WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

   Добро пожаловать!

 
Министерство образования  и науки Российской Федерации

Государственное образовательное учреждение высшего

профессионального  образования

САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ

ИНФОРМАЦИОННЫХ  ТЕХНОЛОГИЙ, МЕХАНИКИ И ОПТИКИ

  На правах рукописи

  УДК 535.51: 666.011.01

  Храмцовский  Игорь  Анатольевич

  ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ НЕОДНОРОДНЫХ АНИЗОТРОПНЫХ ОПТИЧЕСКИХ СИСТЕМ И ШЕРОХОВАТОЙ ПОВЕРХНОСТИ НЕОДНОРОДНОЙ ПОДЛОЖКИ

Cпециальность – 05.11.07
  Оптические и оптико-электронные  приборы  и комплексы

  А В Т О Р Е Ф Е Р А Т

диссертации на соискание ученой степени  доктора  технических наук

 

  Санкт-Петербург – 2010

Работа выполнена в Санкт-Петербургском государственном университете информационных технологий,  механики и оптики

  Научный консультант –  доктор технических наук, профессор,

  Туркбоев А.

 

Официальные оппоненты –  доктор технических наук, профессор, 

Путилин Э.С.

  • доктор технических наук, профессор,

Немец В.М.

 

  • доктор  химических наук, профессор,

Заслуженный деятель науки РФ,

  Карапетян Г.О.

Ведущая организация  –  ФГУП НИТИОМ  ВНЦ ГОИ им. С.И.Вавилова

Защита состоится «  » 2010 г. в « » часов на заседании диссертационного совета  Д.212.227.01  «Оптические и оптико–электронные приборы и комплексы» при Санкт–Петербургском государственном  универси-тете информационных технологий, механики и оптики по адресу: г.Санкт–Петербург, пер. Гривцова, д.14, ауд. 314 а.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке Санкт–Петербургского  государственного университета информационных технологий, механики и оптики.

Автореферат разослан  «  »  2010 г.

Отзывы и замечания по автореферату (в двух экземплярах), заверенные пе-чатью,  просим направлять в адрес университета: 197101, г.Санкт–Петербург, Кронверкский пр., д.49,  секретарю диссертационного Совета  Д.212.227.01.

Ученый секретарь

Диссертационного Совета  к.т.н. В.М. Красавцев

Д.212.227.01

 

  ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

  Основные идеи и актуальность работы

В настоящее время для создания новых управляемых технологий оптиче-ского производства изготовления  элементов оптотехники необходимо не толь-ко детальное изучение физико–химических процессов, приводящих при техно-логической обработке детали к образованию модифицированной структуры по-верхностного слоя,  но также требуется разработка прецизионных методов контроля физико–химического состояния поверхности этих элементов на всех этапах технологического цикла получения изделий оптического приборостро-ения

Состояние поверхности оптических элементов, ее структура и состав, определяют многие функциональные возможности оптических узлов оптико-электронных приборов. Говоря о поверхности твердого тела, обычно имеют в виду приповерхностную зону конечной толщины.  Поэтому во всех случаях изучения поверхности элемента целесообразнее использовать термин "повер-хностный слой" (ПС).

Свойства поверхностного слоя, как правило, разделяют на  первичные и вторичные. К первичным относятся: состав поверхностного слоя, его атомная и электронная структуры, движение поверхностных атомов, природа и рас-пределение поверхностных дефектов, топография поверхности – ее энер-гетический и геометрический микрорельеф. Вторичные свойства производны от первичных и характеризуют физико–химические процессы, происходящие на поверхности. К ним относятся электрические, магнитные, оптические, ад-гезионные и каталитические свойства, реакционная способность, химическая ус-тойчивость и биорезистентность, которые, в частности, для изделий выпол-ненных из силикатных стекол связаны с явлениями выщелачивания и (или) сег-регации щелочных компонентов в поверхностных слоях оптических элементов или в зоне оптического контакта их соединений.

В рамках теории термодинамики поверхностных явлений, в основе ко-торой лежат  фундаментальные уравнения Д.В.Гиббса и обобщенное диффе-ренциальное уравнение Ван-дер-Ваальса, граница раздела сред в оптическом материаловедении трактуется как модификация поверхности стекла или крис-талла, все свойства которой градиентные от геометрической  границы  раздела сред к объему материала. В общем случае, неоднородное строение ПС эле-ментов оптотехники достаточно строго следует из термодинамических рас-смотрений различных физико–химических моделей структуры ПС твердых тел, которые изложены в ряде монографий и многочисленных научных трудах.

Однако представление о толщине поверхностного слоя часто лишь инту-итивно воспринималось многими исследователями, занимающихся изучением поверхностных явлений, а непосредственное изучение этого важного свойства значительно отставало как в теоретическом, так и в практическом отношении. Такому положению термодинамики поверхности твердого тела способство-вало, в частности, то обстоятельство, что термодинамическая теория Д.В.Гиб-бса сформулирована им в терминах полностью исключающих рассмотрение толщины поверхностных слоев. Поэтому, до недавнего времени, не существо-вало  универсального и достаточно строгого понятия о толщине неоднородных поверхностных слоев и методов ее определения.

Несмотря на то, что в последнее время метод эллипсометрии использует-ся в областях спектра от рентгеновского диапазона излучений  до радиоволно-вого, реальные возможности метода оптической эллипсометрии для диагнос-тики физико–химического состояния поверхности деталей, выполненных из анизотропных и химически нестойких материалов, до сих пор не полностью реализованы в оптическом приборостроении. В  частности, при оценке глубины структурных искажений в поверхностных слоях градиентных элементов опто-техники и в зоне их оптических соединений.

Для формирования научных представлений о природе и физико–химичес-ких механизмах,  приводящих  к  образованию  на  оптических элементах неод-нородных  поверхностных слоев,  необходимо не только выяснить основные за-кономерности изменения состава, структуры и оптических свойств ПС на раз-личных этапах получения элементов оптотехники, но также установить истин-ные корреляционные связи между оптическими  свойствами слоя и технологи-ческими  параметрами процесса изготовления детали, используя оптические и спектрометрические методы диагностики физико–химического состояния по-верхности элементов оптотехники.

Разработка новой методологии теоретического и методического анализа физико–химических процессов, протекающих на границе раздела неоднород-ных сред, с использованием эллипсометрических и спектрометрических ме-тодов диагностики состояния поверхности твердого тела,  может способство-вать решению широкого круга научных и технических задач оптотехники.

К настоящему времени можно выделить два направления применения метода  эллипсометрии и спектрометрии в оптическом приборостроении:  тех-нологическое – диагностика физико-химического состояния поверхности элементов оптоэлектроники в процессе их технологической обработки; и чисто научное – изучение основных закономерностей изменения поляризационно–оптических свойств неоднородных отражающих систем и кинетики физико–химических процессов, протекающих на поверхности твердого тела при раз-личных внешних воздействиях (окружающей среды, механических, химичес-ких, тепловых, радиационных и т.п.).

Потребности практики в технической реализации принципиально новых технологий изготовления оптических элементов заставляют при эллипсометри-ческих исследованиях физико–химических процессов формирования модифи-цированной структуры ПС применять широкий класс ранее не используемых физико–математических 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 градиентные характеристики, а также определять геометрические параметры шероховатой поверхности и микроско-пические характеристики энергетического микрорельефа поверхности элемента оптотехники.

Разработка новых методик эллипсометрического анализа неоднородных слоев и шероховатых поверхностей, допускающих возможность сопоставления различных по своему физическому содержанию моделей отражающей системы и позволяющих давать оценку доверительной вероятности их использования при определении физико–технических параметров элементов оптотехники, яв-ляется одной из первоочередных задач в диагностики состояния поверхности оптических элементов методом эллипсометрии и спектрометрии.

В этом случае анализ и синтез эллипсометрических систем технологи-ческого контроля неоднородных анизотропных элементов должен проводится в единой совокупности «объект–прибор–методика», где объект контроля рассма-тривается как структурный элемент самого прибора, поскольку его наличие в измерительной системе поляризационного прибора может принципиально из-менить функциональные возможности используемой аппаратуры.

Цель работы состояла в  разработке теоретических и методических ос-нов эллипсометрии неоднородных анизотропных оптических систем и шеро-ховатой поверхности неоднородной подложки и исследовании кинетики и физико–химических механизмов формирования  неоднородной структуры по-верхностных слоев элементов оптотехники методами эллипсометрии и спектро-метрии.

Для достижения указанной цели в диссертации  решались  следующие основные задачи:

– разработка методологического подхода к решению задачи отражения поляризованного света от неоднородных анизотропных слоев и шероховатых поверхностей элементов оптотехники;

– разработка методов физико–математического моделирования структуры неоднородных анизотропных оптических систем и шероховатой поверхности элементов оптотехники и расчета их поляризационно–оптических характерис-тик;

– изучение основных закономерностей  изменения состояния поляриза-ции отраженного светового пучка от неоднородных поверхностных слоев и шероховатых поверхностей в эллипсометрическом эксперименте; 

  – разработка методик эллипсометрического  анализа поляризационно–оптических свойств отражающих систем «неоднородный слой – неоднородная подложка» и  «шероховатая поверхность – неоднородная подложка» и расчета их оптических характеристик;

– развитие,  на основе полученных экспериментальных данных  методами эллипсометрии и спектрометрии, существующих представлений о кинетике и физико–химических механизмах формирования модифицированной структуры поверхностного слоя элементов оптотехники, выполненных из силикатных стёкол и кристаллов, при различных внешних воздействиях окружающей среды и способах  их технологической обработки.

 

Методы и объекты исследования

В качестве объектов исследования  использовались элементы лазерной и оптотехники, выполненные из кристаллического и плавленого кварца, полу-ченного различными технологическими способами; фторсодержащих силикат-ных стекол, отличающихся различным содержанием в стекле фтора; свинцово-силикатных стекол, в которых кремнезем постепенно заменялся на окись свин-ца, при мало меняющемся содержании щелочных окислов; непористых натри-ево-силикатных стекол и микропористого боросиликатного стекла.

В работе использованы преимущественно разработанные  эллипсометри-ческие методы исследования  и технологического контроля поляризационно-оптических характеристик поверхностных слоев и шероховатых поверхностей оптических элементов  и их соединений. Достоверность результатов исследова-ния параметров шероховатой поверхности оптических деталей подтверждалась данными полученными методами спекл–интерферометрии, профилометрии и спектрофотометрии диффузной составляющей рассеянного света.

Анализ  потерь излучения в оптических материалах и поверхностном слое  элементов лазерной техники проводился по  экспериментальным данным полу-ченных  методами эллипсометрии, оптической спектроскопии в ВУФ, УФ и ИК областях спектра и импульсной фотометрии.

