Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Фильтрация излучения 12
1.1. Общие принципы фильтрации проходящего излучения 12
1.2. Принципы просветления поверхностей 19
1.3. Выделение рабочих полос спектра
1.3.1. Блокирующие фильтры 33
1.3.2. Полосовые интерференционные фильтры 39
1.3.3. Фильтры для многоканальных радиометров 42
1.3.4. Солнечнослепые фильтры 47
Выводы 52
Глава 2. Синтез блокирующих фильтров 54
2.1. Синтез и свойства спектроделителей при нормальном падении излучения 54
2.2. Влияние поглощения в слоях на оптические свойства блокирующих фильтров 67
2.3. Свойства блокирующих фильтров при наклонном падении излучения 76
2.4. Свойства блокирующих систем в сходящихся пучках излучения 79
Выводы 83
Глава 3. Узкополосные фильтры 85
3.1. Характеристики фильтров Фабри-Перо при нормальном падении излучения 86
3.1.1. Фильтры Фабри-Перо на основе пленок металлов 86
3.1.2. Особенности фильтров Фабри-Перо с диэлектрическими зеркалами 97
3.1.3. Влияние шероховатости поверхности подложки и неоднородности пленок по толщине на оптические свойства фильтров 106
3.1.4. Влияние пористости слоев фильтра на его свойства 115
3.1.5. Синтез металлодиэлектрических фильтров (просветление металлических слоев) 117
3.2. Характеристики фильтров Фабри-Перо в наклонных и сходящихся пучках излучения 135
3.2.1. Эффекты, связанные с поляризацией света 135
3.2.2. Характеристики фильтров Фабри-Перо при наклонном падения излучения 137
3.2.3. Характеристики фильтров Фабри-Перо в сходящихся пучках излучения и управление ими 144
3.3. Влияние условий эксплуатации на свойства и устойчивость узкополосных фильтров 147
3.3.1. Влияние температуры на оптические свойства узкополосного фильтра 148
3.3.2. Старение фильтров 152
3.3.3. Воздействие влажности и защита фильтров 155
3.3.4. Принцип оценки долговечности фильтров 157
Выводы 162
Глава 4. Методы измерения оптических постоянных пленок 164
4.1. Оптические постоянные материалов 165
4.2. Общие выражения для оптических свойств тонких пленок .175
4.3. Расчет оптических постоянных тонких пленок
4.3.1. Интерферометрические оценки параметров прозрачной пленки . 182
4.3.2. Оптические постоянные тонких пленок по данным спектрофотометрических измерений 183
4.3.3. Эллипсометрическое определение оптических постоянных .
4.4. Измерение малого поглощения методами эллипсометрии и нарушенного полного внутреннего отражения 202
4.5. Специальные методы определения малого поглощения в пленках 210
4.6. Некоторые замечания о свойствах реальных пленок J212
Выводы 215
Глава 5. Подложки для оптических покрытий 216
5.1. Оценка шероховатости подложки 217
5.2. «Внутренние» параметры поверхности после обработки
5.2.1. Модель нарушенного слоя 221
5.2.2. Программа расчета параметров модели 228
5.2.3. Обсуждение результатов расчета параметров 231
5.3. Усовершенствование методики оценки нарушенного слоя 237
Выводы 240
Глава 6. Некоторые вопросы изготовления покрытий 241
6.1. Влияние условий при нанесении пленок испарением и конденсацией в вакууме на их физические свойства 243
6.2. Флуктуации толщин слоев, возникающие при конденсации из молекулярного пучка 250
6.3. Методы измерения толщины пленок в процессе их роста. 256
6.4. Оптический метод контроля толщин слоев в процессе роста 257
6.5. Моделирование оптического контроля 260
6.6.Создание автоматизированных установок для получения многослойных интерференционных покрытий 262
6.7. Пути развития автоматизации вакуумного нанесения оптических покрытий 266
Выводы 271
Заключение 273
Список литературы
- Выделение рабочих полос спектра
- Свойства блокирующих фильтров при наклонном падении излучения
- Синтез металлодиэлектрических фильтров (просветление металлических слоев)
- Интерферометрические оценки параметров прозрачной пленки
Введение к работе
Актуальность работы.
