Содержание к диссертации
Введение
1. Методы и средства контроля толщин наносимых слоев оптических интерференционных покрытий (обзор литературы) 22
2. Балансно-двухволновый метод контроля оптических толщин пленок в процессе их формирования (математическая модель.) 43
2.1. Контроль оптических толщин "четвертьволновых" слоев БДВ методом контроля 44
2.2. Влияние ошибки установки рабочих длин волн системы контроля на смещение спектральной характеристики покрытия 63
2.3. Влияние дисперсии показателя преломления наносимой пленки на смещение спектральной характеристики покрытия .65
2.4. Контроль "нечетвертьволновых" оптических покрытий БДВ методом 71
2.5. Оценка влияния спектральных характеристик источника и приемника света на величину погрешности контроля оптических толщин слоев 85
2.6. Влияние девиаций значений показателей преломления наносимых слоев на величину погрешности контроля оптических толщин 90
2.7. Использование БДВ метода контроля для определения отклонений значений показателей преломления формируемых слоев от их расчетных величин 97
2.8. Метод индикации изменений показателей преломления формирующихся слоев, основанный на совместном использовании двух методов контроля толщины (БДВ+"кварцевый") пленок 106
Выводы по главе 2 110
3. Экспериментальная реализация приборного комплекса для балансно-двухволнового метода контроля оптических толщин слоев 112
3.1. Оптическая схема контроля оптических толщин пленок 113
3.2. Оптическая схема устройства для выделения двух независимых монохроматических световых потоков из сплошного спектра входного излучения. (Дихроматор) 114
3.3. Принципиальная схема электронно-измерительного блока управления и ввода данных - УВД .118
3.4. Блок-схема и принцип работы электронно-измерительной части системы балансно-двухволнового контроля оптических толщин пленок 130
Выводы по главе 3 139
4. Применение БДВ метода при изготовлении некоторых типов многослойных интерференционных систем .140
4.1. Дихроические покрытия 140
4.2. Алгоритм расчета рабочих длин волн при сквозном контроле дихроических четвертьволновых покрытий БДВ методом 146
4.3. Результаты программного расчета оптимальных рабочих длин волн для дихроических покрытий и узкополосных фильтров 151
4.4. Работа БДВ метода контроля при изготовлении дихроических покрытий из материалов с нестабильным значением показателей преломления 156
4.5. Применение БДВ метода при контроле просветляющих покрытий, обеспечивающих эффект просветления в одной длине волны 163
Выводы по главе 4 172
5. Экспериментальные и практические результаты применения БДВ метода контроля при изготовлении оптических покрытий 174
Выводы по главе 5 200
Заключение 202
Литература 204
Приложение 214
- Контроль оптических толщин "четвертьволновых" слоев БДВ методом контроля
- Принципиальная схема электронно-измерительного блока управления и ввода данных - УВД
- Работа БДВ метода контроля при изготовлении дихроических покрытий из материалов с нестабильным значением показателей преломления
- Экспериментальные и практические результаты применения БДВ метода контроля при изготовлении оптических покрытий
Введение к работе
Актуальность темы.
Качество и надежность оптических систем во многом определяется качеством инадежностью покрытий на поверхностях оптических деталей.
Современные технологии изготовления многослойных оптических интерференционных покрытий базируются главным образом на вакуумных методах нанесения покрытий и требуют формирования на поверхностях деталей тонких слоев пленкообразующих материалов (ПОМ) с контролируемыми и воспроизводимыми параметрами. При синтезе интерференционных покрытий в расчет, как правило, закладываются характеристики самого ПОМ или же некоторые усреднешше значения показателей преломления - п; и поглощения
дп 8к „ч
к тонких слоев этого материала (иногда —,— дисперсия этих показателей),
8к дк
полученные в сходных условиях напыления.
При практической реализации оптических покрытий используемые технологии и системы контроля зачастую не позволяют учесть специфику и обеспечить воспроизводимость условий напыления отдельных слоев заданной оптической толщины. Это приводит к отличию реально получаемых характеристик слоев (№=п+ік; и і - nd; где d - геометрическая толщина слоя) от расчетных и, как следствие, к отклонению свойств готового покрытия от заданных.
Задача оптимизации технологии нанесения оптических покрытий, т.е. задача обеспечения максимального соответствия теоретических и реально полученных спектральных характеристик интерференционных систем решается, как правило, по трем направлениям:
а) путем эмпирического подбора (варьирования) и последующей максимально возможной стабилизацией технологических параметров процесса напыления;
б) путем оптимизации конструкции интерференционной системы, по
вышающей ее "устойчивость" к технологическим отклонениям параметров
слоев и погрешностям контроля их толщин;
в) путем повышения точности систем контроля толшин слоев в процес
се их осаждения.
Первый путь - эмпирическая оптимизация технологии - очень дорогостоящий и требующий больших затрат времени путь, не позволяет, однако, решать одну из основных проблем отрасли - проблему воспроизводимости свойств наносимых покрытий.
Оптимизация конструкций оптических покрытий позволяет создать границы "неопределенности" результата, однако, также не решает проблему воспроизводимости, особенно при изготовлении покрытий с очень высокими требованиями к форме и положению спектральной характеристики.