Эллипсометрические методы исследования физико-технических харак-теристик элементов лазерной и оптотехники  дополнялись данными  численно-го эксперимента, проводимого по разработанным методикам и программам, а также экспериментальными  результатами полученных методами волноводной спектроскопии, рефрактометрии, рефлексометрии и другими методами техно-логического контроля оптических изделий.

Достоверность результатов эллипсометрических исследований оптичес-ких характеристик неоднородных слоев элементов оптотехники подтверждена путем их сопоставления  с  экспериментальными  данными исследования эле-ментного состава поверхностного слоя силикатных стекол методами рентге-новской фотоэлектронной спектрометрии (РФС), электронной Оже–спектро-метрии, вторичной ионной масс спектрометрии (ВИМС), спектрометрии ре-зерфордовского обратного рассеяния протонов (РОР) и ядерных реакций (ЯР), полученных при непосредственном участии автора и  из  литературных источ-ников.

Научная новизна работы определяется тем, что в ней впервые разра-ботаны  теоретические  и методические основы эллипсометрии неоднородных анизотропных оптических систем и шероховатой поверхности неоднородной подложки, где «объект–прибор–методика» рассматривается как единое целое.

Работа включает в себя разработку физико–математических моделей не-однородных анизотропных оптических систем и шероховатых поверхностей; определение важнейших закономерностей изменения поляризационно–опти-ческих и физико–химических свойств модифицированной структуры поверх-ностного слоя в процессе различной технологической обработки оптических элементов.

В ходе работы впервые получены следующие результаты:

1. Обобщены теоретические рассмотрения задачи отражения поляризо-ванного света от неоднородного анизотропного слоя при произвольном законе изменения главных значений тензора диэлектрической проницаемости и угла ориентации оптической оси по его глубине в приближении теорий Друде–Бор-на  и осесимметричных анизотропных систем в приближении теорий Сивухина – Пикуса при описании их оптических свойств на основе микроскопических характеристик  тонких поверхностных слоев, когда толщина слоя d значительно меньше длины волны излучения , т.е. d<< .

2. Получено уравнение эллипсометрии  для шероховатой поверхности не-однородной подложки в рамках теорий отражения поляризованного света  Ре-лея–Райса и Друде–Борна. В рамках широкого круга физико–математических моделей отражающих систем изучены основные закономерности изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от неоднородных слоев и шероховатых поверхностей элементов оптотехники.

3. Получено уравнение эллипсометрии для отражающей системы «неод-нородная пленка – неоднородная подложка», на основе которого разработаны методы эллипсометрического анализа вида профиля показателя преломления  аксиальных  граданов и неоднородного слоя (или пленки) в процессе его пос-лойного наращивания или стравливания.

4. Разработаны способы решения обратной задачи для методов многоуг-ловой и иммерсионной эллипсометрии, позволяющие определять  профиль по-казателя преломления в элементах интегральной и градиентной оптики при наличии на поверхности детали неоднородного слоя.        

5. Исследованы кинетика и физико–химический механизм формирования волноводных поверхностных слоев на фторсодержащих стеклах при различных внешних воздействиях окружающей среды (атмосферы воздуха, влажной атмосферы, вакуума) и тепловой обработки стекла.

  6. Исследованы кинетика и физико-химический механизм формирования структуры неоднородных поверхностных слоев в процессе стационарного и нестационарного выщелачивания при химической, ионной и электронно–лу-чевой обработки силикатных стекол. Разработан эллипсометрический метод определения химической устойчивости поверхности элементов, выполненных из силикатных стекол.

7. На основе макро– и микроскопического подходов к описанию поляри-зационно–оптических  свойств границы раздела сред разработаны физико–ма- тематические модели неоднородных поверхностных слоев и исследованы физико–химические процессы ионно–плазменного и ионно–химического рас-пыления полированного кварцевого стекла,  приводящие  к появлению в струк-туре поверхностного слоя оптических элементов "дискретной" и "контину-альной" неоднородности силикатной системы и ее  влияние на потери излуче-ния в ультрафиолетовой области спектра оптических элементов ионных и эк-симерных лазеров.

8. Методами эллипсометрии, оптической спектроскопии, рентгеновской фотоэлектронной спектрометрии (РФС), вторичной ионной масс спектромет-рии (ВИМС), электронной Оже–спектрометрии, спектрометрии резерфор-довского рассеяния протонов (РОР) и ядерных реакций (ЯР) установлены кор-реляционные связи между поляризационно-оптическими параметрами и кон-центрационными характеристиками элементного состава неоднородных повер-хностных слоев силикатных стекол.

Практическая значимость работы состоит в том, что разработанные методы эллипсометрического контроля оптических характеристик неоднород-ных анизотропных оптических систем и шероховатых поверхностей являются достаточно универсальными и использованы при решении широкого круга научных и технологических задач на ряде оптических производств элементов лазерной техники, оптотехники и их оптических соединений. 

Полученные методами эллипсометрии и спектрометрии результаты ис-следований структуры,  состава и оптических характеристик поверхностного слоя позволили  более глубоко понять кинетику и механизм физико–химичес-ких процессов формирования неоднородной структуры поверхностного слоя при  различных способах технологической обработки оптических деталей. Тем самым, осуществить поиск оптимальных технологических режимов обработки поверхности оптических элементов с минимальными потерями излучения и высокой химической устойчивостью, а также  более целенаправленно опреде-лить условия эксплуатации деталей с модифицированной структурой повер-хностного слоя в оптико–электронных приборах и комплексах различного функционального назначения.

Разработанные методы анализа и синтеза эллипсометрических неодно-родных анизотропных оптических систем создают научные предпосылки для объективной оценки возможностей и эффективности применения азимутальной и фазовой модуляции поляризованного излучения при создании одноканальной, двухканальной и  многоканальной контрольно–измерительной аппаратуры ис-пользуемой в автоматизированных технологических комплексах оптического производства.

Диссертационная работа выполнялась в рамках Российских Националь-ных программ, проводимых при Головном совете СПб ГУ ИТМО «Оптические системы,  материалы и технологии»,  направленные на фундаментальные иссле-дования по темам «Исследование градиентных и фрактальных свойств припо-верхностных слоев материалов оптоэлектроники поляризационно–оптическими методами» и «Дифракционные и эллипсометрические исследования фракталь-ной структуры полимерных мембран, полупроводниковых и композитных мате-риалов».

Часть исследований выполнена в рамках отраслевых программ ВНЦ ГОИ им. C.И.Вавилова по прикладным исследованиям в области управляемых тех-нологий оптического производства по темам: «Изучение свойств поверхности стекол неразрушающими методами» и «Усовершенствование технологии по-лучения голографических дифракционных решеток».

Реализация результатов работы за период 1983–1990 г.г. отражена в актах внедрения научно–технических достижений от целого ряда предприятий и ор-ганизаций,  в том числе: Московский электроламповый завод (МЭЛЗ, Москва); Научно-исследовательский институт технического стекла (НИТС, Москва); Московский институт электромеханики и автоматики (МИЭА, Москва); Гос-ударственный институт прикладной оптики (ГИПО, Казань); Научно-иссле-довательский институт оптического станкостроения и вакуумной техники (НИИ ОС и ВТ, Минск); Центральное конструкторское бюро «Пеленг» (ЦКБ «Пеленг», Минск); Научно-исследовательский институт «Домен» (НИИ «До-мен», Санкт-Петербург).

Реализация результатов работы за период 2000–2009 г.г. отражена в актах внедрения от предприятий ООО «Кварцевое стекло» и ФГУП НИТИОМ ВНЦ им. С.И.Вавилова. Результаты работы, затрагивающие теоретические и методи-ческие основы эллипсометрии неоднородных анизотропных оптических сис-тем и шероховатых поверхностей, использованы также в учебном процессе в СПб ГУ ИТМО.

Основные положения и результаты, выносимые на защиту

1. Метод решения задачи отражения поляризованного света от неодно-родных анизотропных слоев с произвольным законом изменения главных зна-чений тензора диэлектрической проницаемости и угла ориентации оптической оси по глубине поверхностного слоя одноосного кристалла, основанный на применении теории возмущений к рекуррентным соотношениям Абеле для многослойных однородных систем,  позволяет обобщить существующие теоре-тические рассмотрения задачи отражения поляризованного света  от неодноро-дного анизотропного слоя при описании его оптических свойств макроско-пическими характеристиками в приближении теорий Друде–Борна.

2. Метод последовательного эллипсометрического анализа неоднородных отражающих систем, основанный на физико–математическом моделировании вида оптического профиля неоднородного слоя и корреляционной функции шероховатой поверхности, позволяет определять оптимальные условия экспе-римента, при которых можно сравнивать различные по своему физическому содержанию модели поверхностного слоя при наименьшей вероятности ошиб-ки в оценки их адекватности объекту исследования и проводить высокоточные измерения их оптических параметров при экспериментальных условиях, когда наилучшим образом обеспечиваются метрологические возможности использу-емой  аппаратуры.

3. Метод эллипсометрического контроля параметров шероховатой повер-хности неоднородной подложки, основанный на обобщении теорий отражения поляризованного света Друде–Борна и Релея–Райса, позволяет при многоугло-вых измерениях поляризационных характеристик () и  () определять сред-неквадратическую высоту и среднеквадратическую длину пространственной корреляции шероховатости при наличии на поверхности элемента неоднород-ного слоя.

4. Метод аттестации потерь оптического излучения в элементах лазерной техники, при совместном использовании эллипсометрической и спектрофото-метрической аппаратуры, позволяет по поляризационно–оптическим парамет-рам шероховатой поверхности неоднородной подложки определять потери оптического излучения в поверхностном слое внутрирезонаторных элементов ионных и эксимерных лазеров, а также показатель ослабления излучения в ма-териале оптической детали в УФ области спектра с погрешностью S 0,02%.

5. Двухстадийное ионно–плазменное распыление поверхностного слоя полированного кварцевого стекла низкоэнергетическими пучками ионов Ar+ с последующей низкотемпературной тепловой обработки, позволяет уменьшить потери оптического излучения в ВУФ области спектра на внутрирезонаторных элементах ионных  и эксимерных лазеров.

6. Одновременное использование методов эллипсометрии и волноводной спектроскопии в измерительной системе технологического контроля  элементов оптотехники позволяет при совместном решении обратной задачи ВКБ и эллип-сометрии реконструировать оптический профиль маломодовых волноводов не-разрушающим способом. Образование волноводных слоев на фторсодержащих силикатных стеклах при их полировании и хранении во влажной атмосфере связано с гидролитической деструкцией поверхностного слоя стекла.

