', а значение a IH стремится к l/л/г при р' -» 0 и возрастает с увеличением ргт !Н. а!Н равно единице при р' = 42 . На пример, для /ош = 30 см, а должно иметь значение 38,7 см при Н = 50 см (см. рисЗ.а)).

Для случая процесса формирования слоев на плоской подложке, совершающей планетарное движение, профиль толщины слоя еще зависит от отношения угловых скоростей а = Slim (Q,a> - скорости вращения подложек и

а) 6)

Рис.3. Оптимальное отношение для получения плоскопараллельных слоев а) при одинарном вращении для ртк / Я и al H б) при планетарном вращении для г и а ( р1тЛ = 30 см, а =8).

подложкодержателя соответственно). Постоянство толщины слоя как и раньше характеризуется функцией |ГД|, представляющей, в отличии от гд для

одинарного вращения, зпачение среднего "модуля" отклонения толщины слоя по подложке от толщины слоя в центре подложки i0. В этом случае интеграл |/д| в квадратурах не вычисляется, поэтому нами были численно определены al H и г/Н для разных радиусов подложки р^ при фиксированных

значениях Я и а за время равное периоду функции (1). Результаты расчета показывают, что функция |*д| имеет максимальное значение при г = 0 и а =

Э, а минимальные значения находятся в зоне а/Я, rlH > 1/72 с увеличением г/Я, а/Н. Величины a/H, rJH при г - 0, а = 0 симметричны друг относительно друга вследствие симметричности формулы (1). Для случая рт=30 Я — 60 см и а - 8 минимальное значение |ГД| по подложке, есть |fA| = 3,22 % при а - 27 см и г = 58 см, а |/д| = 0,45 % при а = 45 см (при Я/а=1,3) а г = 0(см. рис. З.б)). Нами показано, что при оптимальном расположении элементов вакуумной установки профиль толщины слоя более постоянен три а > 1. Третья глава

В этой главе рассмотрено создание пленок с большим градиентом толщи-гы слоя испарением через диафрагму на подложку, совершающую одинар-ioe или планетарное вращение:

Пусть оси гиг' параллельны (см. рис. 4). Тогда можно получать толщину ;лояв виде:

изображение диафрагма

к

Рис.4. Схема вакуумной установки для испарения .через диафрагму при планетарном вращении подложек

'<Р)->. =®0лг-,ае{агссов[(я2 + а2(П-1)2 -г2П2)/(2/»(П-1))]} (7)

Т№в = СЦр)/в{(1), 0(р) = Н2(р2 + а2 +В2)/[(рг +а2 +Н2)2 -(2ар)2]%, П = Я/Й.

Теперь рассмотрим формирования слоя осаждением через диафрагму на подложку, совершающую планетарное движение при любом значении а=Щ(о. Используя функцию проекции диафрагмы на плоскость испарителя 3(р, у/0, г) = соз(0 т + у/о-0с)-со*,0'т, где

0'т = Ке{агссо*[(/>г + - (ЯГ)' )/

вс =агс8т(г5ш©т/л/я2 +гг +2агсо$а>т), ет =(П-1)л№+г2 +2ат-со5шг и - угловая координата по подложке, можно получать толщину слоя в виде:

где К -

функция селекции, приведенная в формуле (4) и Я - расстояние между испарителем и подложкой. Условие нанесения покрытии - 3> 0. Рис. 5 иллюстрирует профиль толщины слоя при а = 4 и 1/3. При а < 1 профиль толщины слоя имеет гребни и впадины по щ также, как и без диафрагмы, но в этом случае, эти гребни уже более заметны. При а > 1 возможно получение симметричного профиля по щ, однако вблизи центра подложки распределение толщины слоя не симметрично. Четвертая глава

В данной главе исследованы характеристики фотометрического контроля толщины слоев с переменным профилем с использованием падающего пучка света большого диаметра:

При фотометрическом контроле контроль толщины слоя связан с изменением пропускания или отражения тонкослойной системы в процессе ее осаждения. Поэтому для дальнейшего предполагаем, что свет падает нормально к диэлектрической пленочной системе, и пленка однородна, т.е. показатель преломления не зависит от координат. Кроме того, положим т=\ при ш0 означающем заданную (конечную) оптическую толщину слоя. При фотометрическом контроле толщины слоя выгодно написать матрицу интерференции для Л-слойной системы как произведение матриц интерференции осаждающегося слоя и осажденных слоев в отдельности:

(Мп соз(т ■ 2лШ / Л) //лвт(г-2тгИХ)\Л-,(тп 1т,

[/М2] Ма] 'чгияп(г -2тт11 Л) сои(т -2ш1 X) т1

М

(8)

а) б)

Рис.5. Профиль толщины слоя, получаемый при испарении через диафрагму при Н = 47,5 см, Ь = АЪ,17 см, а = 23 см, = 1,88 см, г= 10 см и а) а - 4 , б) а = 0,33. Цифры обозначают положение углов подложки в момент начала осаждения

где тп - элементы матрицы произведения матриц интерференции слоев ] -2...Я, Я - длина волны падающего света, п - показатель преломления пленкообразующего материала. /у - толщина слоя. Энергетическое пропускание То для этой системы может быть выражено из (8).

Фактически рассматриваемые нами пленки имеют толщину слоя, зависящую от координат поверхности подложки. Если их профиль медленно изменяется по координате (в соответствии с нашими оценками, перепад толщины ;лоя должен быть меньше 5-104 нм/мм), то для математического описания таких систем можно воспользоваться приближением плоскопараллельных ;лоев. Тогда пропускание площадки М. будет Т0{р,ф,т)~ 1ш8А'! Г ТЖ, где А

- площадь падающего однородного светового пучка. Для переменного профиля толщины слоя пропускание различно в разных зонах подложки и фото-1риемник после монохроматора принимает сигналы пропорциональные усредненному по площади пропусканию. Чтобы получить пропускание слоя ши системы слоев, нужно вычислить его среднее значение Г, из (8), в виде:

Г = —[-рЗ--ОА,=

А X («.Ц, + П,Мгг) + («о"Ми + У

= 2. г_ Др.М)_л

А, \ 1 + К(р,ф,Л)соз[г • 4Ш,(р,-5(р,ф,Л)] ' •де А{~лТг - площадь светового пучка, г, - ее радиус и 1,(р,ф) - толщина ;лоя, зависящая только от пространственных координат детали. Следова-•ельно функция Т, в отличие от Т0, зависит от размеров (радиуса) падающего гучка и толщины слоя в разных зонах детали.

При фотометрическом контроле для переменных слоев основной задачей является обычно получение заданной (определенной) толщины в центре детали, обозначаемой ¡о. При определении Го путем регистрации экстремумов пропускания (прн использовании светового пучка радиусом гг на длине волны А-А0), могут возникать ошибки из-за сдвига и изменения экстремума пропускания осаждаемого слоя в зависимости от величины г, /а. Длины волны А* (так называемая контрольная длина волны для светового пучка с площадью Л), при которой пропускание имеет экстремальное значение во время г=1 для заданного профиля толщины слоя, должна удовлетворять условию 377<3г = 0, однако интеграл (9) в квадратурах обычно не вычисляется, поэтому удобно получить приближенное решение. Если толщина слоя удовлетворяет условию:

4"1 Г «{^ГРЛаЛ-*.]/'.«",)" (10)

»л,

где п - любое целое положительное число, то контрольная длина волны Л[ для N -слойных систем при условием (10) может быть получена из уравнения

ЛЦт + «У(А")/я-] = 4и?7, где т - целое положительное число соответствующее порядковому номеру экстремума, 1,(р4)(1А1

- средняя по площади толщина слоя детали с меняющимся профилем и дЩ)=л;'( 8(р,фХ)аА< -

среднее по площади фазовая отклонение многослойных систем при А = Я1. от систем при Я = А0.