Оптика тонкослойных интерференционных покрытий начала интенсивно >азвиваться после второй Мировой войны, когда потребовались самые >азнообразные приборы наблюдения. Наиболее широкое применение получили гросветляющие покрытия на поверхностях оптических деталей. В это же время, в :вязи с задачами приборостроения, появилась необходимость в выделении участков яекгра различной ширины, несущих информацию о наблюдаемых предметах, что і определило широкое использование интерференционных фильтров. Общие принципы расчета оптических свойств многослойных интерференционных сокрытий были заложены трудами А.Г. Власова, Т.Н. Крыловой, П.Г. Карда, П.Х. їернинга, О.С. Хсвенса и многих других. Так, А.Г. Власов сформулировал екуррентный метод расчета, основанный на применении лучевых представлений, взвитый затем Т.Н. Крыловой. П.Ґ. Кард и другие развили матричный метод, снованный на решении волнового уравнения. Однако построение общих принципов асчета оказалось недостаточным для решения конкретних задач, связанных с зготовлением оптических покрытий. Это послужила основой для постановки задачи интеза интерференционных пленок т.е. нахождение состава покрытия по заданным пекгральным характеристикам. Решение этой задачи проводилось обычным іетодом вариационной минимизации функционала, характерного для некорректных адач. Наиболее значимые результаты были получены Ш.А. Фурманом, А.В. ихонравовым, И.М. Минковым, которые, не проводя исследований отдельных лассов интерференционных пленок, сразу перешли к решению задачи синтеза нтерференционных покрытий по заданным оптическим свойствам. В то же время ыяснилось, что решение задачи синтеза для многослойных интерференционных ленок не однозначно и зависит от начальных значений варьируемых параметров юказатели преломления слоев и их толщины), т.е. необходимо находить критерии
правильного выбора начального приближения. Определение подобных критериев требует проведения специального теоретического исследования для каждого класса интерференционных пленок.
Одновременно выяснилось, что физические свойства тонких пленок материалов не совпадают с таковыми для массивного образца и зависят от технологии их получения. Это потребовало расширения теоретических и экспериментальных исследований в направлении изучения оптических свойств тонкослойных интерференционных покрытий и разработке новых методов экспериментального исследования физических и технических свойств материалов в тонких пленках. Важность этих направлений для современной науки и техники трудно переоценить.
Цель работы.
Целью настоящей диссертационной работы является создание теоретической базы для разработки интерференционных фильтрующих покрытий, а также алгоритмов и методов расчёта их оптических характеристик; исследование одно- і; многослойных покрытий; разработка физических основ получение интерференциойных систем с заданными параметрами.
Научная новизна.
-
Развит теоретический подход к синтезу просветляющих интерференционны* покрытий н на его основе впервые проанализированы фильтрующие свойств; системы оптических просветленных поверхностей.
-
Построена теория блокирующих интерференционных фильтров. Впервые показана малая чувствительность спектральных характеристик к углу паденю излучения на фильтр и поглощению в составляющих его слоях.
-
Впервые с единых позиций проанализированы оптические свойств* узкопОлосных диэлектрических и металлодиэлектрических фильтров; показано что эти системы отличаются существенной чувствительностью к качеству граничных поверхностей.
к Впервые разработаны высокоэффективные методики расчета оптических
постоянных тонких интерференционных пленок. і. Впервые предложена и апробирована математическая модель, которая
описывает оптические свойства нарушенною слоя на Поверхности массивной
подложки, возникающего за счет механических воздействий при её обработке. Практическая ценность работы. Полученные в работе теоретические и экспериментальные результаты позволяют оздать базу для решения ряда крупных задач в области оптического риборостроения:
выделение спектральных областей в оптических приборах различного
назначения;
создание новых элементов мощных лазерных'систем;
создание технологии изготовления интерференционных покрытий. На защит)' выносятся следующие положения:
Система просветленных Оптических поверхностей обладает свойством илътрации проходящего излучения; методы расчета состава просветляющих окрыгай.
Введение огибающих спектральной прозрачности позволяет описать оптические юйства блокирующих фильтров; оптимизация прозрачности блокирующего ильтра осуществляется путем выбора параметров системы, обеспечивающих данные свойства огибающих.