7. Метод многоугловой эллипсометрии, основанный на обобщенном ура-внении эллипсометрии Друде–Борна для отражающей системы «неоднородный слой – неоднородная подложка», позволяет определять распределение пока-зателя преломления n(r) по аксиальному сечению градана при наличии на по-верхности элемента неоднородного слоя, а в методе секционирования много-слойной неоднородной отражающей системы ее оптические характеристики.

По совокупности экспериментально полученных результатов, теоретиче-ским и методическим обоснованиям методов физико–математического модели-рования структуры неоднородной системы, основным научным положениям вынесенным на защиту, обосновывается и формулируется новое научное направление эллипсометрия неоднородных анизотропных оптических систем и шероховатой поверхности неоднородной подложки  с модифици-рованной структурой поверхностного слоя. 

Личный вклад автора. Диссертация написана по материалам исследо-ваний, направление которых сформулировано лично автором и выполненных лично или при непосредственном участии автора. Соавторство относится к проведению части расчетов, совместному проведению ряда экспериментов, об-суждению результатов исследований.

       

  Апробация результатов работы и публикации. Результаты научной работы докладывались и обсуждались на Всеросийских (Всесоюзных) и Меж-дународных симпозиумах и конференциях с 1983 по 2009 г.

Основные результаты работы были изложены в научных трудах следую-щих конференций:

V Всесоюзной конференции по кварцевому стеклу (Ленинград, 1983.); I и II Всесоюзной конференции «Теоретическая и прикладная оптика» (Ленин-град, 1984, 1986.); VIII Всесоюзном совещании «Стеклообразное состояние» (Ленинград, 1986.); VI и VII Всесоюзных cимпозиумах «Оптические и спектра-льные свойства стекол» (Рига, 1986, Ленинград, 1989.); VI Всесоюзной конфе-ренции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» (Москва, 1986.); III и IV Всесоюзных конференциях «Эллипсометрия – теория, методы, приложения» (Новосибирск, 1985, 1989.); Международной конференции «Прикладная оптика – 98» (Санкт–Петербург, 1998.); VIII Международной конференции «Опти-ческие, радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества ма-териалов, промышленных изделий и окружающей среды» (Ульяновск, 2000.); V и VI Международных конференциях «Прикладная оптика» (Санкт–Петербург, 2002, 2004.); VII Международной конференции «Прикладная оптика – 2006», проводимой в рамках Международного оптического конгресса «ОПТИКА – XXI век» (Санкт–Петербург, 2006.); 4th International Conference on Spectroscopic Ellipsometry (June 11–15, 2007, Stockholm, Sweden); 5th Workshop Ellipsomtry (March 2nd – 4th, Zweibruecken,  Germaniy, 2009.)

Результаты научно–исследовательских работ, проводимых с бакалавра-ми, магистрами и аспирантами СПб ГУ ИТМО, докладывались и обсуждались на XXX – XXXVIII научно–технических конференциях ППС СПб ГУ ИТМО  (СПб, 1999–2009 г.) и научно–методической конференции, посвященной 190-летию транспортного образования (СПб: СПб ГУВК, 1999.).

Основные материалы диссертационной работы опубликованы в 55 науч-ных трудах, в том числе 27 научных статьях опубликованных в изданиях, реко-мендованных ВАК для докторских диссертаций (перечень ВАК от 01.01.2007).

Структура и объем диссертации.  Диссертационная работа состоит из введения,  пяти глав, списка литературы, включающего 198 наименований,  двух приложений; содержит 299 страниц основного текста, 65 рисунков и 15 таблиц.

  КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы и разработка нового прибор-но–методического направления в эллипсометрии неоднородных анизотропных оптических систем и шероховатых поверхностей неоднородной подложки; сформулирована цель и задачи работы; ее научная новизна и практическая значимость; представлены основные положения и результаты, выносимые на защиту и дано краткое содержание каждой главы диссертационной работы.

В начале каждой главы представлена общая характеристика исследуемого вопроса на основе известных публикаций, рассмотрены основные проблемы и поставлены задачи исследования.

В первой главе  Физико–математическое моделирование структуры стеклообразующих систем и методы их диагностики  представлен системный анализ  методов физико–математического моделирования механизмов образо-вания и физико-химических свойств разнообразных силикатных систем (крис-таллов, стекол, пленок и т.п.). Приведен  теоретический анализ особенностей оптических и спектрометрических методов диагностики физико–химического состояния образующего поверхностного слоя в информационно–поисковой сис-теме «состав стекла – свойства ПС» {f(Cm)} и «структура стекла – свойства ПС» {f(Rm)} при различных физико–химических воздействиях на поверхность оп-тических элементов, выполненных из силикатных стекол и кристаллов.

При физико–математическом моделировании  изменений структуры твер-дого тела в кристаллическом и стеклообразном состоянии используется методи-ческий подход, при котором твердое тело рассматривается как система взаи-модействующих частиц. Все частицы твердого тела можно разделить на сле-дующие составляющие: частицы состава, определяющие само существование твердого тела (вещества); частицы структуры (как бездефектной, так и дефектной), определяющие консервативную часть твердого тела – его структуру; на фоне структуры могут существовать неконсервативные (кине-тические) образования в виде подвижных дефектов и квазичастиц (фононы, экситоны, плазмоны, электроны и дырки), названные так по их способности к участию в макропроцессах – кинетическими частицами.

При использовании понятий дискретная и континуальная неупорядо-ченность структуры кристаллического и плавленого кварца изложены исполь-зуемые модели кремнекислородной сетки силикатного стекла с учетом собст-венных и примесных дефектов. В последствии это позволило дать физико–математическое обоснование использования и границы применимости макро– и микроскопических характеристик для описания поляризационно–оптических свойств неоднородных  поверхностных слоев.

Рассмотрена классификация строения фрагментов стеклообразующих сис-тем по  среднему фактору связности (разветвленности) структурного каркаса Y, представляющего собой среднее число мостиковых связей или мостиковых ато-мов кислорода структурных полиэдров, который можно выразить уравнением:

,  (1)

где – сумма атомов с количеством связей, равным единице (щелочные ме-таллы и галогены); – сумма атомов с количеством связей больше единицы; z – валентность, координационное число. Для металлокислородных полиэдров с одним атомом кислорода,  связанных двойной связью, число zi=z–1.

При расчете Y по составу в формулу (1) вместо и подставля-ются  концентрационные выражения , где m представляет собой число катионов (атомов металла) в молекуле соответствующего оксида или число атомов фтора во фторидах; С – концентрация оксидов или фторидов в стекле, выраженная в молях или молярных процентах.  Значение Y для силикатных, фосфатных и боратных стекол, а также образующихся при различных внешних воздействиях ПС, находятся в пределе от 2 до 4. В стеклах и ПС, харак-теризуемых такими значениями Y, формируется непрерывная сетка мостиковых связей с образованием при Y=4 трехмерной каркасной, при Y=3 двумерной слоистой и при Y=2 одномерной цепочечной структуры. В идеальном случае при Y<2 структура не будет иметь непрерывного каркаса, а будет состоять из цепочек ограниченной длины (от максимально большого количества членов до двухчленных) и изолированных структурных фрагментов.

Приведены модели структуры однокомпонентных, двухкомпонентных и трехкомпонентных силикатных стекол  и описаны особенности метода «опти-мальных полиномов» при  физико-математическом моделировании оптических свойств двухкомпонентной структуры силикатной системы.

Изложены особенности диагностики физико-химического состояния не-однородных стеклообразующих систем методами электронной спектроскопии химического анализа (ЭСХА), ядерного микроанализа и эллипсометрии.

Рассмотрены методики расчета средней, эффективной толщины и пока-зателя преломления неоднородного поверхностного слоя с различным видом оптического и концентрационного профиля элементного состава стекла. Про-веденный  анализ физико–математических методов моделирования силикат-ных систем и используемых  методических подходов к изучению структуры, состава и поляризационно–оптических свойств ПС позволяет  сделать ряд сле-дующих выводов.

Поиск адекватных макроскопических моделей и физико-химических ме-ханизмов формирования неоднородной структуры стеклообразных систем,  ос-нованный на принципе «одна модель–один механизм», приводит к появлению большого количества разнообразных моделей  строения неупорядоченных сис-тем, само количество кото­рых свидетельствует о сложности проблемы создания цельной картины неоднородной силикатной системы.

Для преодоления односторонности описания совокупности самых разно-образных физико–химических свойств стеклообразных неупорядоченных сис-тем физико–математическое моделирование их структуры должно быть ос-новано на комплексном исследовании различными экспериментальными ме-тодами неоднородных поверхностных слоев, включая спектроскопические, ядерно–физические и поляризационно–оптические методы, по принципу "обоб-щенная модель структуры силикатной системы – физико-химические  механи-змы ее формирования – со­вокупность физико–химических свойств неодно-родной силикатной системы".

В эллипсометрических и спектрометрических методах исследования фи-зико–химических свойств поверхностного слоя силикатной системы физико–математическое моделирование его структуры должно осуществляться в рам-ках микро–  и макроскопических характеристик, описывая при этом особен-ности "дискретной" и "континуальной" неупорядоченности его структуры и состава ПС.

Во второй главе Поляризационно–оптические свойства неоднородных анизотропных слоев и шероховатых поверхностей  дается развитие теории метода эллипсометрического анализа поляризационно–оптических характерис-тик неоднородных анизотропных оптических систем и шероховатой поверх-ности неоднородной подложки.

Изложены особенности используемой эллипсометрической аппаратуры и методов многоугловой и иммерсионной эллипсометрии для определения поля-ризационно–оптических характеристик многослойных и неоднородных анизот-ропных отражающих систем. Из проведенного анализа следует, что, несмотря на целый ряд теоретических и методических работ, посвященных изучению состояния поляризации отраженного светового пучка от неоднородных, ани-зотропных или шероховатых ПС, до сих пор на практике ограничиваются либо оценкой физико–химического состояния поверхности объекта исследования по непосредственно измеряемым эллипсометрическим параметрам, либо рассмот-рение оптических свойств ПС и шероховатой поверхности осуществляется в рамках упрощенных моделей отражающих систем, математическое описание которых не всегда соответствует физическому содержанию исследуемого объ-екта.

Это побуждает отыскивать новые методические подходы к решению за-дачи отражения поляризованного света от неоднородных анизотропных слоев и шероховатых поверхностей, а потребности практики требуют разработки комп-лекса эллипсометрических методик для автоматизированных оптико–электрон-ных систем технологического контроля физико–технических характеристик оп-тических элементов, учитывающих реальную структуру отражающей поверх-ности.

Рассматриваются теоретические аспекты макро– и микроскопического подходов к описанию поляризационно–оптических свойств неоднородных ани-зотропных поверхностных слоев элементов оптотехники в методе эллипсомет-рии анизотропных оптических систем, основанных на обобщении существую-щих методов решения дифференциальных уравнений Максвелла при физико–математическом моделировании дискретной и континуальной неоднород-ности  структуры поверхностных слоев силикатных стекол и кристаллов.

