Методы контроля толщины многослойных покрытий на основе тугоплавких оксидов

Содержание

Введение
1 Современные методы контроля толщины в процессе формирования покрытий оптического назначения
1.1 Состояние и перспективы методов контроля оптической толщины покрытий различного функционального назначения
1.2 Фотометрические методы определения оптической толщины тонких покрытий
1.3 Системы контроля оптических характеристик на основе современной компьютерной диагностики
2 Контроль толщины оптических покрытий на основе тугоплавких оксидов формируемых методом электронно-лучевого синтеза
2.1 Фотометрическая система контроля СФКТ-751В
2.2 Встраиваемая система контроля оптических характеристик
Iris-0211
2.3 Синтез однослойных и многослойных покрытий и контроль их оптической толщины
3 Исследование спектральных характеристик многослойных покрытий на основе ...

Содержание

Введение
1 Современные методы контроля толщины в процессе формирования покрытий оптического назначения
1.1 Состояние и перспективы методов контроля оптической толщины покрытий различного функционального назначения
1.2 Фотометрические методы определения оптической толщины тонких покрытий
1.3 Системы контроля оптических характеристик на основе современной компьютерной диагностики
2 Контроль толщины оптических покрытий на основе тугоплавких оксидов формируемых методом электронно-лучевого синтеза
2.1 Фотометрическая система контроля СФКТ-751В
2.2 Встраиваемая система контроля оптических характеристик
Iris-0211
2.3 Синтез однослойных и многослойных покрытий и контроль их оптической толщины
3 Исследование спектральных характеристик многослойных покрытий на основетугоплавких оксидов и определение их оптических параметров
3.1 Определение фотометрических параметров однослойных и многослойных покрытий на основе тугоплавких оксидов
3.2 Контроль оптических характеристик с помощью спектрального эллипсометра ESM 512
3.3 Программа расчёта интерференционных покрытий
Заключение
Список используемых источников
Приложение А

Содержание

Введение
1 Современные методы контроля толщины в процессе формирования покрытий оптического назначения
1.1 Состояние и перспективы методов контроля оптической толщины покрытий различного функционального назначения
1.2 Фотометрические методы определения оптической толщины тонких покрытий
1.3 Системы контроля оптических характеристик на основе современной компьютерной диагностики
2 Контроль толщины оптических покрытий на основе тугоплавких оксидов формируемых методом электронно-лучевого синтеза
2.1 Фотометрическая система контроля СФКТ-751В
2.2 Встраиваемая система контроля оптических характеристик
Iris-0211
2.3 Синтез однослойных и многослойных покрытий и контроль их оптической толщины
3 Исследование спектральных характеристик многослойных покрытий на основе тугоплавких оксидов и определение их оптических параметров
3.1 Определение фотометрических параметров однослойных и многослойных покрытий на основе тугоплавких оксидов
3.2 Контроль оптических характеристик с помощью спектрального эллипсометра ESM 512
3.3 Программа расчёта интерференционных покрытий
Заключение
Список используемых источников
Приложение А