Образование дублетной структуры полосы пропускания узкополосных фильтров наклонных пучках излучения обусловлено различием отражения s- и р-компонент $лучения от зеркал резонатора; устранение дублетной структуры полосы юпускания узкополосного фильтра в наклонном пучке излучения осуществляется тем специального выбора показателя преломления резонансного слоя.
Обеспечить сохранение спектральных свойств узкополосных фильтров в
сходящихся пучках излучения возможно:
специальным распределением толщины всех слоев по поверхности фильтра;
специальным выбором показателей преломления всех слоев фильтра.
-
Физическая модель влияния шероховатости поверхностей слоев и подложкі на полуширину полосы прозрачности фильтра и его максимальное пропускание.
-
Фюическая модель фильтрации излучения металлическим слоем, находящима в узле стоячей волны.
-
Анализ огибающих к спектральной прозрачности диэлектрической илі полупроводниковой плёнки в сочетании с методами эллипсометрий и МНПВ( позволяет повысить точность расчета оптических постоянных плёнок и измерит малое поглощение в них.
-
Механическая обработка поверхности подложки приводит к появление оптической неоднородности, средний размер которой экспоненциально уменьшаете с удалением от поверхности Вглубь материала; экспериментальные метод] определения параметров неоднородного слоя.
Внедрение. Все результаты, полученные автором при проведении работы, внедрены производство ФНПЦ ГИПО и ряде предприятий отрасли.
Личным вклад автора. Автору принадлежат постановка задач, нахождение методов и путей их решенге развитие и обоснование экспериментальных методик; получение, интерпретация обобщение данных экспериментальных и теоретических исследований.
Апробация работы.
Основные результаты диссертационной работы легли в основу многк
технологических разработок лаборатории вакуумных покрытий ФНПЦ ГИПО і
созданию щгтерференционньк покрытий для приборов, выпускавшихся в институ
и отрасли. Успешное выполнение этих работ достаточно полно характеризуі
проведенные исследования.
Кроме того, основные материалы работы докладывались на: VI1 Симпозиуме по физическим свойствам и электронному строению переходных металлов и соединений (Киев, 1969г.); V Всесоюзной научно - технической конференции "Новые зазработки и исследования струйных, механических, электрофизических, ;орбционных и других типов вакуумных насосов" (Казань, 1972г.); Всесоюзной аэнференции "Теория и практика алмазной абразивной обработки деталей приборов і машин" (Москва, 1973 г.); Всесоюзном семинаре "Методы синтеза и применение многослойных интерференционных систем" (Москва, 1984 г.); VII Всесоюзной сонференции по физике вакуумного ультрафиолета й его взаимодействию с ієщєством ВУФ-86 (Эзерниеки, 1986г.); Всесоюзных конференциях "Фотометрия і ее метрологическое обеспечение" (Москва, 1986г. и 1988г.); IV Всесоюзной конференции "Эллипсометрия - метод исследования поверхности твердых тел" Новосибирск 1989г.); VI Всесоюзном совещании "Применение іеталлоорганических соединений для получения неорганических покрытий и іатериалов" (Нижний Новгород 1991г.); отраслевых совещаниях по новым открытиям и оптической технологии (Москва, 1976, 1977, 1979, 1980, 1981гг.) и 1 траслевом семинаре "Автоматизация оптических приборов" (Ленинград 1987г.).
Публикации по работе. Список трудов автора по теме диссертации включает 81 сообщение. Из них 2 вторских свидетельства, 4 аналитических обзора, 1 отчет по гранту АНТ.
Структура и объем работы.
Выделение рабочих полос спектра
При наличии нескольких источников, естественно, просто выделить излучение одного источника на фоне второго невозможно, так как характер частотного спектра излучения у них одинаков и определяется функцией Планка. Различие в интенсивности излучения определяется температурами источников, но в выражении (1) под величиной 1(к) надо в этом случае понимать сумму интен-сивностей всех действующих источников. При хорошей прозрачности атмосферы это различие приводит только к усложнению суммарного спектра.
Электрический сигнал, вырабатываемый фотоприемником, пропорционален интенсивности излучения в точке приема, проинтегрированной по полосе принимаемого спектра. В то же время, основная информация, получаемая из измерения спектра приходящего на приемник излучения, как правило, содержится только в сравнительно узкой полосе частот. Для получения этой информации следует выделить из общего спектра именно эту информативную полосу частот, что и является основной задачей фильтрации.