Изложен методологический подход к решению задачи отражения поля-ризованного света от неоднородных анизотропных ПС двухосных кристаллов ромбической системы, когда оси тензора диэлектрической проницаемости параллельны осям X,Y,Z, где ось Z направлена вглубь ПС по нормали к повер-хности исследуемого объекта. Плоскость XOZ совпадает с плоскостью падения p–компоненты поляризованного света, плоскость YOX совпадает с s–компо-нентой поляризованного света. Основной особенностью изложенного метода решения задачи отражения поляризованного света от ранее известных является введение вспомогательной интегральной переменной

, (2)

где величина ξ(z)  функционально связана с главными значениями тензора  ди-

электрической проницаемости {X(z), Y(z), Z(z)}. Решение задачи отражения света от неоднородного слоя находится с точностью до членов, содержащих малый параметр βU=(ξэ–ξо)/ξо, βU<<1, где ξo – значение вспомогательной пере-менной в объеме кристалла.

На основе решения дифференциальных уравнений Максвелла получены выражения для коэффициентов отражения p– и s–компонент поляризованного света от неоднородного анизотропного слоя двухосного кристалла:

, (3)

, (4)

(5)

Здесь Y(p,s) – поправка к величине адмиттанса однородной подложки Uo(p,s);  UВ(p,s) – адмиттанс внешней среды;   – длина волны излучения; знак плюс берется для s–компоненты, а знак минус  для р–компоненты.

Для описания оптических свойств тонких слоев (d<<) используются ком-плексные  квазимикроскопические параметры: поляризуемость слоя в верти-кальном направлении о,  и высокочастотная поверхностная проводимость о, , которые связаны с нормальными составляющими векторов поляризации Pn  и  напряженности электрического поля En, а также с тангенциальными составляю-щими напряженности электрического поля Ex,y  и поверхностными токами jx,y=dP/dt,  соотношениями:

  , , (6)

где С – скорость света в вакууме; – частота излучения; о – диэлектрическая проницаемость однородной подложки.

Для коэффициентов отражения R(p,s) поляризованного света от тонкого слоя, находящегося на анизотропной подложке с тензором  о, на основе реше-ния дифференциальных уравнений Максвелла можно получить выражение: 

  , ,  (7)

  , (8)

  . (9)

Проведено сопоставление существующих теорий отражения поляри-зованного света в рамках макро– и микроскопического подходов к анализу поляризационнооптических свойств субтонких (мономолекулярных) ПС, ког-да для описания их оптических свойств используют квазимикроскопические характеристики: высокочастотную поляризуемость слоя и высо-кочастотную проводимость слоя где С скорость света.

При условии <<1 и <<1  соотношения между макроскопически-ми характеристиками тонкого слоя (dc<<) с тензором диэлектрической прони-цаемости с  микроскопическими параметрами квазикристаллической моде-ли ПС – параметрами x,y,z, введенными Д.В.Сивухиным в молекулярной теории отражения поляризованного света и cвязаными с поляризуемостью молекул ПС j, а для модели высокопроводящего ПС –  высокочастотной поверхностной проводимостью слоя , введенной Г.Е.Пикусом в теорию отражения поляризо-ванного света, можно записать в виде

  ,  , (10)

, . (11) 

Учитывая особенности используемых модельных представлений о струк-туре ПС в рамках макро– и микроскопического рассмотрения задачи отражения поляризованного света, следует иметь ввиду, что каждый из рассматриваемых методологических подходов будет отражать совокупность оптических свойств ПС характерную только выбранной  модели неоднородной структуры ПС. При этом микроскопические параметры описывают в большей степени изменение оптических свойств в приповерхностной области слоя глубиной порядка 5–50 элементарных ячеек структуры исходного вещества, а эффективные параметры слоя – показатель преломления n* и толщина слоя d* – в пределах всего ПС. В этом случае необходимо установить границы применимости каждого из мето-дологических подходов к описанию оптических свойств поверхностного слоя. Это можно выполнить на основе обобщенного уравнения эллипсометрии для неоднородной анизотропной оптической системы, полученного из  соотноше-ний  Абеле для многослойной анизотропной отражающей системы. При этом известные рекуррентные соотношения Абеле для коэффициентов отражения R(p,s)  следует записать как

, (12)

. (13)

Здесь Yj,o, – адмиттанс верхней границы системы однородных анизотроп-ных слоев; – адмиттанс  анизотропной однородной подложки; mk,l – эле-менты матрицы интерференции системы анизотропных слоев (М), которая определяется путем произведения матриц интерференции элементарных слоев Мj. При асимптотическом законе изменения главных значений тензора диэлек-трической проницаемости {X(z), Y(z), Z(z)} по глубине ПС  и произвольном угле ориентации оптической оси (z) в ПС одноосного кристалла, находящейся в плоскости падения светового пучка, используя теорию возмущений к методу эффективного слоя, получено уравнение эллипсометрии:

  , (14)

  ,  (15)

  ,  (16)

       ,  (17) 

  , (18)

  ,  (19)

. (20)

Здесь ρo,Ro(p,s) – эллипcометрическое отношение и коэффициенты отраже-ния от геометрически плоской границы раздела «внешняя среда – кристалл»; о,  о, , – параметры, зависящие от диэлектрической проницаемости для обык-новенного и необыкновенного лучей.

Для неоднородного изотропного ПС и изотропной однородной подложки, когда и  , в приближении теорий отражения поляризованного све-та Друде–Борна получено уравнение эллипсометрии 

, (21)

.  (22)

Здесь В, о – диэлектрическая проницаемость внешней среды и однород-ной подложки; – угол падения светового пучка. Для  описания распределения диэлектрической проницаемости (z) по глубине неоднородного ПС использо-вались следующие зависимости

  (23)

где n(0) – показатель преломления на границе раздела сред (z=0); d – характери-стическая толщина ПС.

Установлены границы применимости уравнений эллипсометрии для ли-нейного профиля {F1(q1z)} диэлектрической проницаемости (z)  при ошибке в расчете поляризационных углов 0,1о и 0,2о (рис.1,в), а для экспонен-циального профиля (z) ~{F2(q2z)} определены ошибки в расчете толщины ПС (рис.1,а) и показателя преломления (рис.1,б).

Погрешность измерения  Sa искомого параметра ПС аi можно определить

по известной пороговой чувствительности эллипсометра So :

, (24)

где F(ai) функция ошибки искомого параметра для выбранной физико математической модели структуры ПС, которую для неоднородного ПС удобно представить как Fn,d(x)=F(ai)/Aо, где параметр x=2Uo(s)kod пропорционален от-носительной толщине ПС x~(d/).

 

Рис.1. Ошибки в расчете толщины d (a) и показателя преломления n (б) при реше-нии обратной задачи эллипсометрии для экспоненциального профиля ПС по уравнению в приближении Борна и границы применимости уравнений эллип-сометрии для линейного профиля ПС (в): кривая 1 – в приближении Друде; кривая 2 – в приближении Борна; кривая 3 – в приближении Друде–Борна.

Sd –  погрешность в расчете толщины ПС, nПС=n(0) – no=0,05; 0,08; 0,15; длина волны излучения =0,6328 мкм; угол падения светового пучка =50о.

На рис.2 показано изменение функции Fn,d(x) для линейного (q2=0), экс-поненциального (q1=0) и профиля ПС (z) (формула (22) при q1=q2). Видно, что при толщине ПС d<< возникает неопределенность в определении показателя преломления слоя n(0) (значение Fn(x) при x0), а для протяженного ПС (при d>>)  увеличивается значение Fd(x) и, соответственно, возрастает погреш-ность Sd, т.е. возникает неопределенность в определении толщины d* cлабо градиентного слоя.

 

Рис.2. Изменение значений функции ошибок Fn,d(x) для линейного (а), экспоненциаль-ного (б) и обобщенного оптического профиля ПС n(z) (формула (23)) (в). кривая 1 – показатель  преломления n(0); кривая 2  – толщина ПС d .

Определены границы области неоднородного ПС {dmin, dmax}, в пределах которой методом эллипсометрии можно в рамках теории Друде–Борна одно-значно определить макроскопические характеристики слоя. В области толщин слоя d<dmin для описания оптических свойств ПС следует использовать микро-скопиические характеристики – высокочастотную проводимость и поля-ризуемость слоя. При толщинах ПС d>dmax следует использовать априорную информацию об оптических свойствах слоя, полученную, например, методом волноводной  спектрометрии. Границы области {dmin, dmax} в эспериментальных исследованиях можно изменить путем применения специальной спектро­эллип-сометрической аппаратуры с малой величиной пороговой чувстви­тельности прибора – δSo.

На основе соотношений для коэффициентов отражения поляризованного света отраженного от неоднородного ПС, полученных в приближении теорий Друде–Борна, и шероховатой поверхности однородной подложки, полученных в приближении теорий Релея–Райса, используя физико–математическое моде-лирование границы раздела неоднородных сред по методу эффективной под-ложки, получено обобщенное уравнение эллипсометрии для шероховатой по-верхности неоднородной подложки:

,  (25)

,  (26)

, (27)

, .  (28)

Здесь Ф() функция, зависящая от среднеквадратического корреляцион-ного расстояния и вида корреляционной функции шероховатой поверхности Rш(r); среднеквадратическая высота шероховатой поверхности; Yн  поправка к адмиттансу однородной подложки.

Определены границы применимости уравнения эллипсометрии (25) для определения параметров шероховатой поверхности кварцевого стекла с экспо-ненциальным оптическим профилем ПС и проведена оценка пороговой чувст-вительности метода эллипсометрии к среднеквадратичной высоте min шеро-ховатой поверхности атомарно чистого  кремния ( no=3,865 и ko=0,023). Из про-веденного теоретического анализа следует, что замена шероховатого слоя, на-ходящегося на неоднородной подложке, однородной средой с эффективными  опти­ческими постоянными N* и * справедлива при малой высоте микро-рельефа << и малой величине отклонения диэлектрической проницаемости ПС q от объемного значения o или малой толщине ПС d<< (т.е. в прибли­жении теорий Друде–Борна). При этом параметры шероховатой поверхности, в пределах которых можно гарантировать надежность метода эллипсометрии при использовании прибора типа ЛЭФ с пороговой чувствитель­ностью Sо=3·10–4,  принимают значения по величине среднеквадратической высоты от min=5 до max=55110 при значении корреляционного расстояния =0,031 мкм.