Оптические свойства плёнок сильно зависят от способа получения, от технологических режимов: температуры подложки, скорости осаждения, остаточного давления в вакуумной камере, используемых при их изготовлении плёнкообразующих материалов, и отличаются от оптических констант исходных веществ. Поэтому для успешного синтеза любого оптического покрытия должны быть с достаточной степенью определены оптические характеристики получаемых на практике тонких плёнок. Под оптическими характеристиками понимаются спектральные зависимости показателя преломления n(λ) и показателя поглощения k(λ).
2.2 Встраиваемая система контроля оптических характеристик Iris-0211
В данный момент установка вакуумного напыления ВУ-1А (рисунок 2.3), оснащенная источником электронно-лучевого испарения УЭЛИ-I и системой контроля оптических характеристик, модель Iris-0211 (СОК Iris).
Рисунок 2.3 – Вакуумная установка В-1А
со встраивоемой системой контроля Iris-0211
Встраиваемая система контроля оптических характеристик, модель
Iris-0211 (далее СОК Iris), предназначена для измерения спектральных характеристик отражения и пропускания плоских оптических деталей и покрытий на них. Программное обеспечение, поставляемое с СОК Iris, позволяет отображать на интерфейсе измеренный спектр и сохраненные спектры отражения и пропускания, а также управлять параметрами измерения.
На рисунке 2.4 представлена оптическая схема СОК Iris и состоит система из пяти основных узлов:
– блок управления и регистрации;
– узел конденсора «на пропускание»;
– узел конденсора «на отражение» и объектива;
– узел источника излучения дейтериевый;
– узел источника излучения галогенный.
1 – электронный луч; 2 – поток распылённого вещества; 3 – вакуумная камера;
4 – подложки; 5 – вращающаяся оснастка; 6 – модулятор;
6.1 – источник излучения галогенный и дейтериевый «на пропускание»;
6.2 – источник излучения галогенный и дейтериевый «на отражение»;
7 – плоские зеркала; 8 – образец-свидетель;
9 – компьютер с программой «IrisSoft»; 10 – блок управления и регистрации;
11 – монохроматор М250; А – анод (тигель с веществом); К – катод
Рисунок 2.4 – Схема установки ВУ-1А с оптической схемой СОК Iris
Основные параметры СОК Iris приведены в таблице 2.1.
Таблица 2.1 – Характеристики системы оптического контроля
Параметр
Значение параметра
Спектральный диапазон, нм
190 – 1100
Спектральное разрешение, нм
1,8
Воспроизводимость длины волны, нм
0,4
Точность установки длины волны, нм
0,8
Фотометрические функции
%T, %R
Источник света
Галогенная лампа, дейтериевая лампа
Точность измерения
+/- 0,005 х Т
Воспроизводимость измерения
0,002 х Т
Стабильность базовой линии
0,005 T/ч (30 мин прогрева)
При контроле процесса нанесения покрытия «на пропускание» излучение источника излучения галогенного 6.1 модулируется механическим модулятором 6. Световой поток зеркалами 7 фокусируется на свидетеле 8 и далее, пройдя через него, линзой объектива фокусируется на торце световода. Световод, разделяя излучение на три части, передает его на входы спектрометров, расположенных в БУР 10. При работе в ультрафиолетовой области спектра вместо источника излучения галогенного устанавливается источник излучения дейтериевый.
При контроле процесса нанесения покрытия «на отражение» излучение источника излучения галогенного 6.2 модулируется механическим модулятором 6. Световой поток зеркалами 7 фокусируется на свидетеле 8 и далее, отразившись от него, направляется на линзу объектива. Линза объектива фокусирует световой поток на торце световода. Световод, разделяя излучение на три части, передает его на входы спектрометров, расположенных в БУР 10. При работе в ультрафиолетовой области спектра вместо источника излучения галогенного устанавливается источник излучения дейтериевый.
Принцип измерения толщины основан на фотоэлектрическом методе регистрации лучистого потока, пропущенного через напыляемый образец или отраженного от него. При этом об оптической толщине напыляемого материала можно судить по изменению коэффициента пропускания или отражения образца. В эксперименте использована схема измерения оптической толщины покрытий при отражении светового потока от образца-свидетеля. В ходе напыления слоёв с помощью программного обеспечения регистрируются спектры отражения и пропускания (в зависимости от выбранного метода контроля) от образца-свидетеля сигнала. Экстремальным значениям коэффициента отражения R соответствует оптическая толщина слоя nd.
Программное обеспечение позволяет рассчитывать спектры оптических покрытий, проводя тем самым оптимизацию конструкции многослойного покрытия. Результаты расчета позволяют послойно контролировать процесс напыления оптических покрытий. В программе имеются библиотеки материалов покрытий и материалов подложек.