Ширина полосы принимаемого участка спектра определяется назначением данного прибора и уровнем помех (световых и электрических), сопутствующих процессу измерения. Очевидно, что чем меньше ширина полосы принимаемого спектра, тем меньше энергия, поступающая на фотоприемник, и тем меньше сигнал. С другой стороны, расширение полосы частот принимаемого спектра, если оно не оправдано получением необходимой информации, приводит к общему повышению энергии сигнала и снижению его информативности, что дает увеличение шума. Таким образом, неоправданное сужение или расширение принимаемой области спектра энергетически не выгодно и необходимо подбирать оптимальное значение ширины выделяемой спектральной полосы в соответствии с решаемой задачей.
Оптические системы состоят из довольно большого числа поверхностей и общие потери на отражение от входящих поверхностей оказываются весьма значимыми. Оценка электрического сигнала фотоприемника, пропорционального интенсивности излучения, попадающей на фотоприемник после прохождения оптической системы, может быть выполнена по следующему выражению:
Здесь под Fi (S,s)- понимается функция распределения углов падения на поверхности элементов системы, F2(A,,s,S,i) - спектральная чувствительность используемого фотоприёмника, Tj - пропускание j-ro элемента, которое при отсутствии поглощения в элементе может быть представлено как (1-Rj)2 , где Rj - отражение на одной поверхности элемента (такими элементами могут быть и фильтры, включаемые в общую систему). Ч" - включает в себя прозрачность атмосферы и коэффициент є. Величина у - коэффициент пропорциональности, определяемый приемной системой. Эти величины не входят в решаемые нами задачи и, поэтому, мы будем считать их известными. Величина і - электрический сигнал, снимаемый с фотоприемника. Это выражение сложно для элементарных оценок. Точный энергетический расчет системы должен выполняться на ЭВМ при проектировании системы.
В ряде случаев, в оптических системах используются отражающие элементы. Энергетическая оценка таких систем также выполняется по (3), но под пропусканием соответствующих элементов понимается их коэффициент отражения. Заметим, что в некоторых случаях использование отражающих систем энергетически более выгодно тем более, что эти элементы могут дополнительно выполнять и фильтрующие функции.
Все оптические материалы, используемые для изготовления оптических элементов, прозрачны в ограниченной спектральной области. За границами этих областей собственное поглощение материалов велико, что приводит к некоторой начальной фильтрации проходящего излучения (выделяется некоторая спектральная область). В приведенном выражении (4) это легко учитывается в функциях прозрачности отдельных элементов. Используемые фотоприемники также чувствительны только в ограниченных областях спектра. Таким образом в (4) легко учитывается начальная фильтрация прошедшего излучения, т.е. выделяются рабочие области спектра. Эти области достаточно широки и требуют применения дополнительных фильтрующих элементов.
При достаточно большом числе элементов в системе ее прозрачность оказывается малой из-за потерь излучения на отражение от поверхностей отдельных элементов. Особенно сильно это проявляется в оптических системах, работающих в инфракрасном диапазоне спектра. В этом случае оптические элементы изготавливаются из прозрачных полупроводниковых кристаллов, имеющих большой коэффициент отражения. С целью снижения этих потерь на поверхности оптических элементов наносят покрытия, снижающие отражение [3-6]. Эти покрытия могут быть селективными или ахроматическими, что определяется решаемыми задачами. В любом случае они обеспечивают некоторую фильтрацию проходящего излучения. В качестве примера, поясняющего необходимость нанесения просветляющих покрытий, рассмотрим объектив прибора, работающего в области спектра 8 - 12.5мкм. Обычно для изготовления оптических элементов для указанной области спектра используется монокристаллический германий. Для системы из четырех линз прозрачность оказывается равной 0.0281 от исходной и определяется потерями на отражение. Наличие просветляющих покрытий позволяет поднять прозрачность системы линз практически до еди 16 ницы. На рисунке 1 показана спектральная характеристика прозрачности одной просветленной поверхности из германия и спектральная характеристика, соответствующая всему объективу, состоящему из четырех или семи линз. Конкретизация просветляющих покрытий, приведенных на рисунке 1, дана ниже. Из этого рисунка наглядно видно фильтрующее действие просветления на поверхностях объектива. При получении этих спектральных характеристик мы пренебрегли поглощением в германии, учет которого, естественно, приведет к снижению прозрачности системы на выходе. Однако, в нашу задачу входит только показ возможности повышения прозрачности системы за счет .ликвидации потерь на отражение. Управление поглощением будет нами рассмотрено далее только в рамках металлодиэлектрических покрытий.