Для объективной оценки возможностей эллипсометрии при опреде­лении параметров шероховатой поверхности оптических элементов сопо­ставлены ре-зультаты измерений полученные различными физическими методами (табл.). Среднеквадратическое отклонение точек профиля поверхнос­ти, обозначенное символом *, для образцов 1–3 определя­лось методом профилометрии на приборе "Talistep", на образ­цах 4,5 –  методом спекл–интерферометрии. Из представленных в таблице результатов измерений следует, что значения сред-неквадратической высоты микрорельефа , получен­ные методом эллипсо-метрии на основе уравнения (25), хорошо сог­ласуются с данными других фи-зических методов.

Однако метод эллипсометрии имеет существенное преимущество по сравнению с другими методами, поскольку позволяет наряду с па­раметрами шероховатой поверхности одновременно определять и пара­метры ПС, которые также дают информацию о качестве обработки по­верхности детали. В част-ности, при одинаковых значениях высоты ше­роховатой поверхности  эффектив-ные значения показателя преломления n* и толщины d* неоднородного ПС могут существенно различаться  (таблица, образцы 3,5), что может сказываться на потерях оптического излучения на поверхности оптических элементов в ви-димой и УФ областях спектра.

Таблица. Сравнение параметров шероховатой поверхности кварцевого стекла, определяемых различными физическими методами

  №

образца

Угол

изме-

рения,

 

 

  Поляризаци-

  онные углы

Эффективные параметры  ПС и

шероховатой поверхности элементов

 

  n*

d*, мкм

  ,мкм

,

*,

 

  1

  2

  3

  50o

  60o

  50o

  60o

  50o

  60o

180o01/

359o57/

180o36/

358o54/

180o55/

358o53/

8o38/

7o00/

8o44/

6o55/

8o50/

6o52/

1,4572

1,4588

1,4597

0,73

0,54

0,65

0,3

0,2

  0,06

  6,2

  16

  22

4

  13

  20

 

  4

  5

 

  50o

  60o

  50o

  60o

180o07/

359o08/

180o10/

359o58/

8o38/

7o01/

8o35/

7o00/

1,4576

1,4600

  0,20

  0,07

0,03

0,03

 

  11

  23

  10

  20

       

В рамках макроскопического подхода исследованы основные закономер-ности изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от неод-нородного слоя с различным распределением показателя преломления по глу-бине ПС. Установлены корреляционные связи между типом поляризации отра-женной плоской монохроматической волны, угловой зависимостью поляриза-ционных параметров () и (), отклонения  угла поляризации п  от угла Брюстера Б и видом оптического профиля неоднородного слоя.

Показана принципиальная возможность определения вида оптического про-филя ПС методом эллипсометрии неразрушающим способом и определены фи-зические границы применимости моделей неоднородного ПС, для которого рас-пределение диэлектрической проницаемости по глубине слоя описывается мо-нотонной функцией (z) (линейной, экспоненциальной) или аналитическими зависимостями  (z) имеющими экстремум в глубине ПС.

На основе исследований основных закономерностей изменения состояния поляризации отраженного светового пучка от шероховатых поверхностей одно- родной подложки, выполненной из кварцевого стекла и кремния, установлено, что при эллипсометрических измерениях имеется принципиальная возмож-ность различать поляризационные эффекты связанные с микрорельефом повер-хности от изменений состояния поляризации монохроматической волны выз-ванной наличием неоднородного поверхностного слоя (рис.3) или на полупро-водниковых элементах Si наличием диэлектрической пленки SiO2 (рис.4).

 

  Рис.3 (–) номограммы экспоненциального профиля ПС (а) и гауссовой  (б) и экс-поненциальной (в) корреляционной функцией Rш(r) шероховатой поверхности  кварцевого стекла.  а) «+» – точное решение; «о» – уравнение в приближении Борна; «» nc=const; – d=const;  б), в) сплошные линии – линии постоянной величины : 1 – 6 нм, 2 – 8 нм;  пунктирные линии – линии постоянного корреляционного расстояния  (значения приведены в мкм). Длина волны из-лучения =0,6328 мкм; угол падения светового пучка =50о.

Из полученных данных видно, что при толщине ПС 0<d< и отклонении показателя преломления ПС поляризационные параметры имеют значения  >o и >o (рис.3,а),  где o=180о и o=8,623о, для шерохо-ватой поверхности однородной подложки с гауссовой и экспоненциальной кор-реляционной функцией значения <o и <o  (рис.3, б,в). Если для шерохо-ватой поверхности кремния азимут линейной восстановленной поляризации принимает значения <о, то для окисной пленки SiO2 c ростом ее толщины dc значения эллипсометрического параметра >о (рис.4,б).

Если  сопоставляются две альтернативные физикоматематические мо-дели неоднородной структуры  ПС, то необходимое и достаточное условие для выбора j-ых измерительных ситуаций, в которых можно распознать i-ую и k-ую модели структуры ПС по поляризационно–оптическим параметрам и   мето-дом многоугловой эллипсометрии определяется соотношениями:

  ,  , (29)

,  ,  (30) 

где Sj,, Sj,  – среднеквадратические погрешности измерений поляризационных углов j и j  в  j-ой измерительной ситуации; и  – расчет-ные значения поляризационных параметров для i-ой и k-ой модели отража-ющей системы, одна из которых верна. Если,  например,  i-ая модель структуры ПС верна, то это означает, что во всех рассматри­ваемых j-ых измерительных ситуациях должно выполнятся условие i,j(т)=j(э) и i,j(т)=j(э),  где j(э), j(э) – экспериментальные значения основных эллипсометрических параметров.

Рис.4 (–) номограммы для экспоненциальной (а) и гауссовой (б) корреляционной функций Rш(r) шероховатой поверхности  кремния и оптимальные условия их определения при многоугловых эллипсометрических измерениях (в). 

  а), б) сплошные линии: кривая 1 – = 2 нм, кривая 2 – = 4 нм; пунктирные линии: кривые 3 – линии постоянного корреляционного расстояния =const; кривая 4 – изменение поляризационных параметров (–) от толщины d окисной пленки  SiO2 (n=1,46); в) кривая 1 – погрешность определения фазо-вого сдвига S; кривые 2,3 – зависимости разности фазовых сдвигов меж-ду экспоненциальной и гауссовой корреляционной функции шероховатой по-верхности кремния: 2 – при =15 ; 3 – при =10 . Длина волны излучения =0,6328 мкм; угол падения светового пучка =70о.

Из проведенного теоретического анализа следует, что при среднеквадра-тической высоте микрорельефа 15 определить корреляционную функцию Rш(r) шероховатой поверхности кремния возможно при проведении эллипсо-метрических измерений при углах падения светового пучка j=71о75о, но при среднеквадратической высоте шероховатости 10 условие (29) не выпол-няется и распознать вид корреляционной функции Rш(r) в методе эллипсомет-рии для такой отражающей системы не представляется возможным (рис. 4, в). Однако это не означает, что для малых высот микрорельфной поверхности нель-зя определять ее параметры.

Численный эксперимент проведенный с целью выяснения влияния вида корреляционной функции шероховатой поверхности на изменение состояния поляризации отраженного светового пучка показал, что при малой среднеквад-ратичной высоте шероховатой поверхности (30) решение обратной задачи эллипсометрии для одних и тех же значений поляризационных углов и  , но разных видов корреляционных функций дает в пределах экспериментальных погрешностей  дает одно и тоже значение среднеквадратической высоты микро-рельефа поверхности, а между значениями корреляционных расстояний для гауссовой и экспоненциальной функциями выполняются соотношения, которые аналогичны по своему физическому содержанию соотношениям используемым при сравнении средних параметров неоднородных ПС с различным видом опти-ческого профиля (z). 

Также показано, что не учет влияния поляризационных свойств шерохо-ватой поверхности может в ряде случаев приводить не только к ошибкам в рас-чете оптических параметров ПС, но и к ошибкам в определении вида опти-ческого профиля ПС.

В третьей главе Методы эллипсометрического контроля оптических характеристик поверхностных слоев элементов лазерной техники изложены методы эллипсометрического и спектроскопического контроля  оптических ха-рактеристик неоднородных слоев и шероховатой поверхности внутрирезона-торных элементов ионных лазеров.

Критерием качества оптических внутрирезонаторных элементов ионных лазеров в видимой и УФ областях спектра, является вели­чина потерь излучения на этих элементах. Для объективной оценки качества изготовления  оптических элементов необходимо различать потери оптического излучения, вызванные изменением структуры ПС детали, от потерь связанных с ослаблением оптичес-кого излучения в объеме материала, из которого выполнена эта деталь.

В качестве объектов исследования были использованы оптические эле-менты выполненные из кристаллического кварца и кварцевых стекл, получен-ных разными технологическими способами: высокотемпературным гидроли-зом паров тетрахлорида кремния в кислородно–водородном пламени; вакуум-но–компрессионным методом плавления кристаллов кварца; плавлением кварца в кислородно–водородном пламени. Для преодоления односторонности опи-сания совокупности технологических факторов, влияющих на  структуру квар-цевого стекла, изучение  его оптической однородности проводилось на основе комплексного подхода к исследованию различных физико–химических свойств силикатной системы (плотности р, показателя преломления n, показателя осла-бления излучения (см–1) и концентрации ОН–групп СОН) по блоку паро-фазного кварцевого стекла методами ИК и УФ спектрофотометрии, интер-ферометрии, эллипсометрии и термоградиентным флотационным методом.

Оптическая неоднородность в блоках кварцевого стекла обусловлена, в основном, двумя факторами. Во–первых, разным участкам блока стекла соот-ветствует определенная «фиктивная» температура Т, от значения которой, как правило, зависит позиционная (или геометрическая) неупорядоченность струк-туры кремнекислородной сетки кварцевого стекла, которая, в свою очередь, может быть связана с  образованием кластеров или комплексов с тетрагональ-ными искажениями в октаэдрическом комплексе [SiO4/2]о или с образованием локальной неоднородности близкой к структуре кристобалита или тридимита. Во–вторых – неоднородностью химического состава стекла, обусловленного, например, наличием в объеме материала градиента концентрации гидроксиль-ных ОН–групп, т.е. различных химических связей в силикатной системе SiOx(OH)y – комбинационной (или химической) неупорядоченностью крем-некислородной сетки по радиусу R блока кварцевого стекла.

Измерение оптической неоднородности по показателю преломления n(R) по радиусу R блока  парофазного кварцевого стекла осуществлялось в интерфе-рометре Тваймана c погрешностью измерения  Sn=±1·10–6. Плотность образцов р(Т, СОН) измерялась термоградиентным флотационным методом, разработан-ным в ФТИ им. А.Ф.Иоффе, с погрешностью Sp=±3·10–5 г/cм3. В качестве рабочей жидкости использовалась бинарная система дибромэтан–бромформ, концентрация которой была подобрана так, чтобы при температуре Т=2530 оС плотность кварца находилась между крайними значениями плотности раствора в термоградиентной трубке. Измерение плотности образцов осуществлялось при достижении ими флотационного равновесия в течении t2 часов. В ка-честве эталона использовался образец кварцевого стекла, плотность которого была предварительно измерена методом гидростатического взвешивания с точ-ностью Sр=1·10–5 г/cм3 в ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. В процессе измерений плотность образца определялась по формуле:

, (31)

где робр.– плотность исследуемого образца; рэт. .– плотность эталона; . – коэффициент объемного расширения рабочей жидкости; Т – температура. Знак «+» или «–» выбирается в зависимости от положения образца относительно эталона в термоградиентной трубке.

