Введение к работе
Актуальность работы. В настоящее время для создания новых прогрессивных технологий изготовления элементов лазерной техники и оптоэлектроники необходимо не только детальное изучение физико-химических процессов, приводящих при "различных внешних воздействиях (механических, химических, тепловых, радиационных и т.п.) к образованию модифицированной структуры поверхностного слоя (ПС) детали, выполненной из силикатного стекла или кристалла, но также требуется разработка прецизионных методов контроля оптических характеристик элементов оптоэлектроники на всех этапах технологического цикла изготовления оптико-электронных узлов из этих элементов.
Несмотря на то, что распыление материалов с использованием
низкотемпературной газоразрядной плазмы инертных и химически активных
газов применяется в производстве элементов оптоэлектроники не один десяток
лет, до сих пор еще в недостаточной мере изучены физико-химические
механизмы, лежащие в основе формирования модифицированной структуры
ПС оптических элементов. Это связано в первую очередь с тем, что при
экспериментально-теоретических исследованиях кинетики физико-химических
процессов, протекающих при ионно-плазменной, ионно-химической и
электронно-лучевой обработке поверхности стекол и кристаллов, как правило,
используют такие понятия как "сколы" или "разломы" материалов. В то же
время, при механической обработке оптических деталей на поверхности уже
образуются неоднородные слои, а сама поверхность не является геометрически
плоской границей раздела сред. Применение упрощенных моделей для
описания физико-химических свойств поверхности элементов
оптоэлектроники со структурой ПС модифицированной пучками ионов и электронов в значительной степени препятствует объективной оценке качества изготовления этих элементов.
Для формирования научных представлений о природе и физико-
химических механизмах, приводящих к образованию на оптических элементах
неоднородных и анизотропных ПС с измененной структурой и
микрогеометрией поверхности детали при облучении ионными или
электронными пучками, необходимо не только выяснить основные
закономерности изменения состава, структуры и оптических свойств ПС на
различных этапах получения элементов оптоэлектроники с заданными физико-
техническими характеристиками, но также установить истинные
корреляционные связи между оптическими свойствами ПС и
технологическими параметрами процесса изготовления детали.
Для достаточно обоснованного прогноза в изменении оптических свойств поверхности детали при различных внешних воздействиях необходимо знать оптический профиль слоя - его вид и градиентные характеристики, а также определять геометрические параметры шероховатой поверхности и микроскопические характеристики энергетического микрорельефа поверхности.
Поэтому, первоочередной задачей, оптимизации технологических режимов ионно-плазменной, ионно-химической и электронно-лучевой обработки оптических деталей, является разработка поляризационно-оптических и спектроскопических методов технологического контроля физико-химического состояния поверхности детали, учитывающих неоднородное строение ПС и изменение микрорельефа поверхности оптического элемента.
Цель настоящей работы состояла в усовершенствовании известных и разработке новых поляризационно-оптических методов контроля физико-химических свойств поверхностных слоев элементов оптоэлектроники в процессе модификации структуры силикатных стекол и кристаллов ионными и электронными пучками.
Для достижения указанной цели в работе решались следующие основные задачи:
- разработка методов физико-математического моделирования структуры
неоднородных поверхностных слоев в рамках феноменологического подхода к
описанию их макро- и микроскопических характеристик;
- разработка методик эллипсометрического и спектроскопического
анализа поляризационно-оптических свойств неоднородных и анизотропных
поверхностных слоев и шероховатой поверхности неоднородной подложки;
- изучение основных закономерностей изменения поляризационно-
оптических свойств и физико-химических механизмов формирования неодно
родной структуры поверхностного слоя при ионной, ионно-химической и
электронно-лучевой обработке силикатных стекол и кристаллов;
- разработка на основе полученных экспериментальных данных
оптимальных технологических режимов ионного и электронно-лучевого
облучения поверхности оптических элементов для лазерной техники с
минимальными потерями излучения в УФ области спектра.
Научная новизна работы состоит в том, что:
-обобщены теоретические рассмотрения задачи отражения поляризованного света от неоднородных отражающих систем при макро- и микроскопическом описании их поляризационно-оптических свойств в приближении теорий отражения поляризованного света Друде-Борна и Сивухина-Пикуса;
-получены уравнения эллипсометрии для осесимметричных неоднородных анизотропных отражающих систем и шероховатой поверхности неоднородной подложки в приближении теорий отражения поляризованного света Рэлея-Райса и Друде-Борна;
-изучены основные закономерности изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от неоднородных слоев и шероховатых поверхностей диэлектриков и полупроводников, на основе которых развиты методы физико-математического моделирования неоднородных отражающих систем;
- в рамках макро- и микроскопических параметров поверхностных слоев
изучены поляризационно-оптические свойства и физико-химические
механизмы формирования дискретной и континуальной неоднородности
структуры ПС элементов оптоэлектроники в процессе различных внешних воздействий на поверхность детали ионными и электронными пучками излучения;
- методами эллипсометрии, ВУФ и ИК спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной и Оже-спектрометрии проведено исследование корреляционных связей между оптическими и физико-химическими характеристиками неоднородных поверхностных слоев силикатных стекол, образующихся при механической, ионной и электронно-лучевой обработке элементов оптоэлектроники и лазерной техники;
- изучены физико-химические механизмы и кинетика формирования выщелоченного слоя и сегрегации щелочных компонентов в глубине поверхностного слоя неоднородной структуры поверхностного слоя при ионной, ионно-химической и электронно-лучевой обработке поверхности элементов оптоэлектроники, изготовленных из натриевосиликатного стекла.