Материалы, используемые для изготовления оптических элементов системы, прозрачны только в определенных спектральных областях. Таким образом, начальная фильтрация, т.е. выделение рабочего участка спектра, происходит сразу за счет использования оптической системы. Однако, при этом выделяются сравнительно широкие участки спектра, управление которыми оказывается практически невозможным без использования дополнительных фильтрующих элементов. Нанесение просветляющих покрытий позволяет, по крайней мере частично, решать эту задачу и, естественно, упростить решение задачи создания необходимого фильтра.
Свойства блокирующих фильтров при наклонном падении излучения
С ростом толщины пленки металла это отношение растет, т.е. прозрачность фильтра в максимуме падает. Если 2ф А2. тогда второе слагаемое в (86) отрицательно и отношение А/Т оказывается меньшим. Выполнение этого неравенства диктует ограничение на толщину пленки металла и зависит от величины действительной части комплексного показателя металла. Очевидно, что для получения наилучшего фильтра следует выбирать металлы с наименьшей величиной п, это позволяет достигать больших значений коэффициента отражения.
Сужение полосы пропускания фильтра возможно и за счёт увеличения порядка интерференции т, т.е. за счёт увеличения оптической толщины диэлектрической прослойки, но в этом случае, согласно (75), будет возрастать число полос пропускания и, кроме того, уже нельзя будет пренебрегать величиной а, пропорциональной оптической толщине диэлектрического слоя. Таким образом, для выяснения предельных возможностей фильтра с металлическими зеркалами необходимо обратиться к свойствам тонких металлических слоев и рассмотреть ограничения, которые накладываются на рассматриваемую систему самим наличием металлических зеркал.
Оптические свойства металлов хорошо описываются комплексной диэлектрической проницаемостью или комплексным, показателем преломления n-ik [4,61,75-78]. Однако табличные значения п и к, пригодные для употребления, получены только для: массивных образцов, не имеющих прозрачности. В качестве зеркальных слоев фильтра необходимо использовать достаточно тонкие слои металла, имеющие необходимую величину прозрачности, т.е. слои с толщиной 200-300А, для таких тонких слоев оказывается неправомерным использование оптических постоянных, получаемых путём измерения оптических свойств массивных образцов. Дело в том, что основные оптические свойства металла и, в частности, его высокий коэффициент отражения определяются коллективизацией электронов, пракгически полносгью экранирующих ионный остов [78,79]. Длина свободного пробега электрона в металле оказываются порядка 200-500А, т.е. соизмерима с толщиной пленки, а для хорошей воспроизводимости оптических свойств необходимо, чтобы толщина пленки значительно (не менее, чем на порядок) превышала длину свободного пробега. Именно из-за малой толщины, пленок металла, необходимой для создания зеркал фильтра, возникает проблема описания их свойств. При таких малых толщинах, естественно, начинает сказываться структура пленки, зависящая от метода её получения, эффектов коррозии, диффузии и т.д. Получение пленок со строго воспроизводимыми характеристиками оказалось очень трудной задачей. Только в. последние десятилетия были, наконец, поняты причины расходимости данных различных исследователей, но технология получения строго воспроизводимых плёнок металлов пока ещё не разработана.