Методом ИК–спектроскопии в образцах кварцевого стекла по интенсив-ности полосы при =3680 см–1 (=2,72 мкм) контролировалось содержание свя-занных гидроксильных групп Si–O–Н, а при  =2540 см –1 (=3,94 мкм) содер-жание  групп Si–Н. Результаты исследования оптической однородности паро-фазного кварцевого стекла КС-4В по показателю преломления  n(R) сопос-тавлялись с изменением «фиктивной» температуры Т(R) и концентрации СОН ОН–групп  в различных блоках парофазного кварцевого стекла  (рис.5).

Видно, что  местонахождение экстремумов (min и max) физико–хими-ческих параметров Т(R), СОН(R), n(R)  и характер их изменения в разных бло-ках кварцевого стекла практически совпают.  Если совпадение по блоку «фик-тивной» температуры Т(R) и концентрации СОН (R) (рис.5, а, б, кривые 1) можно объяснить тем, что растворимость ОН–групп в области расплава кварцевого стекла растет с повышением температуры (химическая неупорядоченность структуры кварцевого стекла), то изменение показателя преломления n(R) следует связывать также и с позиционной неупорядоченностью структуры стек-ла.

 

Рис.5 Изменение «фиктивной» температуры Т(R) (а), концентрации СОН (R) гидролити-ческих  ОН–групп (б), оптической однородности по показателю преломления n(R) (в) по диаметру различных блоков (1,2,3) парофазного кварцевого стекла КС–4В и номограмма распределения показателя ослабления УФ излучения Р() для различных партий кварцевого стекла (г).

Путем измерений коэффициента пропускания Т  на  спектрофотометре «Specord M40» при длине волны =200 нм определялся показатель ослабления излучения по формуле:

    (32)

где То – коэффициент пропускания образца с учетом потерь излучения на фре-нелевское отражение от поверхностей детали; L – толщина образца в см. Показатель преломления кварцевого стекла при =200 нм  no=1,5465, значение lgТо= –0,0482, погрешность измерения показателя ослабления излучения  равна S=±5·10–4 cм–1.

На рис. 5, г показаны гистограммы распределения показателя ослабления излучения Р() для всех образцов парофазного кварцевого стекла (блоки 1,2,3), полированного первоначально по стандартной технологии в водной суспензии полирита на глубину съема материала h10 мкм (партия 1), а затем по методу глубокого полирования с добавлением в полирующую суспензию диоксида це-рия (~ 20 мас.% CeO2) на глубину съема материала h20 мкм (партия 2). Из представленных данных следует, что на потери оптического излучения  вли-яет не только неоднородность физико–химической структуры и состава по бло-ку парофазного стекла, но и неоднородность физико–химической структуры  ПС, образованного при полировании оптического элемента. Поэтому расхож-дение между средними значениями ср  и /ср для первой и второй партии кварцевого стекла следует отнести к влиянию физико–химической структуры ПС на потери излучения в УФ области спектра.

В качестве неразрушающего метода эллипсометрического конт­роля оп-тических характеристик ПС внутрирезона­торных элементов рассмотрен метод физикоматематического моделирования вида оптического профиля ПС, осно-ванный на определении оптималь­ных экспериментальных условий, при кото-рых можно, на основе кри­терия максимального правдоподобия, давать оценку адекватности различных по своему физическому содержанию моделей ПС объекту исследования.

Данный критерий основан на сопоставлении экспериментальных и теоре-тических результатов физико–математического модерирования неоднородных оптических систем с использованием функционала F(, , S,, m), значение которого зависит не только от эксперимен­тальных ((э), (э))  и расчетных ((т), (т) )  значений поляризационно–оптических характе­ристик исследуемого объ-екта, ошибок их измерения S,, но и вида используемой модели оптического профиля ПС nm(z), где m=1,2,3…, m – порядковый номер модели в рассмат-риваемой совокупности поляризационно–оптических свойств объекта. В част-ности, таким условиям удовлетворяет функция вида:

  , (33)

где М – число измерительных ситуаций, которое определяется совокупностью вариаций независимых параметров, изменяемых при многоугловых {j}, им-мерсионных {nВ,j} или спектральных {j} эллипсомерических измерений. Сред-неквадратические погрешности эллипсометрических параметров Sj, и Sj, мож-но определить по известной пороговой чувствительности прибора So .

На первом этапе, последовательно, используя ре­шение обратной и пря-мой задачи эллипсометрии, осуществляется прог­нозирование изменений поля-ризационных углов и и возможных оши­бок их измерения Sj+1,, и Sj+1, для m–альтернативных моделей ПС в лю­бой (j+1)-ой измерительной ситуации в зависимости от эксперимен­тальных значений и , т.е.  полу-ченных в j-ой ситуации. При этом расчетным путем устанавливаются функцио-нальные зависимости

, ,  (34) 

, . (35)

С точки зрения наибольшей вероятности принятия правильного решения о соответствии i-ой или k-ой модели ПС объекту исследо­вания, выбор оп-тимальных условий для продолжения эксперимента определяется  совокупно-стью  измерительных ситуаций, при которых функция ошибки F(m) имеет наи-большую зависимость своих  значений от вида модели отражающей системы.  Поскольку выбранный функционал F(m) не противоречит условиям χ2–распре-деления, то по зависимостям (33)–(35) несложно теоретически оценить  веро-ятность ошибки II рода II()  в различных измерительных ситуациях, нап-ример, при многоугловых эллипсометрических измерениях для  двухальтерна-тивных моделей ПС. Для полированного образца кварцевого стекла в рамках моделей оптического профиля (z), описываемых функциями F2(q2·z) и F3(q2·z) (23), теоретическая вероятность ошибки  II() показана на рис. 6, а, кривая 1.

В измерительных ситуациях, при которых II() min, проводится изме-рение поляризационных параметров (э) и (э), а по значению функционала F(m) определяется вероятность ошибки второго рода II,эксп., полученной уже с уче-том реальных погрешностей измерения поляризационных углов Sj, и Sj, (рис. 6, а, кривые 1,2) и оценивается адекватность каждой i–ой модели отражающей системы объекту исследования.  Для исследуемого элемента, выполненного из кварцевого стекла, оптический профиль (z) имеет экспоненциальную зависи-мость F2(q2·z), что подтверждается  данными полученными при исследовании элементного состава ПС кварцевого стекла методом электронной Ожеспектро-метрии (рис. 6, в).

 

  Рис.6 Вероятность ошибки второго рода II()  для моделей оптического профиля ПС  F2(q2·z) и  F3(q2·z) (a), теоретические зависимости  погрешности опти-ческих параметров ПС для профиля F2(q2·z) (б) и  элементный состав ПС кварцевого стекла, полированного полиритом «П» и алмазным порошком «А», исследованный методом  Оже-спектрометрии (в).  а) 1 – теоретическая зависимость () для моделей ПС F2(q2·z) и  F3(q2·z), 2, 3 – по экспери-метальным данным для модели ПС F2(q2·z); б) кривая 1 – показатель пре-ломления ПС, кривая 2 – толщина ПС.

На втором этапе, для i–ой модели отражающей системы по известной  пороговой чувствительности прибора So определяются экспериментальные условия, где ошибки измерения физических параметров (показателя прелом-ления и толщины слоя) для этой модели ПС минимальны (рис.6, б). По изме-ренным в этих экспериментальных условиях значениям физических параметров оценивается их метрологическая надежность.

Эллипсометрический анализ неоднородного ПС, проводимый в видимой (=0,6328 мкм) и ИК области спектра (=10,6 мкм) показал, что оптический профиль ПС полированного кварцевого стекла имеет как сильно градиентную область слоя толщиной до dI ~ 0,3 мкм (участок I), так и слабо градиентную область ПС (участок II), локальное значение показателя преломления n(z) в которой незначительно отличается от объемного значения no=1,4570, а толщина этой области ПС dII>> (рис.7). Эта особенность оптического профиля ПС полированных деталей позволяет сделать вывод о том, что в видимой области спектра удобно определять толщину dI сильно градиентной области ПС, физико–химические свойства которой определяются процессами протекающими при полировании детали. В ИК области спектра целесообразно определять глубину всего нарушенного слоя, образующегося при шлифовании оптической детали, и который в процессе полирования удаляется за счет микросрезывающего действия абразива.

Методами эллипсометрии и спектрофотометрии в УФ области спектра определены оптимальные условия технологической обработки кварцевого стек-ла для получения оптических элементов с минимальными потерями излучения в УФ области спектра. Сопоставление значений показателя ослабления излу-чения в стекле о, полученное с учетом поверхностных потерь п рассчитанных по данным метода эллипсометрии, показало что величина поверхностных по-терь п соизмерима с потерями оптического излучения в стекле и не учет  их при спектрофотометрических измерениях приводит к завышенным значениям по сравнению с истинным значением показателя ослабления излучения в стекле о. Одновременное применение метода эллипсометрии и спектрофотометрии поз-воляет определить показатель ослабления излучения в материале, из которого выполнена деталь и потери излучения связанные с наличием поверхностного слоя.

Рис.7 Оптический профиль ПС кварцевого стекла в видимой (а) и ИК  области спектра  (б.в) (при съеме материала: кривые 1 – h=5 мкм; кривые 2  –  h=15 мкм) и изменение эффективных параметров слоя (г) ( при =0,6328 мкм : 1 – n*, 2 – d*; при  =10,6 мкм : 3 – n(0), 4 – k(0), 5 – d*)

Для внутрирезонаторных элементов ионных лазеров использовались оп-тические детали изготовленные из кристаллического и плавленого кварца и прошедшие ионноплазменную и ионнохимическую обработку. В приближе-нии теории ДрудеБорна получено уравнение эллипсометрии для многослой-ной неоднородной отражающей системы:

,  (36)

.  (37)

Уравнение (36), (37) непосредственно связывает оптические характерис-тики j-ого неоднородного слоя с диэлектрической проницаемостью j(z) с эл-липсометрическими параметрами измеренными до нанесения j-ого слоя j-1  и после j.  Для его решения не требуется априорной информации о виде опти-ческого профиля нижележащей отражающей системы ПС j-1 (z).