Таким образом научно обоснованную модернизацию и оптимизацию существующих технологий оптических покрытий, а также создание и разработку принципиально новых технологий (основанных, например, на одновременном нанесении разных ПОМ на одну подложку или изготовлении, так называемых, адаптивных, т.е. "самоподстраивающихся" интерференционных систем) невозможно осуществить без разработки методов и систем контроля толщин оптических покрытий в процессе их изготовления.
При этом, кроме собственно повышения точности и расширения диапазона контролируемых толщин (особенно в сторону "тонких" слоев), необходимо рассматривать тип покрытия, его конкретные характеристики, систему и методику контроля толщин пленок, а также комплекс технологического оборудования для осаждения пленок в вакууме как единую замкнутую систему, объединяемую набором описываемых аналитически причинно-следственных связей, набором выходных параметров которой являются характеристики изготовленной тонкослойной интерференционной системы.
AjqyajibHOCTb темы.
Качество и надежность оптических систем во многом определяется качеством и надежностью покрытий на поверхностях оптических деталей.
Современные технологии изготовления многослойных оптических интерференционных покрытий базируются главным образом на вакуумных методах нанесения покрытий и требуют формирования на поверхностях деталей тонких слоев пленкообразующих материалов (ПОМ) с контролируемыми и воспроизводимыми параметрами. При синтезе интерференционных покрытий в расчет, как правило, закладываются характеристики самого ПОМ или же некоторые усредненные значения показателей преломления - п; и поглощения
дп дк к тонких слоев этого материала (иногда —,— дисперсия этих показателей),
дХ дХ
полученные в сходных условиях напыления.
При практической реализации оптических покрытий используемые технологии и системы контроля зачастую не позволяют учесть специфику и обеспечить воспроизводимость условий напыления отдельных слоев заданной оптической толщины. Это приводит к отличию реально получаемых характеристик слоев (N=n+iK; и = nd ; где d - геометрическая толщина слоя) от расчетных и, как следствие, к отклонению свойств готового покрытия от заданных.
Задача оптимизации технологии нанесения оптических покрытий, т.е. задача обеспечения максимального соответствия теоретических и реально полученных спектральных характеристик интерференционных систем решается, как правило, по трем направлениям:
а) путем эмпирического подбора (варьирования) и последующей максимально возможной стабилизацией технологических параметров процесса напыления;
5) ;;у;ел! оптимизации конструкции интерференционной системы, повышающей ее "устойчивость" к технологическим отклонениям параметров слоев и погрешностям контроля их толщин;
в) путем повышения точности систем контроля толщин слоев в процессе их осаждения.
Первый путь - эмпирическая оптимизация технологии - очень дорогостоящий и требующий больших затрат времени путь, не позволяет, однако, решать одну из основных проблем отрасли - проблему воспроизводимости свойств наносимых покрытий.
Оптимизация конструкций оптических покрытий позволяет создать границы "неопределенности" результата, однако, также не решает проблему воспроизводимости, особенно при изготовлении покрытий с очень высокими требованиями к форме и положению спектральной характеристики.
Таким образом научно обоснованную модернизацию и оптимизацию существующих технологий оптических покрытий, а также создание и разработку принципиально новых технологий (основанных, например, на одновременном нанесении разных ПОМ на одну подложку или изготовлении, так называемых, адаптивных, т.е. "самоподстраивающихся" интерференционных систем) невозможно осуществить без разработки методов и систем контроля толщин оптических покрытий в процессе их изготовления.
При этом, кроме собственно повышения точности и расширения диапазона контролируемых толщин (особенно в сторону "тонких" слоев), необходимо рассматривать тип покрытия, его конкретные характеристики, систему и методику контроля толщин пленок, а также комплекс технологического оборудования для осаждения пленок в вакууме как единую замкнутую систему, объединяемую набором описываемых аналитически причинно-следственных связей, набором выходных параметров которой являются характеристики изготовленной тонкослойной интерференционной системы.
Балансно-двухволновый метод контроля оптических толщин формирующихся покрытий и система, построенная на его основе позволяет увеличить точность контроля оптических толщин пленок ''неравнотолщниных" слоев, а также реализовать объекгивную аналитическую взаимосвязь между конструкцией покрытия и технологическими параметрами ее изготовления с одной стороны и методикой, рабочими параметрами и возможностями системы контроля толщины пленок с другой.
Цель работы.
Цель работы состояла в выборе способа и разработке методик для системы контроля оптических толщин пленок в процессе их формирования, позволяющих оптимизировать процесс разработки и изготовления оптических интерференционных покрытий - увеличить степень воспроизводимости их выходных параметров и создавать покрытия с новыми (уникальными) свойствами и характеристиками.
Задачи исследований.
Для достижения сформулированной цели было необходимо решить следующие задачи:
-
Выбрать (разработать) базовый метод контроля толщин пленок оптического интерференционного покрытия в процессе их формирования.
-
Создать математическую модель системы контроля, учитывающую ее методические и аппаратурные характеристики в комплексе с конкретной конструкцией изготавливаемого покрытия и некоторыми параметрами технологического процесса.
-
Реализовать на практике полученные методики.
-
Изучить полученные с помощью созданной аппаратуры экспериментальные данные.