Условие (10) выполняется обычно в зоне, толщина слоя которой мало отличается от величины соответствующей Нами было показано, что для одного слоя с толщиной в виде:

1(А)

р(см)

Рис. 6. Лк в зависимости от радиуса детали (сплошная - по формуле (13), штриховая - по формуле (11), точки -точные результаты)

0 _ 2п1о(а2+ВУ

1 '—7^}Т2-1

1ПГ, Л

-а2 -Н2

/(г/ +а2 +Нг)2 -4г}а2

и для трехслойной системы отражением Я(р)=ЯаЕхр(- р2 ¡у2)*: Л0 Г {агссод[ У-- , ] + <?ОЛ)Ж

А9,:

{Къ,(р,Л0)1соъЗ{р,Л0)}-_

тлпА, + £ агс1ап[ЛГ32(р,Лй)/Кп(р,Ла)Щ,

(П)

(12)

где К„ - отражение в цешре подложки и у - некоторая величина, зависящая от параметров лазерного резонатора и к - любое положительное число, а А(Р> Л)> К31(ЛЯ0), К}1(рЛй ) могут быть получены после несложного анализа формул (8) и (9).

В общем случае, когда для профиля толщины слоя не выполняется условие (10), т.е. когда перепад по толщине слоя внутри зоны светового пучка достаточно большой, может быть получена, если разложить уравнение

дГ1дт = 0 в ряд по длинам волн X в виде ¿«„(Л -1°)™ . Поскольку для мно-

*гтО

гослойной системы коэффициенты А(р,ф,Як) и К(р,ф,Лк), входящие в подынтегральное выражение (9), являются функциями длины волны, этот ряд должен иметь достаточно сложный вид. В случае, когда А(р,ф,Лк) и К{р,ф,1к) независят от длины волны, решение для Лк имеет вид:

(

»-1 ' » » 03)

= ) -4) с;

ч 1-0 }=\ Ы] 1--0

где С* - биномиальные коэффициенты. На рис.6 показано и для однослойной системы с параметрами: Я„ =1,06 мкм; у = 3 см; ¿Г, =-0,32; А, =0,65; и„=1; »,=1,52; /^=0,51; и=3 и (р) = (л0 / 4отг)агссо5[(Л/1 -ехр{-(р/^)2}-1) /К] при р <4.72 см.

Для многослойных систем получение Як из (13) является сложной задачей, поэтому обычно используют численные способы. При этом удобно выбрать гу контрольную длину волны, которая позволяет реализовать максимальное изменение пропускания при т = 1 (Д(677дт) - максимальна). Для этого выбора введена полуширина сигнала экстремального значения пропускания в виде 5-2/{Э277бг-!}1=и=л . При этом здесь пропускание (9) для г = 1 и Я = Хк

амеет максимум при 6 <0, а минимум при 6 >0. Пятая глава

В этой главе рассмотрено применение покрытий с меняющимся профилем толщины слоев для оптических систем и экспериментальные результаты. В заших экспериментах была использована вакуумная установка ВУ\А: Для 1роверки формирования толщины слоя при электронно-лучевом испарении 5ыл использован штатный испаритель установки ВУ1А. На неподвижные юдложки, находящиеся на различном расстоянии от испарителя, был осажден слой 2гОг, входящий в состав диэлектрической системы: Распределение толщины этого слоя, вычисленное по результатам измерения спектральной ¡ависимости пропускания диэлектрической системы на различных подлож-сах, проведенного на спектрофотометре СФ- 26, соответствует воронка, на-

клоненной примерно на 11,3° к плоскости испарителя и описываемой супергауссовой функцией с показателем п-3>.

Возможности проведения фотометрического контроля слоев переменной толщины были проведены на слоях металлов (Г/) и диэлектриков {2гОг и Si02). Контроль толщины слоя металла проводился при разных условиях: использовались 1) узкая щель монохроматора - фотоприемник принимает интегральное световой ноток по узкой прямоугольной площадке 2) широкая щель монохроматора - интегральный световой поток по круглой площадке, определяемой диаметром диафрагмы, необходимой для получения слоя с заданным распределением толщины. В обоих случаях были получены близкие результата, хорошо совпадающие с расчетом для этого металла.

Для экспериментальной проверки возможностей фотометрического контроля диэлектрических систем, один или несколько слоев которых имеют переменный профиль толщины, пами было выбрано зеркало: R(p) Itae'ip-,r'"; R, г 70,58%; Л0 " 1.06 мкм (для генерации Ш: YAG лазера); R < 0,1% при р > 2см. В качестве пленкообразующих материалов использованы 2гОг (мя = 1,92) и Si02 (nL= 1,45); подложка~КЯ(п,= 1,506). Структура этой системы: {ns -(0,452Я)(1,244Л)(0,94Я)(0,94Г)(0,94Я,)(0,94Г)(0,94Я) -и0}, где (0,452#)(1,244L) - для просветляющих и L\H' - для переменных слоев. Параметры вакуумной установки: 5,6 см; /¡=37,9 см; а=23 см и Я =47,3 см.

