Введение к работе
Актуальность темы. В настоящее время для создания новых прогрессивных технологий изготовления элементов лазерной техники, градиентной и интегральной оптики, микроэлектроники необходимо не только детальное изучение физико-химических процессов, приводящих при обработке детали к образованию модифицированной структуры поверхностного слоя (ПС), но также требуется разработка прецизионных методов контроля состояния поверхности детали на всех этапах технологического цикла получения этих элементов.
Выяснение общих закономерностей изменения оптических характеристик модифицированных ПС на различных этапах получения градиентных элементов позволит установить истинные корреляционные связи между оптическими свойствами слоя и технологическими параметрами процесса изготовления детали, что может способствовать решению широкого круга научных и технических задач оптоэлектро-ники.
Однако возможности эллипсометрии для контроля качества обработки поверхности деталей до сих пор используются еще недостаточно широко, особенно для изделий выполненных из анизотропных и химически нестойких материалов. Это обусловлено ,в первую очередь, тем, что при обработке таких материалов образуются, как правило, неоднородные ПС и изучение их оптических свойств в рамках традиционного подхода в эллипсометрии, предполагающего геометрически резкую границу раздела сред и оптическую однородность слоя, не всегда допустимо и ,в частности, при оценке глубины структурных искажений в ПС.
Потребности практики в технической реализации принципиально новых технологий изготовления градиентных оптических элементов заставляют при эллипсометрических исследованиях физико-химических процессов формирования модифицированной структуры ПС применять широкий класс ранее не используемых моделей отражающих систем и ужесточать требования к принимаемым решениям о соответствии той или иной модели ПС объекту исследования.
Для достаточно обоснованного прогноза в изменении оптических свойств поверхности детали при различных внешних воздействиях необходимо знать оптический профиль слоя - его вид и градиен-
тные характеристики, а также определять параметры шероховатой поверхности.
Цель работы состояла в развитии приборно-методического
направления в эллипсометрии неоднородных отражающих систем и шероховатых поверхностей элементов лазерной техники,интегральной и градиентной оптики.
Для достижения указанной цели в диссертации решались следующие основные задачи:
разработка метода решения задачи отражения поляризованного света от неоднородных анизотропных слоев;
разработка методик эллипсометрического анализа неоднородных отражающих систем и шероховатых поверхностей;
изучение основных закономерностей изменения поляризацией-но-оптических характеристик поверхностных слоев при различных способах технологической обработки оптических элементов, выполненных из силикатных стекол и кристаллов;
развитие на основе полученных экспериментальных данных существующих представлений о физико-химических механизмах формирования неоднородной структуры поверхностного слоя при механической, химической и ионной обработке силикатных стёкол и кристаллов.
Научная новизна работы состоит в том .что
обобщены теоретические рассмотрения задачи отражения поляризованного света от неоднородного анизотропного слоя при произвольном законе изменения главных значений тензора диэлектрической проницаемости и угла ориентации оптической оси по его глубине в приближении Друде-Борна;
изучены основные закономерности изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от неоднородных слоев и шероховатых поверхностей;
получено уравнение эллипсометрии для отражающей системы неоднородная пленка-неоднородная подложка, на основе которого развиты методы эллипсометрического анализа вида оптического профиля аксиальных граданов и оптических характеристик неоднородной пленки в процессе ее послойного наращивания или стравливания;
получено уравнение эллипсометрии для шероховатой поверхности неоднородной подложки и изучены основные закономерности изменения топографии поверхности оптических элементов при ион-но-плазменной и ионно-химической обработке;
методами эллипсометрии и спектроскопии Оже-электронов и обратного рассеяния протонов проведено исследование корреляционных связей между оптическими и концентрационными характеристиками неоднородных поверхностных слоев оптических элементов и изучены основные закономерности их изменения в процессе полирования силикатных стекол;
изучены оптические свойства поверхностных слоев, образующихся в процессе стационарного и нестационарного выщелачивания силикатных стекол;
на основе макро- и микроскопического подходов к описанию оптических свойств границы раздела сред исследованы физико-химические процессы ионной обработки стекол и кристаллов приводящие к появлению в поверхностных слоях оптических элементов "дискретной" и "континуальной" неоднородности.
Научные положения и результаты, выносимые на защиту:
1.Метод решения задачи отражения поляризованного света от неоднородных анизотропных слоев с произвольным законом изменения главных значений тензора диэлектрической проницаемости и угла ориентации оптической оси по глубине поверхностного слоя одноосного кристалла, основанный на применении теории возмущений к рекуррентным соотношениям Абеле, позволяет обобщить существующие теоретические рассмотрения задачи отражения света в приближении Друде и Борна.