5. Установить, на основе полученных данных, научно обоснованную
взаимосвязь между возможностями метода, его рабочими парамет-
рами, режимами работы и спектральными характеристиками полученных покрытий
6. І'іспользовать опыт, полученный при работе с систем ой-прототип ом для выработки критериев, рекомендуемых при расчете оптических покрытий, для выработки требований к технологическим системам и устройствам для нанесения покрытий и собственно для системы контроля оптических толщин пленок в процессе их формирования, предназначенной для получения покрытий с заданными спектральными характеристиками
Методы исследования.
Для решения поставленных задач использовались следующие методы'
- систематический анализ и обобщение литературных данных с целью
использования достижений в области систем контроля оптических покрытий, синтеза и анализа интерференционных тонкослойных структур, технологии изготовления оптических покрытий и деталей для выбора оптимальных теоретических методик и технических решений, а также с целью выявления перспектив развития темы;
- универсальные методики и аппаратура для нанесения оптических по-
крытий в вакууме, адаптированных к анализу свойств и параметров системы контроля оптических толщин наносимых пленок в условиях, близких к условиям нанесения оптических покрытий на производстве;
- спектрофотометрические и гетлипсометрические методы определения
оптических характеристик тонких пленок и многослойных систем с целью установления корреляций между типом покрытия, технологическими режимами, параметрами системы контроля и характеристиками полученных покрытий.
Научная новизна.
Научную новизну работы определяют:
- Оригинальная математическая модель, разработанная применительно
к балансно-двухволновому методу контроля оптических толщин пленок в процессе их нанесения, позволяющая впервые объединить в единый комплекс составные части процесса создания оптического покрытия, а именно: тип и характеристики конкретной интерференционной системы, параметры и режимы работы системы контроля оптических толщин наносимых слоев, параметры технологического оборудования и ПОМ;
- Аналитические зависимости для количественной оценки погрешности
контроля оптических толщин слоев в зависимости от типа покрытия, режима и рабочих параметров системы контроля;
- Разработанные критерии выбора оптимальным образом реализуемых
конструкций покрытий; полученные методики полностью адаптированы под современную аппаратурную базу, на основе которой они могут получить свое дальнейшее развитие, являясь новым, эффективным средством научно обоснованной оптимизации процессов создания оптических интерференционных покрытий.
Практическая значимость и реализуемость результатов работы.
Практическая ценность работы:
- Создан комплекс фотометрического контроля толщин наносимых пле
нок балансно-двухволновым (БДВ) методом;
- Разработана методика выбора оптимальной конфигурации системы
контроля, режимов ее работы и требования к параметрам и характеристикам
основных узлов фотометрического комплекса;
- Изготовлены (на вакуумном оборудовании низкой степени автоматиза
ции - установки типа ВУ-1А и ВУ-2М), следующие покрытия:
а) дихроические покрытия со стабилизацией отрезающих фронтов спектральной характеристики не хуже ДХ05<1нм;при крутизне
фронта S = 0,12 им _1 и Tmi:4 s 0,9;
б) отрезающие фильтры, состоящие из шести различных ПОМ с
суммарной оптической толщиной (:^=63-; (Яо~508 им
и 670 нм) со стабильными значениями положения отрезающих фронтов (к0ш5 < 1 нм), крутизной S = 0,1 ни"1 и Т^^ = 0,8;
в) диэлектрические узкополосные интерференционные фильтры на
А* =404 нм (при Хтах<2-н - нижней границы рабочего спектрального
диапазона системы контроля) с точностью стабилизации длины
волны максимального пропускания ЛХтг1ах<0,3 и полушириной
спектральной характеристики - 3 нм;
- экспериментально подтверждены точностные возможности БДВ мето-
да для широкого диапазона оптических толщин наносимых слоев с относительной погрешностью контроля 0,1%;
- экспериментально подтверждены возможности изготовления так на
зываемых "адаптивных" покрытий, т.е. покрытий в процессе изготов
ления которых при БДВ контроле происходит автоматическая коррек
тировка оптических толщин слоев, вызванная неконтролируемыми
отклонениями от расчетных величин реальных значений показателей
преломления наносимых слоев;
Тема диссертационной работы была непосредственно связана с выполнением научно-исследовательских работ Ленинградского оптико-механического объединения : ТТ-2-301-81 "Разработка технологического процесса изготовления дихроических зеркал с повышенными требованиями к фиксации положения спектральной характеристики для передающих камер цветного телевидения"; и ТТ-2-601-84 "Разработка промышленной технологии нанесения высокопрочных отражающих оксидных покрытий применительно к крупногабаритным (1000-2600) оптическим деталям".
Результаты работы вошли в зарегистрированные во ВНИТИІД научно-технические отчеты по этим темам.
Результаты работ использованы также в электровакуумной лаборатории отдела 36 и в оптическом цехе №56 ЛОМО и могут использоваться в научно-исследовательских лабораториях, производственных участках при разработке и изготовлении всего спектра оптических интерференционных покрытий.
Основные результаты, выносимые на защиту:
-
Математическая модель двухволнового балансного фотометрического метода контроля оптических толщин формируемых слоев,
-
Структура системы контроля, методика ее настройки, эксплуатации и требования к основным функциональным узлам.