На основании уравнения (36), (37) установлено, что при ионно–плазмен-ной обработке кварцевого стекла КУ1 происходит формирование ПС с двух-слойной структурой. В зоне непосредственного взаимодействия ионов Ar+ c гидролизованным в процессе полирования кварцевого стекла ПС SiOx(OH)y образуется сильно градиентный слой толщиной до 50 , оптические свойства которого описываются микроскопическими параметрами – высокочастотной поляризуемостью в тангенциальном , и нормальном ,n направлении к гра-нице раздела сред, и протяженный подслой толщиной до 0,15–0,20 мкм, оптические свойства которого описываются макроскопическими параметрами – эффективной толщиной d* и показателем преломления n*.

При распылении ПС полированного кварцевого стекла КУ1 ионами Ar+  наибольшее отклонение показателя преломления ПС n(0) от показателя прелом-ления стекла no наблюдается в области h~0,5 мкм (рис.8,а), т.е. в зоне наибольшей концентрации дефектов структуры ПС, возникающих при поли-ровании стекла с образованием гидрооксидов SiOx(OH)y, которые характери-зуются появлением центров поглощения излучения в ВУФ области спектра.

Рис.8 Изменение оптических параметров ПС и шероховатой поверхности (а), коэф-фициентов  пропускания в ВУФ области спектра (б) кварцевого стекла КУ1 при ионно-плазменной обработке; оптических параметров ПС (в) и параметров шероховатой поверхности (г)  при ионно-химической обработке кварцевого сте-кла КУ1.

  а)  кривая 1 – n(0);  кривая 2 – dср.;  кривая 3 – ; кривая 4 – ;  кривая 5 – <>;

  б) кривая 1 – полированная поверхность; кривая 2 – после предварительной об-работки ионами Ar+ c ЕАr=1,5 кэВ на глубину h=1,0 мкм и последующей ионной обработки Ar+ c ЕАr=0,5 кэВ на глубину h=0,2 мкм; кривая 3 – после окончательной термообработки стекла при Т=600 оС;

  в)  кривая 1 – n(0), кривая 2 – d*;  г) кривая 3 – , кривая 4 – , кривая 5 – <>.

При дальнейшем распылении ПС (до h~2мкм) оптические параметры d* и n(0) изменяются незначительно, но селективность ионно–плазменного распы-ления ПС приводит к возрастанию высоты микрорельефа и угла наклона микрограней шероховатой поверхности <>. Двухстадийное ионно–плазменное распыление поверхностного слоя полированного кварцевого стекла низкоэнер-гетическими пучками ионов Ar+ (рис. 8, б, кривая 2) и последующий терми-ческий отжиг радиационных дефектов приводит к уменьшению потерь излу- чения на внутрирезонаторных элементах ионных  лазеров в ВУФ области спек-тра при =145165 нм (рис. 8, б, кривая 3).

В отличии от ионно–плазменного распыления, ионнохимическая обра-ботка в плазме четырехфтористого углерода  СF4 позволяет получить оптичес-кие свойства ПС близкими к свойствам объема кварцевого стекла при малой высоте шероховатой поверхности при использовании пучка ионов с энергией Е=0,5 кэВ. Увеличение энергии пучка ионов или использование низкоэнер-гетических пучков не позволяет получить высокое качество поверхности дета-ли, что связано с различным влиянием на ПС процессов сопровождающих физическое распыление и химическое взаимодействие активных частиц рабо-чего газа с поверхностными атомами ПС (рис.8 в,г).

Качество кристаллического кварца для изделий лазерной  и оптотехники оценивается по величине добротности Q, которая, согласно нормативным требованиям МЭК, определяется на частоте колебаний f=5 МГц, и связана с коэффициентом поглощения (cм–1) оптического излучения  в ИК области спектра полуэмпирическим соотношением Вернера:

  (38) 

где коэффициенты пропускания Т1 и Т2  кристалла кварца АТ–среза, когда ось  Z перпендикулярна поверхности элемента и отклонение оптической оси от нормали не более <30/, измеряются на образцах толщиной L при частоте оп-тического излучения 1=3800 см–1  и 2=3500 см–1. Для согласования ОСТ и МЭК были разработаны технические условия измерения добротности Q кри-сталлов кварца методом ИК–спектроскопии и введены новые категории качес-тва кристаллов: B, C, D, E .

Кристаллы категории В были использованы для эллипсометрических и спектроскопических исследований физико–химического состояния поверхно-сти детали после механической и ионно–плазменной обработки кристалличес-кого кварца и изготовления внутрирезонаторных элементов.

При углах падения светового пучка =5055о и >60o для модели одно-родного изотропного и неоднородного анизотропного ПС выполняется условие >S (формулы (29), (30)) при So=3·10–4 (рис.9,а). При этих условиях проводилось сопоставление экспериментальных и теоретических значений эл-липсометрических параметров , и определялось значение функции ошибок F(m) (33) для сопоставления поляризационнооптических характеристик ПС для различных по своему физическому содержанию модельных представлений о структуре ПС кристаллического кварца. Наименьшее значение функции оши-бок F(m) получено для неоднородного анизотропного слоя, для которого  изме-нение величины анизотропии na(z)=n(e)(z) –n(o)(z) в ПС кристаллического ква-ца после полирования и ионной обработки показано рис. 9,б.

Особенность формирования ПС при ионной обработке оптических эле-ментов, выполненых из кристаллического кварца заключается в том, что поли-рование и бомбардировка поверхности детали ионами Ar+ приводит к появле-нию аморфизированного слоя показатель преломления которого меньше объ-емного значения no(o,e). Ширина области ПС, в которой нарушена упорядо-ченность структуры кристалла низкоэнергетическими пучками ионов Ar+ мень-ше, чем для ПС, образовавшегося при полировании кристалла, при этом умень-шаются потери излучения в ВУФ области спектра (рис. 9, в, кривые 2). Пере-стройка структуры в приповерхностной области аморфизированного слоя в результате внешних механических и радиационных воздействий приводит к пе-рестройке структуры в глубине ПС кристалла так, что дополнительно появ-ляется напряжено–деформированое состояние ПС, в результате которого про-исходит увеличение величины анизотропии  na(z)> na,o.

 

Рис.9. Зависимость разности  фазовых сдвигов для моделей  однородного изот-ропного и неоднородного анизотропного ПС  кристаллического кварца (кривая 1) и погрешности  измерения S (кривая 2) от угла падения светового пучка (а); изменение величины анизотропии na(z) по глубине ПС кристаллического кварца (б) и спектральные характеристик пропускания  Т() в ВУФ области спектра (в). кривая 1 – после полирования; кривая 2 – после ионной обработки.

Таким образом,  по разработанным эллипсометрическим методам анализа неоднородных оптических систем можно определить оптимальные режимы технологической обработки элементов ионных и эксимерных лазеров, при кото-рых потери излучения в ВУФ области спектра минимальны.

В четвертой главе Исследование кинетики и механизмов формирования неоднородной структуры поверхностных слоев силикатных стекол рассмот-рены особенности эллипсометрических и спектрометрических методов диаг-ностики физико–химического состояния поверхности оптических элементов при различных внешних воздействиях окружающей среды и их технологичес-кой обработки. 

В качестве объектов исследования использовались оптические элементы, выполненные из фторсодержащих силикатных стекл, отличающихся различ-ным содержанием в стекле фтора; элементы выполненные из свинцово-сили-катных стекл, в которых кремнезем постепенно заменялся на окись свинца, при мало меняющемся содержании щелочных окислов, а также элементы из непо-ристых натриевосиликатных стекл и микропористого боросиликатного стекла.

Для диагностики физико–химического состояния поверхности оптичес-ких элементов качестве методов исследования использовались разработанные методы эллипсометрии неоднородных оптических систем, волноводной  спект-роскопии, электронная Оже–спектрометрия, вторичная ионная масс спектро-метрия (ВИМС), спектрометрия резонансных ядерных реакций (ЯР) и резефор-довского обратного рассеяния протонов (РОР).

Изучение кинетики и механизма формирования волноводных ПС прово-дилось на фторсодержащих стеклах марки ЛК относящихся к группе «А» хими-ческой устойчивости к влажной атмосфере. Поиск волноводного эффекта про-водился для всех фторсодержащих силикатных стекол (ЛК1, ЛК3, ЛК6, ЛК8). Оказалось, что волноводный эффект при длине волны излучения =0,6328 мкм присутствует в поверхностных слоях (ПС) двух типов стекол ЛК1 и ЛК6. При-чем для ПС стекла ЛК1 наблюдается многомодовый волноводный эффект, а для ПС стекла ЛК6 – одномодовый. Никаких волноводных признаков в ПС стекол ЛК3 и ЛК8 при использовании различных режимов полирования поверхности детали обнаружено не было.

Особенностью  волноводных ПС стекла ЛК1 является  модовая изотропия , т.е. выполняется условие при котором модовые показатели преломления для ТЕ–волны и ТМ–волны излучения равны  nTE,m nTM,m. Поэтому измерение резонансных углов m ввода излучения в волноводный ПС проводилось только для ТЕ–волны поляризованного света на  эллипсометре ЛЭФ–3М  при азимуте поляризатора и компенсатора обеспечивающих линейную поляризацию для ТЕ–волны падающего излучения. Условие резонансного возбуждения волно-водных мод (РВВМ) при использовании призменного ввода излучения в ПС оптического элемента имеет вид:

  , (39)

где np – показатель преломления стекла призмы, равный np = 1,7491 при длине волны излучения = 0,6328 мкм; p – угол при вершине призмы, равный p = 1,0367 рад. Точность измерения резонансного угла m на эллипсометре ЛЭФ–3М составляет величину Sm 30//, что соответствует погрешности в определе-нии модового показателя преломления Snm  1,5·10–4.

Методом волноводной спектроскопии было установлено, что после по-лирования стекла ЛК1 в водной суспензии полирита  образуется волноводный ПС с перепадом показателя преломления nm = nm – no (115)·10–3 , где no – по-казатель преломления в объеме стекла равный no = 1,4390 при = 0,6328 мкм. В дальнейшем этим методом исследовалось изменение спектра модовых пока-зателей преломления {nm} при хранении оптических элементов на воздухе в комнатных условиях после полирования, вакуумирования и  во влажной атмо-сфере.

Для исследования изменений спектра модовых показателей преломления ПС {nm} после вакуумирования была изготовлена кварцевая кювета, которая перед откачкой воздуха промывалась в спирто–ацетоновой смеси, а затем кю-вета прогревалась для удаления остатков органических соединений и обезга-живания поверхности ее стенок. В подготовленную таким способом кювету по-мещались образцы полированного стекла ЛК1 с волноводным ПС. В дальней-шем производилась откачка воздуха из кюветы до давления остаточных газов Рост.~3·10–3 Па, затем кювета отпаивалась и хранилась при комнатной темпе-ратуре в течении t~40 суток. Влажная атмосфера для хранения стекол соз-давалась в эксикаторе частично наполненном водой и снабженным прони-цаемой перегородкой для размещения образцов. Температура внутри экси-катора поддерживалась в пределах Т=2530оС. Относительная влажность атмосферы хранения составляла 90100%.