Наиболее подходящим металлом для создания зеркальных покрытии в фильтрах Фабри-Перо оказалось серебро, обладающее высоким коэффициентом отражения в видимой и ближней инфракрасной области спектра и сравнительно инертное к воздействию кислорода воздуха, по крайней море, в течение того небольшого промежутка времени, который необходим для заклейки готового фильтра. Изменение оптических свойств серебряных, пленок с толщиной рассматривалось неоднократно [4]. Следует отметить, что при малых толщинах пленка оказывается не сплшной, а островковой [80], и её оптические свойства должны описываться иными методами. Так, в начальный период осаждения пленки, по-видимому, более разумно говорить не о пленке, а о проводимости поверхности, на которую эта пленка накосится [81-84]. Затем растущая пленка оказывается состоящей из отдельных островков разделенных между собой. В этом случае пленку можно характеризовать эффективными оптическими постоянными, зависящими от толщины пленки и её структуры [85-97]. При некоторых толщинах, характерных для каждого металла, достигается сплошность пленки, зависимость оптических свойств от толщины делается менее резкой., и, наконец, полностью пропадает. Толщина, при которой стабилизируется значение оптических постоянных, зависиг от свойств конкретного металла, условий получения пленки и качества подготовки подложки. В случае серебра стабилизация оптических постоянных обычно происходит уже при толщинах порядка 100А, а в случае пленок меди только после 300-400А. Для пленок тугоплавких металлов: родия, плагины, вольфрама, молибдена условия стабилизации наступают при значительно больших толщинах (больших 1000А). Таким образом, высокий коэффициент отражения и стабилизация оптических постоянных при малых толщинах и являются тем основным фактором, который привёл к выбору серебряных пленок в качестве зеркальных слоев для фильтров Фабри-Перо.
Из (86) следует, что в целях получения высокой максимальной прозрачности фильтра следует выбирать толщины порядка 200А, когда А«Т. Если в качестве критерия выбора усматривать получение фильтра с минимальной шириной полосы пропускания, то толщину пленки необходимо увеличить до 300А. При этой толщине почти стабилизируется коэффициент отражения, однако в этом случае максимальная прозрачность падает и фильтр становится невыгодным в энергетическом отношении. Обычно при изготовлении фильтров с серебряными зеркальными слоями используют пленки толщиной 200А и не стремятся получить максимально узкополосные системы.
Оптические свойства металлических пленок сильно зависят от условий их получения (давление в вакуумной системе, состав остаточной атмосферы, температура подложки, энергетика процесса осаждения пленки и т.д.). Это означает, что использование литературных данных может привести как к ошибочным выводам, так и к неоправданным ожиданиям. В каждом конкретном случае необходимо сделать оценку оптических свойств металлической пленки, получаемой на конкретном оборудовании и в конкретных условиях. Для этого, естественно. не обязательно проводить полное исследование оптических свойств пленок, а следует только оценить основные соотношения между коэффециентами отражения и пропускания. Однако в настоящее время не существует стандартного оборудования для точного измерения коэффициента отражения.
Синтез металлодиэлектрических фильтров (просветление металлических слоев)
Так как показатель преломления определяется поляризуемостью составляющих пленку элементов структуры, осредненную по физически малому элементу объема, то его описание возможно выполнить, используя распределение тетраэдров, сравнительно простыми методами [142], При этом не остается никаких оснований считать пленки SiOx ївердьім раствором кремния в кварце, что было подтверждено в [175] при исследовании электронной структуры рассматриваемых соединений. К аналогичным выводам пришли и авторы работы [177], исследовавшие оптические и электрические свойства пленок SilXr, полученных высокочастотным ионно-плазменным распылением кремния.
Совершенно очевидно, что оптические постоянные пленки SiO ; должны зависеть от ее состава через вероятность появления того или иного вида тетраэдров. Тщательные измерения показателя преломления [178] вполне подтвержден)г эту зависимость, хотя сама зависимость от состава в данной работе не рассматривалась. Состав пленки считался идентичным испаряемому материалу, но наблюдавшиеся изменения показателя преломления с изменением температуры подложки показывают изменение состава пленки по структуре. В .целом... обработка результатов измерений работы [1781 приводит к практически линейной зависимости показателя преломления от температуры подложки, но в то же время распределение элементарных тетраэдров структуры оказывается отличным от указанного выше. Объяснение этого факта следует искать в том, что в цитируемой работе рассматривается очень ограниченный спектральный интервал определения показателей преломления, где дисперсия незначительна.. В этом случае выделение каких-лиоо зависимостей, воооще говоря, невозможно из-за недостаточной -точности определения самих показателей преломления.