3 Методика выбора оптимальных длин волн, обеспечивающих максимальную точность контроля оптических толщин наносимых слоев.
4. Методика оценки влияния точности установки рабочих длин волн,
дисперсии и технологических девиаций значений показателя прелом
ления наносимых пленок на смещение спектральной
характеристики покрытия и методика компенсации погрешности
положения.
5. Методика контроля "тонких" слоев ( = — ;Х0 < X - нижняя граница
рабочего спектрального диапазона системы контроля);
6. Методика контроля "нечетвертьволновых" слоев БДВ методом;
{= —;\q = —і—-, где Х\ и кг - рабочие длины волн).
4 А,] "ЬА.2
-
Методика расчета и изготовления антиотражающих (типа V-coat) и дихроических покрытий при использовании пленкообразующих материалов с нестабильными значениями показателей преломления (эффект автоматической оперативной корреляции, автоподстройка).
-
Методика использования БДВ системы как отдельно, так и совместно с системой "кварцевого" контроля толщины пленок для оперативной индикации отклонений значений показателей преломления форми-
руемых слоев от их расчетных или экспериментально установленных величин.
-
Алгоритм расчета оптических "адаптивных" покрытий применительно к БДВ методу контроля.
-
Результаты экспериментальной проверки работы фотометрического комплекса при изготовлении дихроических, антиотражающих и узкополосных фильтрующих покрытий.
Апробация работы.
Основные научные результаты работы докладывались и обсуждались на VIII Международной конференции по инженерной оптике (Израиль, 1992) на симпозиумах по прикладной оптике (Санкт-Петербург, 1994; 1996). Основные материалы диссергации обсуждались и одобрены в 1990- 1997 гг. на научно-технических семинарах кафедры Оптических технологий СПб ГИТМО (ТУ).
Публикации. По материалам диссертационной работы опубликовано 10 научных работ и получено 5 авторских свидетельств.
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка литературы. Общий объем диссертации составляет 186 страниц машинописного текста, в том числе 35 рисунков, 26 таблиц и 5 приложений. Список литературы содержит 108 наименований.
Контроль оптических толщин "четвертьволновых" слоев БДВ методом контроля
Целью данного параграфа является определение передаточной функции устройства, реализующего БДВ метод контроля, оценка относительной погрешности контроля четвертьволновых выбор оптимальных (с точки зрения минимизации погрешности контроля) параметров и режимов работы системы контроля с учетом ее конкретных особенностей: ширины рабочего спектрального диапазона, его нижней границы, типов источника и приемника света, способа балансировки каналов и т.п.
Блок-схема системы, реализующей БДВ метод контроля оптических толщин наносимых пленок (в варианте работы по пропусканию) представлена на рис. 2.2.
Синхронизация работы всего устройства осуществляется блоком 10. Таким образом на вход блока 9 попеременно, (с частотой, задаваемой блоком синхронизации 10) поступают фотоэлектрические сигналы щищ- пропорциональные коэффициентам пропускания (отражения) контролируемого образца 3 на выбранных длинах волн Х1 и Х2 . Одной из основных функций блока 9 является сравнение сигналов, поступающих на его входы и определение момента их равенства, соответствующего равенству коэффициентов пропускания. Образцы с покрытием на длинах волн Х\ и Х2 /см. рис. 2.З./.
Влияние дисперсии показателей преломления формируемой пленки на точность контроля будет рассмотрено в разделе 2.3.
В общем виде погрешность контроля оптической толщины при БДВ методе контроля определяется зависимостью где: 5(Au) = 5(u2 + u2) - погрешность определения момента равенства сигналов, поступающих на вход схемы сравнения -"нуль"- детектора (в дальнейшем НД), входящего в преобразовательно-измерительный блок 9 (рис. 2.2)
Поскольку рассматриваемая система контроля является (по своей схеме) классическим электронно-оптическим измерительным устройством типа: источник света - контрольный образец - диспергирующая система - приемник света - электронный усилительно-измерительный тракт то очевидно, что величина отношения "сигнал-шум" такого устройства в первую очередь определяется параметрами "оптической" части прибора. А именно: параметрами и типом используемых источника и приемника света, рабочим диапазоном и линейной дисперсией диспергирующей системы, "прозрачностью" оптического тракта в выбранном рабочем диапазоне.
В разработанном устройстве в качестве источника света используется кварцевая галогенная лампа накаливания, а в качестве приемника - фотоэлектронный умножитель (ФЭУ-39, ФЭУ-51, ФЭУ-100).
Однако, это равенство выполняется только при отсутствии дисперсии показателей преломления подложки и наносимой пленки в выбранном рабочем диапазоне длин волн А-і ч- Х2.
Поскольку в данном параграфе рассматривается математическая модель ВДВ метода контроля "четвертьволновых" слоев без учета дисперсии подложки и пленкообразующего материала, то для правильной реализации ВДВ метода равенство коэффициентов пропускания (отражения) системы контроля на выбранных рабочих длинах волн Xi и Х2 должно обеспечиваться аппаратурно, еще до начала процесса осаждения (см. рис. 2.З.).