2.Тип поляризации отраженного светового пучка, величина отклонения угла поляризации от угла Брюстера и зависимости поляризационных параметров Д и от угла падения светового пучка ср определяются структурой неоднородной отражающей системы, что позволяет в рамках метода эллипсометрии различать эффекты в изменении состояния поляризации светового пучка вызванные наличием на поверхности оптических элементов шероховатости, поглощающих, диэлектрических и неоднородных слоев с различным видом оптического профиля.
- б -
3.Метод последовательного эллипсометрического анализа неод нородннх отраглющих систем, основанный на математическом моделировании вида оптического профиля, позволяет определять оптимальные условия эксперимента, при которых можно сравнивать различные по своему физическому содержанию модели поверхностного слоя при наименьшей вероятности ошибки в оценки их адекватности объекту исследования, и проводить высокоточные измерения их оптических параметров ври экспериментальных условиях наилучшим образом обеспечиваюіцих метрологические возможности аппаратуры.
4.Одновременное использование методов эллипсометрии и вол-новодной спектроскопии позволяет при совместном решении обратной задачи ВКБ и эллипсометрии реконструировать оптический профиль маломодовых волноводов неразрушающим способом.
5.Метод эллипсометрического контроля параметров шероховатой поверхности, позволяет при многоугловых измерениях поляризационных характеристик Д и У определять среднеквадратическую высоту микрорельефа б и корреляционное расстояние г при наличии на поверхности элемента неоднородного слоя.
6.Результаты исследования 'основных закономерностей изменения оптических свойств поверхностных слоев в процессе механической обработки силикатных стекол, в итоге которых установлена общая для химически стойких и нестойких силикатных стекол закономерность, заключающаяся в квазипериодическом изменении показателя преломления и толщины ПС с течением времени полирования. Показано, что отличие оптических свойств ПС от свойств объема стекла при полировании и ионной обработке будут тем больше, чем больше глубина нарушенного слоя, величину которой можно определить методом ИК-эллипсометрии.
Практическая значимость работы состоит в том , что
разработанные методы эллипсометрического контроля оптических характеристик неоднородных отражающих систем являются достаточно универсальными и использованы при решении широкого круга научных и технологических задач в ряде производств элементов лазерной техники, оптоэлектроники, интегральной и градиентной оптики;
установленные корреляционные связи между оптическими и концентрационными характеристиками поверхности детали и техноло-
гическими параметрами ее обработки использованы для оптимизации технологических режимов механической, химической., ионной обра ботки стекол и кристаллов с целью получения изделий с высокой химической устойчивостью и минимальными потерями излучения в видимой и УФ-областях спектра.
Реализация результатов работы отражена в восьми актах внедрения от предприятий и организаций, в том числе МЗЛЗ (г.Москва) , МИЭА (г.Москеэ), НИТС (г.Москва), ГИПО (г.Казань), НИИ ОС и ВТ (г.Минск), ЦКБ "Пеленг" (г.Минск), НИИ "Домен" (г.С-Петербург). ( акты внедрения представлены в приложении 2).
Апробация работы. Основные результаты работы обсуждались на
XIV научно-технической конференции молодых специалистов ГОИ им С.И.Вавилова (г.Ленинград,1982 г.), на I. и II Всесоюзной конференции молодых ученых и специалистов "Теоретическая и прикладная оптика" (г.Ленинград,1984г.,1986 г.), на конференции молодых ученых и специалистов ЛФИМАШ АН СССР "Научные проблемы современного машиноведения" (г. Ленинград,-1987г), на V Всесоюзной конференции по кварцевому стеклу (г.Ленинград, 1983г.), на VIII Всесоюзном совещании "Стеклообразное состояние" (г.Ленинград, 1986г.), на VI и VII Всесоюзном симпозиуме "Оптические и спектральные свойства стекол" (г.Рига,1986г., г.Ленинград,1989 г.), на VI Всесоюзной конференции "Фотометрия и ее метрологическое обеспечение" (г.Москва,1986г.), на III и IV Всесоюзной конференции "Эллипсометрия - теория, методы, приложения" ( г.Новосибирск, 1985г.,1989г.)
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в
26 научных трудах, в том числе 16 научных статьях.
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит
из введения, пяти глав, заключения, списка литературы, включающего 142 наименований, двух приложений; содержит 167 страниц основного текста, 30 рисунков и 22 таблицы.
