Цель лабораторной работы - изучение фотометрического метода контроля толщины оптических слоев в процессе их нанесения.

В процессе выполнения лабораторной работы студенты должны:

• ознакомиться с методами контроля толщин оптических слоев;

• изучить схемы фотометрического контроля на пропускание и отражение;

• изучить устройство спектрофотометра СФКТ - 1 на установке

• ВУ - 1А;

• изучить процесс фотометрического контроля при изготовлении многослойных покрытий;

• ознакомиться с моделированием фотометрического метода контроля, для заданного оптического покрытия, воспользовавшись программой “FotoMetrics”, рассчитать погрешность в определении толщины слоя фотометрическим методом контроля для заданного оптического покрытия.

1. Основные положения

1.1. Факторы, влияющие на оптические характеристики реальных покрытий

Цель выполнения анализа устойчивости - получение информации о рассеянии оптических характеристик, возникающих при вариациях параметров слоев.

Как правило, при изготовлении покрытия не удается точно получить вычисленные значения показателей преломления и толщин слоев. Поэтому очень важно оценить, при каком разбросе этих значений характеристики покрытия оказываются нечувствительными или малочувствительными к отклонениям параметров слоев от номинальных значений.

Всю совокупность факторов, влияющих на характеристики покрытия, можно разделить на две группы.

К первой группе относятся факторы, связанные с нестабильностью процесса изготовления слоев покрытия. Нестабильность является следствием плохого контроля таких технологических параметров, как температура нагрева подложек, давление остаточных газов в напылительной камере, скорость испарения и конденсации испаряемого материала. В свою очередь, это может привести к изменению дисперсионной зависимости показателя преломления получаемых покрытий, появлению неоднородности, изменению коэффициента пропускания

Ко второй группе относятся факторы, связанные с контролем параметров слое, главным образом их толщин, в процессе изготовления покрытия. Эта часть проблемы решается моделированием на ЭВМ процесса контроля толщин слоев. В ходе моделирования удается учесть ошибки в определении толщин слоев, обусловленные ограниченной чувствительностью используемой контрольно-измерительной аппаратуры, оценить допуски и выбрать рациональный способ контроля. Это позволяет свести к минимуму возможные экспериментальные ошибки и тем самым сократить путь от расчета конструкции покрытия до его практической реализации.

1.2.Частотный метод

Частотный метод основан на регистрации изменения частоты кварцевого резонатора Df при увеличении его массы в процессе конденсации слоя. Взаимосвязь Df с массой и толщиной осажденного слоя определяется соотношениями:

где Df - изменение резонансной частоты кристалла, вызываемой осаждением слоя, Гц ; f₀ -резонансная частота кристалла, Гц; Dm и m₀ -масса осажденного слоя и кристалла, г; g и g₀ -плотность материала слоя и кварца, г/см³; Dd и d₀ -толщина осажденного слоя и кристалла кварца, см.

Точность определения толщины слоя связанна с погрешностями измерения Df, f₀ , g. Прибор для измерения толщины слоя состоит из двух кварцевых резонаторов: частота одного из них постоянна, частота другого, расположенного в вакуумной камере, зависит от толщины напыляемого слоя. Разностная частота резонаторов Df усиливается и затем измеряется. Точность измерения определяется точностью применяемого частотомера. Можно также измерять разностную частоту методом нулевых биений, для чего эталонный резонатор выполняется перестраивающимся по частоте. Преимущество такого способа в постоянной цене деления шкалы частотомера и большей точности измерений. Определение толщины диэлектрических, полупроводниковых и проводящих слоев возможно при известных значениях плотности. Поскольку эту величину определить трудно, строят экспериментальные кривые зависимости толщины слоя от смещения частоты Df измерительного кварцевого резонатора для различных материалов. Метод получил широкое распространение благодаря высокой точности и простоте. Максимальная суммарная толщина слоя, напыляемого на кварцевый датчик, определяется максимальным сдвигом частоты датчика (таблица 1.1).

Существенным недостатком данных приборов является то, что помимо градуировки по напыляемому материалу необходима периодическая чистка кварцевых датчиков. Однако метод универсален и позволяет измерять толщину любых по составу покрытий.

Таблица 1.1.

Характеристики приборов с кварцевыми датчиками

Марка прибора	Рабочая частота, кГц	Чувствительность по серебру, Гц/нм	Максимальный сдвиг частоты датчика, кГц	Погрешность измерения частотомера,%
КИТ -1	3300	2,5	50	±3
КИТ-2	10000	22,6	600	±2,5
МЭК-1	6200	90	100	±3