Иначе говоря, должно быть обеспечено равенство начальных сигналов на входах схемы сравнением, т.е. измерительные каналы системы контроля должны быть предварительно сбалансированы с целью устранения их начальной энергетической несимметричности - р 1(см.(2.13).
Физически это означает, что в каналы системы контроля введены дополнительные управляемые аттенюаторы-усилители (аттенюаторы - в оптических трактах измерительных каналов; усилители - соответственно в электронных), с помощью которых перед началом процесса осаждения устраняется начальная энергетическая несимметричность каналов, т.е. обеспечивается равенство начальных сигналов на входах схемы сравнения.
Анализируя полученное выражение для чувствительности контроля "четвертьволновых" слоев 1(,м)(2.22) можно сделать однозначный вывод о том, что в него входят практически все физические параметры как собственно самой системы контроля, так и непосредственно контролируемого процесса, влияющие на величину чувствительности, а именно:
- энергетические параметры одного из каналов системы (на длине волны Х2), выраженные через коэффициент - af (см. выражение (2.11)) учитывающий свойства источника света, приемника, оптической и диспергирующей систем на этой длине волны; энергетические параметры другого канала измерительной системы (на длине волны Х\\ выраженные через параметр - р - коэффициент начальной энергетической несимметричности каналов;
- параметры М; Ко и А] - коэффициенты усиления, общие для двух каналов системы; а также непосредственно физические параметры самого контролируемого процесса: толщина наносимой пленки - через длину волны А,о и показатели преломления подложки (по) и наносимой пленки (пі) - через коэффициенты А, В и С (см. выражение (2.20)) и, что совершенно логично, от выбранной рабочей пары длин волн Аи задаваемой отношением
Из формулы (2.24) видно, что для фиксированных значений показателей преломления подложки и пленки, а также при отсутствии их дисперсии, чувствительность БДВ контроля является функцией от оптической толщины наносимого слоя (чувствительность обратно пропорциональна величине Яо) и от выбранной пары рабочих длин волн, задаваемых коэффициентом К = " (см. выражение (2.23)) и являющимся коэффициентом относительной оптической толщины слоя.
Из выражения (2.29) видно, что кроме "шумового" коэффициента р и технологических параметров процесса таких как показатели преломления подложки (по) и пленки (щ), входящих в коэффициенты В и С, методическая погрешность контроля "четвертьволновых" слоев является функцией выбранных рабочих длин волн X и Х2 в свою очередь задаваемых коэффициентом К = -У-, входящим в аргумент функции.
Принципиальная схема электронно-измерительного блока управления и ввода данных - УВД
Электронно-измерительная часть ВДВ системы контроля решена в "аналоговом" варианте с использованием аналоговых операционных усилителей, аналоговых умножителей, "ключей", а также "цифровых" элементов, осуществляющих задачи управления и логического функционирования всей системы.
Принципиальная схема электронно-измерительного блока УВД изображена в приложении 1. Перечень основных элементов схемы приведен в приложении 2 (таблица 1). Временные диаграммы сигналов в некоторых точках электронной схемы (в несбалансированном установившемся режиме) даны в приложении 3.
Сигнал с выхода ФЭУ (рис. 3.4. поз.2) с частотой 127 Гц, равной удвоенной частоте вращения модулятора-коммутатора каналов (рис.3.4. поз.1) и амплитудой переменной составляющей: (3.1) поступает на вход операционного усилителя (о.у.) ДА1, обладающего большим входным сопротивлением и коэффициентом усиления 2.
Сигнал с выхода ДА1 (смотри приложение 1 контрольная точка КТ1 и график а) приложение 3.) поступает на первый вход первого умножителя УМ1 [99 стр.181, рис.4.2,г], выход которого соединен со входом мультиплексора каналов ДД1.1, управляющие входы которого коммутируется, синхронно вращению модулятора-коммутатора каналов, управляющими импульсами с выходов элементов ДД2.2 - канал %"; и ДД2.4 - канал "Яг" (приложение 3. график б). На второй вход умножителя УМі через демультиплексор ДД6.1, управляемый аналогично мультиплексору ДД1.1, поступает, синхронно с коммутацией каналов "V и "Х2" дихроматора, либо сигнал уровня Ко (общий для двух каналов коэффициент усиления), либо,, в зависимости от режима работы (положение переключателя режимов П - "четвертьволновые" или "нечетвертьволновые" слои) поступает соответственно либо сигнал Кр либо КРу.
Коммутационные сигналы, синхронизирующие работу элементов электроники с переключением каналов дихроматора, поступают с выхода компаратора (рис.3.4. поз.5), собранного на базе двух аналоговых усилителей ДА2 и ДАЗ и логических элементов ДД2.1 и ДД2.4 (приложение 1.).
Для увеличения точности контроля, зависящей от временной синхронизации управляющих импульсов, поступающих с выходов элементов ДД2.2 и ДД2.4 (приложение 1. график б), с положением модулятора, обеспечивающим полное открытие щели того или иного канала дихроматора, в схеме предусмотрены две оптронные пары светодиод-фотодиод: VD1-VD3 и VD2-VD4.
Сигнал К - общий для двух каналов коэффициент усиления поступает с потенциометра R22. Аналогичным образом в схему вводится сигнал уровня предварительной балансировки каналов - р (с потенциометра R25) и предварительного разбаланса - у (с потенциометра R28).