Результаты, выносимые на защиту:
1. Метод решения задачи отражения поляризованного света от
анизотропных осесимметричных многослойных оптических систем,
основанный на применении теории возмущений к рекуррентным соотношениям
Абеле, позволяющий получить аналитическое уравнение эллипсометрии для
определения оптических характеристик неоднородных анизотропных
поверхностных слоев элементов оптоэлектроники, выполненных из силикатных
стекол и кристаллов.
-
Методы эллипсометрического анализа и измерений поляризационнс— оптических характеристик отражающих систем и элементов оптоэлектроники, основанные на физико-математическом моделировании неоднородной структуры поверхностного слоя, позволяющие определять оптимальные условия эксперимента и провести высокоточные измерения параметров оптических систем при экспериментальных условиях, когда наилучшим образом обеспечиваются метрологические возможности используемой спектроэллипсометрической аппаратуры.
-
Метод аттестации потерь оптического излучения в элементах лазерной техники при совместном использовании эллипсометрической и спектрометрической аппаратуры, позволяющий по поляризационно-оптическим параметрам шероховатой поверхности неоднородной подложки различать потери оптического излучения в поверхностном слое внутрирезонаторных элементов ионных лазеров и определить коэффициент ослабления излучения в материале оптической детали с погрешностью S,, <0,02%.
-
Установлена общая закономерность изменения оптических свойств при обработке поверхности радиационными пучками натриевосиликатных стекол по глубине поверхностного слоя, заключающаяся в образовании в приповерхностной области выщелаченного слоя с показателем преломления меньше объемного значения и формировании в глубине поверхностного слоя области с показателем преломления больше объемного значения.
5. Двухстадийное ионно-плазмешюе распыление поверхностного слоя полированного кварцевого стекла низкоэнергетическими пучками ионов Аг+ с последующей низкотемпературной обработкой, что позволяет уменьшить потери оптического излучения в БУФ области спектра на внугрирезонаторных элементах ионных лазеров до 10—20% в области спектра илучения Х~145-163 нм.
Практическая значимость работы состоит в том, что
— разработанные методы эллипсометрического контроля оптических
характеристик неоднородных отражающих систем и шероховатых слоев
являются достаточно универсальными, и что позволяет использовать их при
решении широкого круга научных и технологических задач на ряде
производств элементов лазерной техники и оптоэлектроники;
— установленные корреляционные связи между оптическими параметрами
поверхностного слоя и технологическими режимами ионно-плазменной и
ионно-химической обработкой элементов лазерной техники, выполненных из
кристаллического и плавленого кварца, позволили разработать критерии
качества внутрирезонаторных элементов для ионных и эксимерных лазеров с
минимальными потерями излучения в ВУФ и УФ области спектра;
Полученные результаты диссертационной работы были использованы для технологического контроля кинетики физико-химических процессов формирования неоднородных структур поверхностных слоев элементов оптоэлектроники на предприятиях ООО «Кварцевое стекло», ФГУП НИТИОМ ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова.
Личный вклад автора. Все результаты, представленные в диссертации, получены либо лично автором, либо по его инициативе и при его непосредственном участии.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на VI Международной конференции "Прикладная оптика" (г.Санкт-Петербург, 2004 г.), на VII Международной конференции "Прикладная оптика" , проводимой в рамках Международного конгресса "ОПТИКА XXI век" (г.Санкт-Петербург, 2006 г.), на III Межвузовской конференции молодых ученых (г.Санкт-Петербург, 2005 г.), на XXXII, XXXIII и XXXIV научно-технических конференциях ППС СПб ГУ ИТМО (г.Санкт-Петербург, 2003,2004, 2006 г.).
Публикации. Материалы диссертационной работы опубликованы в 13 научных трудах, в том числе в 2 научных статьях в научно-техническом вестнике СПб ГУ ИТМО, входившего в перечень 2001-2008 г.г. ВАК для ведущих рецензируемых научных изданий для докторских диссертаций, а также в 3 научных статьях в рецензируемых журналах, рекомендованных ВАК для докторских диссертаций (перечень от 01.01.2007 г.).
Структура и объем диссертации. Диссертационная работа состоит нз введения, четырех глав, заключения, приложения, списка литературы, включающего 201 наименование, содержит 186 страниц основного текста, включая 42 рисунка и 14 таблиц.