Это обстоятельство наглядно показывает, что разработка технологии нанесения пленок для оптических целей не так проста, как это кажется па первый взгляд. Спектральная область использования пленок Si()x в интерференционных покрытиях с коротковолновой стороны зависит от величины х и может начинаться от О.Змкм до О.бмкм, а в длинноволновой области ограничивается началом поглощения на. связях Si-O, т.е. областью 7-8мкм. Снижение скорости роста и повышение парциального давления кислорода и камере нанесення приводні к снижению показателя преломления получаемых пленок, т.е. повышению вероятности появления тетраэдров Si04 в структуре пленки, приближающейся. к кварцу, что дает возможность варьировать показатель преломления пленки во .время ее роста. Интересно попутно заметить, что нанесение плежж 8Ю при переменных скорости роста и парциальном давлении кислорода в камере позволили нам получить диэлектрические зеркала для области спектра .9 -- 1.2 мкм с малой шириной полосы отражения при использовании только одного испаряемого материала. Аналогичным способом нами были изготовлены узкополосные фильтры на длину волны 0.53мкм. Так как полоса прозрачности этого фильтра. достаточно близка к границе начала сильного поглощения материала, то фильтр не требует дополнительного гашения коротковолнового излучения, что резко упрощает общую конструкцию фильтра. Насколько нам известно., подобная возможность никем более не реализовыва лась.
В [178] измерялся показатель преломления пленок, полученных при скорости нанесения 15А/с при пяти различных температурах подложки и фиксированной температуре испарения. О том, как именно проводились измерения температур, авторы скромно умолчали, хотя именно эти измерения и являлись наиболее важными для их целей, так как измерялась зависимость от температуры поверхности конденсации, а последняя в процессе нанесения пленки может изменяться за счет нагрева подложки излучением испарителя и выделение теплоты гго-їленоятвди ! і то і ИОЗМО УСЯО тто некот лые зависимости, полученные в этой работе, требуют дополнительного уточнення, а интервал изменения перемен. иых явно требует расширишь дни по.тучокия исчерпывающих данных об оптических свойствах пленок 8 .Ох, однако для практически важных целей использования этих пленок в указанном спектральном интервале полученной информации вполне достаточно. Недостаточно информации только для разработки промышленной технологии изготовления узкополосных диэлектрических зеркал., описанных выше, или иных интерференционных покрытий, так как в соответствии с [1801 для этого необходимо дополнительно знание многих других параметров процесса осаждения. При учете ошибок измерения показателей преломления-и шероховатости поверхности реальных пленок зависимость показа ТОЛЯ ПреЛОМЛеіїйЯ ПЛетЖИ ОТ температуры ПОДЛОЖКИ МО .ТС-" " гГгр".С ,г ; . 3 подходящей кривой, которая более точно соответствует изменению состава т.е. смещению распределения в сторону увеличения содержания тетраэдров SI04 Можно однако представить и иную картину образования пленок. При повы шенной температуре подложки возрастает длина диффузионного пробега моле кул осаждаемого материала щ в соответствии с кинетической теорией, растет вероятность взаимодействия осаждаемого материала с атомами остаточных га зов, также попадающих на поверхность. Результат этого взаимодействия зави сит о г давления остаточных газов в вакуумной установке и состава остаточной атмосферы. Это означает, что состав пленки будет меняться не только по со держанию кислорода, но также возможно образование иитридпых тетраэдров. Коля подобное представление верно, то при повышении температуры выше не которой критической возможно увеличение показатели преломления растущей пленки, что я замечено в [178] для температур выше 523К..
Интерферометрические оценки параметров прозрачной пленки
Естественно, что изменения в приповерхностном слое возникают не только при механической обработке поверхности. Подобные изменения происходят и при отжиге, ионной имплантации и любых иных воздействиях на поверхность материала. Попытки описания эффектов, возникающих при ионной имплантации, были сделаны в [275-278], лазерный отжиг рассматривался во многих работах [279,280], но изменения в приповерхностном слое, происходящие при отжиге, не описывались. В качестве примера мы рассмотрим кремниевую поверхность, обработанную ионной имплантацией Кг с последующим отжигом, излучением рубинового лазера. Обработка проводилась в КФТИ авторами работы [277], что позволяет легко сравнивать методы обработки, полученных результатов эксперимента. В [277] использована громоздкая процедура послойного травления поверхности для получения результатов, причем последние выглядят не достаточно достоверно. В результате должны были получиться гладкие распределения, но получены весьма странные и трудно объяснимые физически. Аналогичные результаты получены в [2811, но поскольку и в этой работе использовался метод стравливания, то результаты столь же достоверны. Отсутствие достоверных результатов становится ясным при понимании того факта, что отраженная световая волна формируется не только границей неоднородной среды, а еще и объёмом этой среды. Авторы названных работ игнорировали этот факт. В случае обработки результатов измерений по разработанному алгоритму нет необходимости прибегать к сложному и трудоёмкому процессу последовательного стравливания слоев.