2.3 Синтез однослойных и многослойных покрытий и контроль их оптической толщины
Получение интерференционных многослойных покрытий осуществляется с помощью установки вакуумного напыления ВУ-1А, в штатной комплектации вакуумная установка ВУ-1А оснащена комплексом фотометрического контроля толщины СФКТ-751В.
Принцип действия обеих систем основан на фотоэлектрическом методе регистрации лучистого потока, пропущенного через напыляемый образец или отраженного от него. Оптическая схема комплекса для контроля оптической толщины плёнки СФКТ-751В [18] приведена на рисунке 2.5.
1 – лампа накаливания; 2 – сферическое зеркало; 3 – плоское зеркало;
4 – входное окно; 5 – "свидетель"; 6 – выходное окно; 7 – линза; 8 – плоское зеркало;
9 – защитное стекло; 10 – линза; 11 – отрезающие фильтры; 12 – входная щель монохроматора; 13 – параболическое зеркало; 14 – плоская дифракционная решетка;
15 – плоское зеркало; 16 – выходная щель монохроматора
Рисунок 2.5 – Оптическая схема комплекса для контроля оптической толщины плёнки по измерению ее пропускания (а) и отражения (б)
В схему входят верхний и нижний блоки пропускания, элементы вакуумной установки, монохроматор с приемником излучения. Световой поток от лампы накаливания 1 блока источника излучения падает на сферическое зеркало 2, затем − на плоское зеркало 3, направляющее изображение нити лампы на плоскость напыляемого образца 5 (свидетеля), расположенного внутри вакуумной камеры. Излучение попадает в камеру через входное окно 4, проходит образец и через выходное окно 6 камеры попадает на линзу 7 нижнего блока пропускания. Далее луч направляется плоским зеркалом 8 через защитное стекло 9 на линзу 10, формирующую изображение нити лампы на входной щели 12 монохроматора. Пройдя входную щель монохроматора, излучение попадает на вне осевое параболическое зеркало 13 и отклоняется им на плоскую дифракционную решетку 14. Дифрагированное излучение от решетки попадает снова на зеркало 13 и фокусируется плоским зеркалом 15 на выходную щель 16 монохроматора. После выходной щели излучение попадает непосредственно на катод фотоэлектрического умножителя. Устранение мешающего излучения достигается с помощью отрезающих фильтров 11, которые помещаются перед входной щелью 12.
Для обеспечения высокой энергетической эффективности излучения во всем диапазоне работы комплекса 250 ÷ 1100 нм предусмотрены две сменные дифракционные решетки с 1200 и 600 штрих/мм и максимумами излучения на
λ = 300 ÷ 650 нм. Данные о величине обратной линейной дисперсии монохроматора с обеими решетками представлены в таблице 2.2.
Таблица 2.2 – Обратная линейная дисперсия монохроматора СФКТ-751В
λ, нм
Решетка, штрих/мм.
Обратная линейная дисперсия, нм/мм
250
350
450
500
1200
3.0
2.9
2.9
2.9
450
550
650
850
950
1000
1100
600
5.9
5.9
5.9
5.8
5.7
5.7
5.7
Данные о фильтрах, решетках и фотоприемниках монохроматора комплекса СФКТ-751В приведены в таблице 2.3.
Таблица 2.3 – Параметры элементов комплекса СФКТ-751В
λ, нм
Решетка штрих/мм
Отрезающие фильтры
Фотоприемник
250 - 500
1200
УФС1 (250 - 380 нм)
БС4 (360 - 500 нм)
ФЭУ-39А
ФЭУ-100 (от 350 - 500 нм)
450 - 1100
600
ЖС16 (480 - 920 нм)
КС15 (670 - 1200 нм)
ФЭУ-100 (до 800 нм)
ФЭУ-62 (600 - 1100 нм)
Входная и выходная щели монохроматора служат для изменения сигнала, в итоге поступающего на фотоприемник. Однако следует помнить, что при увеличении щели увеличивается спектральный интервал, который можно оценить по формуле:
(2.2)
где S - ширина раскрытия щели; dλ/dl - обратная линейная дисперсия.
Эффективная ширина щели и напряжение питания на фотоприемнике и лампе следует подбирать, учитывая конкретные требования работы.
Очистка в среде аргона осуществлялась при следующих параметрах в течении 15 мин (таблица 2.4):
Таблица 2.4 – Параметры очистки вакуумной камеры низкоэнергетическим ионным источником типа «АИДА»
Состав покрытия
Ускоряющее напряжение, В
Ток катода, А
Ток анода, А
ZrO2
170
17
1,6
Al2O3
70
16
1,9
TiO2
110
17
1,75
ZnS
85
17
1,3
SiO2
60
16
1,3
ZrO2+SiO2
170
17
1,6
Осаждение покрытий осуществлялось методом электронно-лучевого испарения при следующих параметрах (таблица 2.4):
Таблица 2.5 – Параметры осаждения при испарении материалов
Состав покрытия
Ускоряющее напряжение, кВ
Ток накала катода, мА
Ток эмиссии, мА
Давление камеры, Па
ZrO2
6
16
50
6·10-3
Al2O3
12
11
140
TiO2
6
11
60
ZnS
6
8
10
SiO2
6
11
39
На рисунках 2.5 – 2.10 изображены покрытия на подложках из кремния полученные методом электронно-лучевого испарения.
Рисунок 2.5 – Однослойное покрытие ZrO2
Рисунок 2.6 – Однослойное покрытие ZnS
Рисунок 2.7 – Однослойное покрытие Al2O3