В зависимости от положения переключателя режимов работы П положительный потенциал (+15 В) поступает на один из управляющих входов де-мультиплексора ДД6.2, собранного (как и ДД6.1) на двух аналоговых ключах с объединенным выходом. Выход ДД6.2 соединен со вторым входом умножителя УМ2.
Первый вход ДД6.2, как и первый вход умножителя УМЗ, соединен с потенциометром R25, задающим уровень потенциала предварительной балансировки каналов - р. Второй вход ДД6.2 соединен с выходом умножителя УМЗ, второй вход которого подключен к потенциометру R28, задающему потенциал сигнала принудительного разбаланса каналов - у. Таким образом, в зависимости от положения переключателя режимов П на выходе демультип-лексора ДД6.2 соединенном со вторым входом умножителя УМ2, будет присутствовать либо сигнал уровня - р либо сигнал уровня - ру.
Следовательно, на втором входе умножителя УМ1, связанном с выходом первого демультиплексора ДД6.1 будет (в зависимости от управляющих импульсов с выходов элементов ДД2.2 и ДД2.4, зависящих , в свою очередь, от углового положения модулятора-прерывателя относительно выходной щели дихроматора) присутствовать либо сигнал уровня Ко (при открытом первом канале дихроматора с длиной волны Х\ Х2), либо сигнал р или Ру (при открытом втором канапе дихроматора с длиной волны %i).
Выход умножителя УМ1, первый вход которого через усилитель ДА1 связан с выходом ФЭУ, соединен с информационным входом мультиплексора ДД1.1, управляемого синхронно с демультиплексором ДД6.1.
Таким образом, при положении прерывателя-модулятора, обеспечивающим попадание на приемную площадку ФЭУ лучистого потока с длиной волны А,1, открываются первые каналы демультиплексора ДД6.1 и мультиплексора ДД1.1 в результате чего конденсатор С1 через резистор R10 заряжается (за время коммутации, равное приблизительно 3,0 мс) до потенциала, пропорционального величине: Uci MR--Ko-a .T ; (3.6)
Когда положение прерывателя-модулятора обеспечивает прохождение на приемную площадку ФЭУ лучистого потока с длиной волны Хг, открываются вторые каналы демультиплексора ДД6.1 и мультиплексора ДД1.1 (при этом их первые каналы уже предварительно закрыты при промежуточном положении модулятора) и на конденсаторе С2 через резистор R11 накапливается заряд с потенциалом Uc2 пропорциональном: Uc2 MRi-K0-af-р.Ть2; (3.7) для "четвертьволновых" слоев; илии M Ко-сс -.-у-Т ; (3.8) соответственно для "нечетвертьволновых".
Итак , в результате ввода внешних данных в систему контроля: Ко; (3; у; и синхронного детектирования оптических каналов системы на "запоминающих" конденсаторах С1 и С2 образуются потенциалы, пропорциональные световым потокам на длинах волн Х\ и Яг с соответствующими каждому каналу добавочными коэффициентами: Ко и Кор (КоРу). (смотри также приложение 3 Конденсаторы С1 и С2 через резисторы К12 и К13 подключены соответственно к первому и второму информационным входам третьего демуль-типлексора ДД1.2.
Входы демультиплексора, для повышения точности контроля коммутируются с высокой частотой порядка 15 кГц (см. приложение 3. графики г) и д.) сигналами с выходов Д-триггера ДД4, подключенного в режиме делителя частоты, к выходу генератора импульсов, собранного на элементах ДД3.1 и ДД3.2, резисторе К14 и конденсаторе С4. Таким образом в точке КТ2 (см. приложение 3. график е) дифференцирующей цепочки СЗ-К20, подключенной к выходу демультиплексора ДД1.2, получим последовательность импульсов частотой 750 Гц, длительностью порядка 0,3 ms, чередующейся полярности и амплитуды - U - пропорциональной разности потенциалов на "запоминающих" конденсаторах С1 и С2.
Сигнал с точки КТ2 через операционный делитель ДАЧ, имеющий большое входное сопротивление, коэффициент усиления - 1,1 и возможность балансировки выхода, попадает на вход аналогового ключа ДД5, управляемого сигналом с одного из выходов делителя частоты ДД4. Т.е. ключ ДД5 синхронизирован с одним из каналов демультиплексора ДД1.2. Сигнал с выхода ключа ДД5 "запоминается" до поступления следующего тактового импульса на управляющий вход ДД5, на конденсаторе С5 (КТЗ) интегрирующей цепочки К17-С5, имеющей постоянную времени т=0,15 ms (см. приложение 3. график ж). Поскольку информация о разности сигналов в каналах системы ВДВ контроля заложена в амплитуде импульсов в точке КТ2 и не зависит от их полярности, то, для "запоминания" этой информации достаточно синхронизировать аналоговый ключ ДД5 только с одним (любым) из каналов де-мультиплексора ДД1.2. Таким образом потенциал на конденсаторе С5 "отслеживает" разность сигналов на "запоминающих" конденсаторах С1 и С2 и пропорционален разности световых потоков в каналах " V и " V дихрома-тора с синхронно вводимыми в каждый из каналов параметрами процесса: Ко; риуо.