Пользуясь разработанной программой и используя результаты эллипсометри-ческих измерений возможно получение основных характеристик поверхности, не прибегая к травлению. В этом случае легко рассматривагь результаты любых последовательных воздействий на исследуемую поверхность. Так как измерения бесконтактны, то никаких дополнительных искажений в характеристики поверхности не вносится. Константу в соотношении (227) находим из величины деформации при переходе к пластическому течению [248]. Эта деформация равна .07, упругооптические постоянные кремния известны [232], что дает возможность найти среднее значение [282] связи приращений показателей преломления в (226). Значение константы в (227) для случая кремния равно .3357 -І.00493 (при п=3.882 -І.0І9 [61]). Исходная подложка из кремния КДБ-l, обработанная по плоскости (111), была промерена на эллипсометре ЛЭФ-ЗМ на б Зтлах падения излучения. Обработка результатов измерений по разработанной нами программе показала, что профиль показателя преломления описывается выражением (226) с параметрами:
Li=.0726; L2==.4487; Ьз=.1549 (все длины здесь и далее даны в микронах) Общая толщина нарушенного слоя h=l .2197 Толщина пластически деформированного слоя Xo=.i074 Составляющая тепловой деформации равна -.0678 Составляющая упругой деформации на передней границе равна .1212 Флуктуационная составляющая деформации равна .031
Толщина слоя окисла равна 46.6А.Показатель преломления окисла в слое равен 1,457. Деформация в окисном слое равна -.0024 Приведённые значения параметров не полностью соответствуют [256], что видимо, вполне закономерно, так как в [256] игнорировалась упругая деформация.
Эффективным методом изменения Физических свойств матеоиалов в ггоигго-верхностной области является ионное легирование [283]. Этот процесс изменяет и оптические свойства материалов, что было использовано при создании оптических волноводов [284]. В рассматриваемом случае исходная пластина кремния облучалась ионами криптона, что привело к изменению её оптических свойств в приповерхностной области, а параметры модели оказались равными:
Резкое увеличение толщины пластически деформированного слоя и величины флуктуационной составляющей не обязательно является следствием только глубины внедрения имплантированных ионов, но свидетельствует о сложных процессах, сопутствующих ионной бомбардировке материала [285]. В то же время значительное увеличение толщины пластически деформированного при имплантации слоя было описано в литературе [286], и, в этом плане, полученный результат не вызывает сомнений. Очевидно, что предложенная выше модель недостаточна для описании ионной имплантации по следующим причинам: во-первых, в модели не предусмотрено зависимости изменения параметров от начального состояния к состоянию после воздействия, во-вторых, - зависимости (на уровне граничных условий) от общей дозы внедрения и от интенсивности процесса. В рассматриваемом случае задача решена, как стационарная, вне зависимости от характера воздействия, что, конечно, недостаточно для получения выводов о воздействии и его следствиях. Вместе с тем совершенно очевидно, что влияние технологии предварительной обработки имеет определяющее значение для окончательного результата изменения физических свойств материала за счёт ионного легирования. Настоящая модель позволяет это выявить.
Следующим этапом явился лазерный отжиг поверхности после облучения. Для отжига использовались импульсы рубинового лазера с энергиями .91дж, І.56дж, 2.13дж. Эллипсометричеекие измерения состояния поверхности после пересчёта по разработанной программе показали значительное изменение параметров модели связанное с энергией воздействующего импульса излучения. Результаты расчёта приводятся в таблице 6, где введены обозначения рассчитываемых параметров: общая толщина нарушенного слоя h, толщина пластически деформированного слоя XQ, толщина слоя окисла hb величина тепловой деформации а, величина упругой деформации Ь, величина флуктуации деформации с, упругая деформация окисного слоя aj. Все толщины и характерные длины даются в микронах, кроме толщины окисного слоя, которая выражена в ангстремах. Величины деформации безразмерны.