Выбрана оптимальная контрольная длина волны 1Л=3960А из формулы <5 = 2 /{д2Т1дтг}г,иш1 . Минимальное значение 5 означает максимальное изменение сигнала (максимальную чувствительность схемы контроля). В таблице приведены значения At и 8 светового пучка с радиусом г,=1,5 см для пятого контролируемого слоя. Как видно из таблицы, значения 8 могут меняться более чем на порядке (см. рис.7).

У*, (А.) T, (%) 8

при т = 1

3192 66.2 0.24

3957 92.8 -0.15

4268 75.6. 0.5

4790 95.6 -0.22

5376 80.6 1.03

5999 96.2 -0.54

9832 48 1.78

1

О-в 08

Т ,

0.7 0.6 05

О 0.2 0.4 ОЯ 0.8 1 12

т (5-ой слой )

Рис.7. Изменение пропускания во время нанесения лазерного диэлектрического зеркала. Максимальное изменение сигнала во время т= 1 соответствует минимальному значению 5, а знаки 8показывают форму этих сигналов (т.е. 8> О соответствует изменению пропускания в виде "и" при т=\, и ¿> < 0 в виде "п").

Заключение.

1.В данной работе рассмотрен процесс электронно-лучевого испарения в вакууме. Показано взаимодействие падающего электронного пучка с материалом испарителя и формирование распределения скорости испарения по поверхности испарителя.

!. Получено распределение толщины пленки на детали при электроннолучевом испарении. Рассмотрен эффект воронки, образуемой в реальном испарителе, в случае фазового перехода из твердого тела или из жидкости.

!. Проведены формулы определения, оптимальных параметров вакуумной установки с использованием планетарного вращения.

I. Предложен метод формирования градиентных пленок испарением через диафрагму на подложку, совершающую планетарное вращение. Приведены профили толщины слоя при разных относительных скоростях вращения подложек и подложкодержателя.

>. Предложен метод фотометрического контроля градиентных слоев в процессе осаждения. Разработан выбор оптимальной длины волны для контроля многослойных систем с переменным профилем толщин слоев при различных отношениях диаметра зондирующего светового пучка и посто-

янпой, определяющей ширину зоны, в которой коэффициент отражения (пропускания) системы изменяется в е раз.

6. Получены оптические пленочные системы, содержащие градиентные слои для клинового интерференционного светофильтра, металлического зеркала и диэлектрического зеркала в лазерном резонаторе.

Публикации по теме диссертации.

1. Ким Чжон Суп, Э. С. Путилин, "Математическое моделирование процесса осаждения оптических тенких пленок", тезисы международной конференции "Прикладная оптика-96", сентябрь 1996г. Санкт-Петербург.

2. Ким Чжон Суп, Э. С. Путилин, Математическое моделирование процесса осаждения оптических тенких пленок // Оптический Журнал-1997-Уо1.

64, N0. 8-е. 61-65.

3. Ким Чжон Суп, Э. С. Путилин, "Фотометрический контроль толщины слоев с переменным профилем", тезисы V Петербургского семинара-выставки "Лазеры для биологии и медицины", октябрь, 1997г. Санкт-Петербург.

4. Ким Чжон Суп, Э. С. Путилин, Исследование фотометрического контроля толщины слоев с переменным профилем // Оптический Журнал-1998-Уо1.

65, N0. 10-е. 77-80 (в печати).

5. Ким Чжон Суп, Э. С. Путилин, Формирование толщины слоев вакуумным испарением II Оптический Журнал-1998-Уо1. 65, N0. 10-е. 80-83 (в печати).

6. Ким Чжон Суп, Э. С. Путилин, Эмиссионные характеристики электроннолучевых испарений // Оптический Журнал- 1999-Уо1 66, N0. 3 (в печати).

7. Ким Чжон Суп, Э. С. Путилин, "Фотометрический контроль градиентных зеркал в процессе их изготовления", тезисы международной конференции "Прикладная оптика-98", декабрь 1998г. Санкт-Петербург.