Сигнал с конденсатора С5 через усилитель, собранный на операционном усилителе ДА5, поступает на вход "нуль" детектора, собранного на о.д. ДА6. "Нуль" детектор отслеживает момент прохождения через ноль функции выходного сигнала и имеет бистабильный выход (±ивых), в зависимости от знака первой производной входного сигнала по времени . Чувствительность "нуль" детектора в окрестности нулевого значения входного сигнала: ±1,5 V на выходе при UBX 0,5 mV.
Работа БДВ метода контроля при изготовлении дихроических покрытий из материалов с нестабильным значением показателей преломления
Реальные значения показателей преломления пленок в той или иной степени зависят от целого ряда условий и факторов: вид пленкообразующего материала (таблетки, порошок, гранулы и т.п.); способ и скорость испарения, температура подложки; состав и давление реактивных и остаточных газов в камере; состояние вакуумной камеры; количество и тип предварительно осажденных слоев и т.д. Все эти факторы довольно сложно (а иногда и невозможно) учесть, измерить и стабилизировать, что, в свою очередь, и обуславливает неконтролируемые и невоспроизводимые от процесса к процессу девиации ±Ап значений показателей преломления наносимых слоев в окрестностях значений показателей преломления п(0) исходных пленкообразующих материалов.
Некоторые типы покрытий (узкополосные фильтры, зеркала на одну длину волны, отдельные просветляющие и светоделительные системы), а также отдельные материалы (Zn8; MgF2; Si02) малочувствительны к колебаниям An и к условиям осаждения слоев.
Однако, в подавляющем большинстве случаев, характеристики интерференционных систем в значительной степени определяются реальными значениями показателей преломления входящих в них слоев, формирующихся, как правило, из материалов чувствительных к условиям пленкообразования.
Дихроические покрытия, в силу повышенных требований к стабильности (А о,5 5 нм) и крутизне (8 0,02 нм" ) "фронтов" их спектральных характеристик, наиболее чувствительны к колебаниям показателей преломления входящих в них слоев.
Использование в качестве материалов с высоким показателем преломления таких веществ, как например, ТЮг, Т120з, Таг05 (пв=2,3+0,1) не гарантирует при современном производственно-технологическом уровне получение пленок со стабильными и воспроизводимыми значениями показателей преломления (Апв 0,05), удовлетворяющими требованиям, предъявляемым к дихроическим покрытиям.
Итак, необходимость изготовления высокоточных дихроических покрытий (ЛХо,5 2 нм) и технологическая проблематичность получения пленок со стабильным высоким значением показателя преломления (пв=2,3+0,02) обуславливают необходимость поиска других вариантов решения проблемы.
Теоретически влияние нестабильности показателей преломления слоев на ошибку положения спектральной характеристики покрытия, во многих случаях может быть скомпенсировано поправками оптических толщин соответствующих слоев . Для стабилизации положения А-0,5 и А ах У дихроических покрытий, при условии стабильности слоев с низким значением показателя преломления, достаточно вводить поправку только в текущий слой, т.е. A g =f(Aп ? ).
Таблица 4.5 иллюстрирует зависимость между отклонением показателя преломления и соответствующей поправкой оптической толщины одноименных слоев, обеспечивающей стабилизацию положения A, g и А, , для рассматриваемого типа дихроического поьфьітия.
Примечание: Рассматривается крайний случай, т.е. случай, когда отклонения показателя преломления от расчетной величины (Дп х) 2,3) наблюдаются во всех соответствующих слоях (1=1, 3, 5, 7, 9, 11).
Как оказалось (что и будет показано ниже) ВДВ метод контроля обладает всеми вышеперечисленными возможностями, причем, оперативная коррекция оптических толщин наносимых слоев, в зависимости от текущих значений их показателей преломления, осуществляется автоматически, без промежуточного анализа и участия оператора. Т.е. при определенных, заранее рассчитанных и введенных в систему параметрах процесса контроля, имеет место эффект автоподстройки.
В разделе 2.7 подробно рассматривается влияние технологических колебаний значений показателя преломления "нечетвертьволновых" слоев на относительную ошибку их оптических толщин при работе с ВДВ системой контроля.
Примечание: точность контроля "четвертьволновых" слоев, для которых выполняется соотношение (2.1), не зависит от колебаний значений показателей преломления.
В отличие от первоначального подхода, рассматривающего величину Ы как ошибку оптической толщины, вызванную отклонением величины п от расчетного значения, параметр Ы может быть интерпретирован как относительная поправка в оптическую толщину текущего слоя, компенсирующая влияние отклонения An на положение спектральной характеристики покрытия.
Из таблицы 4.6 следует, что для любого Дпв 0 моменту равенства сигналов в каналах системы контроля (моменту остановки процесса осаждения) соответствует соблюдение равенства —- = -0,32, являющееся необходимым условием обеспечения эффекта автоподстройки.
Таким образом, при изготовлении дихроических покрытий из материалов с нестабильными значениями показателей преломления, ВДВ метод ("раздельный" контроль по пропусканию) позволяет практически полностью скомпенсировать интегральную ошибку положения и формы спектральной характеристики покрытия, вызванную неконтролируемыми отклонениями значений показателей преломления слоев от их расчетных величин.
Экспериментальные и практические результаты применения БДВ метода контроля при изготовлении оптических покрытий
Эксперименты проводились на стандартной вакуумной установке типа ВУ-1А, оснащенной одним электронно-лучевым испарителем - ЭЛИ, работающим в режиме стабилизации тока эмиссии и двумя термическими рези-стивными испарителями - РИ, работающими в режиме стабилизации тока накала.
Вместо штатной системы фотометрического контроля толщин пленок СФКТ-751В установка ВУ-1А была оборудована описанной в гл. 3 системой БДВ контроля.
Кроме того, для проведения сравнительной оценки точностных возможностей двух методов, установка была дооснащена системой "кварцевого" контроля толщины пленок типа QSG-201 фирмы "Balzerz".
С целью повышения точности регистрации величин Af- изменений частоты собственных колебаний кварцевого резонатора, соответствующих моментам достижения слоем заданных оптических толщин, фиксируемых БДВ системой контроля, использовался частотомер 43-33, подключенный к выходу "смесителя" гетеродинной части системы QSG-201.
На начальном этапе испытаний ВДВ системы контроля с целью повышения степени "чистоты" экспериментов, т.е. максимального отсечения всех дополнительных моментов и факторов, влияющих на процесс формирования и параметры пленки, использовались пленкообразующие материалы со стабильными значениями и низкой дисперсией показателя преломления, а кроме того, не требующие в процессе осаждения использования реактивных технологических газов и предварительного нагрева подложки.
В качестве материалов, отвечающих таким требованиям, были выбраны сернистый цинк - ZnS (п=2,3) и фтористый магний - MgF2 (п=1,38).
Примечание: на завершающей фазе экспериментов (как будет показано ниже) все ограничения на использование различных пленкообразующих материалов будут сняты.
Фтористый магний (в виде порошка) испарялся из тигля электроннолучевого испарителя в режиме стабилизации тока эмиссии без сканирования луча, при напряжении на катоде - 6 кВ и средней скорости осаждения - 5 А/сек. Скорость осаждения фиксировалась системой QRG-201, подключенной к выходу кварцевого измерителя толщины QSG-201.
Сернистый цинк (таблетка) испарялся из лодочки типа: ВД78207Т, термическим испарителем, работающим в режиме стабилизации тока накала, со средней скоростью осаждения порядка 15 А/сек. Спектральные характеристики, изготовленных на контрольных образцах (025 мм, толщина 2 мм) покрытий, измерялись непосредственно после вскрытия вакуумной камеры, на спектрофотометре СФ-26 или Lambda-9 ("Perkin-Elmer"). В первой серии, состоящей из восьми экспериментов, наносились слои ZnS с оптической тол 4 В момент достижения слоями оптических толщин кратных р-— (р = 1,2....5), фиксируемых по сигналу с выхода "нуль-детектора" системы ВДВ контроля или по экрану осциллографа (см.гл. 3, рис. 3.4) отмеча-лись показания частотомера, т.е. фиксировались изменения частоты собст-венных колебаний кварцевого датчика -резонатора - z\ip, вызванные осаждением на его приемной площадке массы осажденного материала за время осаждения на контрольном образце очередной "четверти" ( = -) вещества, фиксируемой ВДВ системой. Т.о. Afp=fp.--fp, где: fp, fp.i - показания частотомера в момент окончания предыдущей (р-1) и нанесенной (р) "четверти" слоя.
Первые четыре из данной серии экспериментов проводились на рабочих длинах волн: A--=663 нм и Аа=470 нм Х0 = —-—550 нм ; последние четыре - на Яі=611 нм и А,2=500 нм.
Результаты экспериментов приведены в таблице 5.1. В таблице 5.1 приведены относительные изменения частоты колебаний кварцевого датчика 8fj(p), пронормированные по изменению частоты колебаний резонатора после осаждения первой "четверти" первого эксперимента - Aff = 1935 Гц. Результаты первой серии экспериментов позволяют утверждать, что при всех описанных условиях и параметрах технологического процесса, ВДВ метод контроля как минимум не уступает в точности методу "кварцевого" резонатора и явно превосходит известный фотометрический способ контроля по "экстремумам".
Есть все основания предполагать, что в случае реактивного испарения материалов или при использовании веществ с менее стабильными значениями показателей преломления, преимущество БДВ метода над "кварцевым" будет еще более существенным за счет увеличения различий в условиях формирования пленок на подложке и на приемной площадке кварцевого датчика. Пример изготовленных "полосовых" фильтров, подтверждающий это, будет приведен ниже. Следующая серия состояла из трех экспериментов по изготовлению дихроических покрытий (как наиболее чувствительным к ошибкам толщин) типа 11ПВ(НВ) , где - В и Н слои с оптическими толщинами -± (Хо = 550 нм); nB=2,3 (ZnS) и n„=l,38 (MgF2) на подложке из стекла
К8 (пп=1,52). Целью экспериментов являлась проверка точности и воспроизводимости результатов при БДВ контроле дихроических покрытий. Оценочными критериями являются положение 5 и "кругизна" - S(a) длинноволнового фронта спектральной характеристики дихроика (см.гл. 4).