При хранении элементов на воздухе в комнатных условиях с течением времени t увеличивается число мод "m" и  значение модовых показателей пре-ломления nm (рис.10, а).  Прирост абсолютных значений nm с течением времени хранения замедляется, и в первую очередь, для мод низких порядков, залега-ющих наиболее близко к поверхности, а затем для более глубоких мод , т.е. с большим номером m. Процесс изменения оптических параметров ПС может продолжатся в течении длительного времени. В частности, для одного из образ-цов стекла ЛК1, хранившегося в атмосферных условиях воздуха примерно 2 года, были зафиксированы следующие параметры волноводного ПС: наиболь-ший перепад показателя преломления nm~0,02; глубина слоя d~28 мкм; число мод m=12.

Результатом вакуумирования (рис.10, б, линия Б) является уменьшение значений модовых показателей преломления nm. При этом наибольшие изме-нения наблюдаются для мод низких порядков, залегающих наиболее близко к поверхности. По окончании вакуумирования и при хранении образцов на воз-духе наблюдается интенсивный рост значений nm (рис.10, б, линия В).

 

Рис.10 Изменение спектра модовых показателей преломления волноводного повер-хностного слоя стекла ЛК1 (а, б, в) и стекла ЛК6 (г) при хранении: а)  в атмо-сфере воздуха для двух полированных образцов в одном блоке; б)  А – после полирования и хранения на воздухе; Б – после вакуумирования;  В – при после-дующем хранении в атмосфере воздуха; в) во влажной атмосфере  (пунктирные линии (m)), контрольная партия – сплошные линии (m/); г) кривая 1 – во влажной атмосфере; кривая 2 – в атмосфере воздуха; 3 – в вакууме.

Если в исходном состоянии значения модовых показателей преломления nm=nm/, то с течением времени хранения образцов во влажной атмосфере (штрих–пунктирная линия, рис.10, в) наблюдается прогрессирующее увели-чение значений nm по сравнению со значениями nm/ для контрольной группы образцов. Для всех образцов величина прироста модовых показателей прело-мления nm имеет наибольшее значение для мод низких порядков, залегающих ближе к поверхности. Следует отметить, что трансформация оптического про-филя ПС при хранении во влажной атмосфере происходит с большей ско-ростью, чем при хранении в атмосфере воздуха.

На рис.10, г представлено изменение показателя преломления nm одномо-дового волноводного ПС стекла ЛК6 при хранении во влажной атмосфере (кривая 1), атмосфере воздуха (кривая 2) и вакууме (кривая 3). Качественно эти изменения аналогичны изменениям nm(t) для стекла ЛК1, но количественные изменения оптических параметров ПС стекла ЛК6 показывают, что параметры ПС стекла ЛК6 гораздо  стабильнее ПС стекла ЛК1 (точки А соответствуют времени хранения t~300 суток; точки Б – времени хранения t~600 суток).

На рис.11, а показано влияние процесса термообработки стекла ЛК1 в ат-мосфере воздуха на оптические характеристики 4–х модового волноводного ПС. Видно, что вначале изменение во времени модовых показателей прелом-ления nm на исходной полированной поверхности протекает обычным образом (участок I). Термообработка при температуре Т=250 оС в течении времени t=3 часа (момент термообработки обозначен как ТоС ) приводит к исчезновению всех мод, кроме одной, для которой значение модового показателя преломления nm=1 существенно уменьшается. Через сутки в ПС появляется вторая мода (m=2), через 16 суток – третья мода (m=3) и т.д. (участок II). При этом прирост значений nm происходит более интенсивно, чем при хранении оптического элемента сразу после полирования.

Рис.11. Изменение спектра модовых показателей преломления (а), эффективных значений показателя преломления (б) и толщины (в) ПС стекла ЛК1 в про-цессе термообработки.

Термообработка и одновременное измерение эллипсометрических пара-метров осуществлялось с использованием специальной термоячейки, устано-вленной на предметном столике эллипсометра ЛЭФ–3М.  На рис.11, б, в предс-тавлено изменение эффективных значений показателя преломления n* и тол-щины d* ПС образца, волноводный слой которого в исходном состоянии со-держал 3 моды. Изменение значений n* и d* определяется  следующими усло-виями термообработки: участок А–Б – нагревание образца до Т=250 оС со средней скоростью Vср.= 4 град/мин; участок Б–В – изотермическая выдержка в течении t~1,5часа; участок В–Г – инерционное охлаждение термоячейки в течении t~5 часов; Г–Д – хранение образцов вместе с термоячейкой в атмо-сфере воздуха в течении 2–х суток.

При сопоставлении результатов эллипсометрии (рис.11, б,в) и Оже–спект-рометрии (рис.12) можно заключить, что оптические параметры конечного фи-зико–химического состояния ПС после термообработки есть результат перерас-пределения в стекле кислорода и фтора и уменьшения их относительного содер-жания Что касается промежуточных стадий, то однозначных связей с данными Оже–спектрометрии здесь нет из-за очевидной разницы физико–химических процессов происходящих в ПС стекла в атмосфере воздуха и в высоком ваку-уме. В последнем случае наблюдению динамики линий кислорода при охлаж-дении препятствует адсорбция углерода на поверхности образца. Кроме того, в условиях вакуума исключается доступ атмосферной влаги к поверхности об-разца и соответствующие концентрационные изменения, происходящие в ПС, развиваются только за счет внутренних ресурсов.

 

Рис.12 Линии Оже–спектров (а)  кислорода OKLL и фтора FKLL  после удаления повер-хностного углерода и изменение их относительной интенсивности при облу-чении поверхности электронами (б).

  в) изменение  интенсивности линий OKLL (кривые 1,3) и FKLL (кривые 2,4) при  нагревании (кривые 1,2) и охлаждении (кривые 3,4) стекла ЛК1; кривая 5 –  линия углерода при охлаждении;

  г) концентрационные профили кислорода (кривые 1,2) и фтора (кривые 3,4)  при полировании стекла ЛК1 (1, 3) и после термообработки (2, 4).

Предложен новый методический подход к анализу и расчету оптическо-го профиля волноводных ПС. Метод основан на сопоставительном анализе по-ляризационно–оптических характеристик волноводного ПС, полу­ченного экс-периментальным путем методами эллипсометрии и волновод­ной спектроско-пии и совместном решении обратной задачи эллипсометрии и уравнения ВКБ (Вентцеля–Крамера–Бриллюэна). Если метод эллипсометрии позволяет доста-точно уверенно определять оптические характеристики волноводного слоя в приповерхностной области, то метод волноводной спектроскопии в области z>dmax, где dmax – максималь­ная толщина ПС, за пределами которой однозначно дать оценку показателя преломления методом эллипсометрии невозможно.

Совместное решение обратной задачи эллипсометрии и ВКБ позволяет получить полный оптический профиль маломодового волноводного ПС фтор-содержащего стекла ЛК1, который состоит из сильно градиентной приповер-хностной области толщиной до 1,5–2 мкм, и слабо градиентной волноводной области, толщина которой определяется процессами взаимодействия поверх-ности стекла с внешней окружающей средой. Эти результаты соответствуют изменению концентрации фтора по глубине волноводного ПС  полученного ме-тодом спектрометрии резонансной ядерной реакции 19F(p, , )16O.

Учитывая гидролизный характер образования неоднородной структуры поверхностных слоев фторсодержащих стекол, необходимо отметить не соот-ветствие существующей классификации химической устойчивости рассмот-ренных силикатных стекол с полученными экспериментальными результатами. Здесь все четыре типа стекла в отношении химической устойчивости к влажной атмосфере классифицированы группой А. Между тем из полученных резуль-татов следует, что стекла типа ЛК1 и ЛК6 взаимодействуют с водой в большей степени, чем два другие (ЛК3 и ЛК8). Это заставляет в дальнейшем разработать новую методологию определения химической устойчивости силикатных сте-кол, используя при этом эллипсометрические и ядерно–физические методы ди-агностики физико–химического состояния поверхности оптических элементов с волноводными поверхностными слоями.

Исследована кинетика процессов стационарного и нестационарного вы-щелачивания поверхностных слоев полированных свинцовосиликатных стекол в слабокислых растворах соляной и уксусной кислот и предложен эллипсомет-рический метод определения химической устойчивости силикатных стекол к слабокислым растворам, который соответствует нормативным требованиям к определению химической устойчивости силикатных стекол  методом рефлексо-метрии.

Оптические элементы, выполненные из свинцовосиликатных стекол Ф2 и  ТФ2, относящихся ко второй (А2) и пятой (А5) группам кислотоустойчивости, обраба­тывались в 0,1 н. растворе уксусной кислоты (СН3СООН, рН=2,8) при температуре T=50оС, что соответствовало техническим требованиям при  опре-деле­нии химической устойчивости силикатных стекол методом рефлексомет­рии. Приведенные на рис.13 зависимости эффективных значений пока­зателя преломления n*(t) и толщины d*(t) ПС от времени обработки поверхности сте-кла слабокислым раствором показывают, что процесс выщелачивания ПС свин-цовосиликатных стекол Ф2 и ТФ2 можно условно разбить на два этапа (участки I и II). На начальном этапе обработки (участок I) при уменьшении толщины слоя d* формируется неоднородный ПС с показателем преломления n*>no, а при дальнейшем травлении стекла (участок  II) образуется однородный ПС с пока-зателем преломления n*<no, где no – показатель преломления толщи стекла.

Процесс образования ПС в силикатных стеклах при воздействии на по-верхность детали растворов кислот определяется диффузией заряженных ионов (Н+, ОН–) из раствора в ПС и щелочных катионов (М+,R+) в обратном направ-лении. На начальном этапе травления ПС (участок I)  происходит задержка выхода катионов (М+,R+) из приповерхностной области слоя,  приводящей к сегрегации катионов и возрастанию показателя преломления слоя, т.е. процесс выщелачивания является не стационарным. При длительном воздействии сла-бокислого раствора на поверхность стекла (участок  II) процесс выщелачивания становится стационарным и формируется микропористый ПС близкий по своей структуре к кремнекислородной матрицы силикатного стекла.

 

Рис.13 Кинетика ранних стадий выщелачивания поверхностного слоя при жидкотном травлении стекла Ф2 (а) и ТФ2 (б) в растворе уксусной кислоты: кривая 1 – показатель преломления; кривая 2 – толщина слоя.

Для свинцовосиликатных стекол время задержки З может составлять от нескольких минут до несколько часов, которое зависит не только от химичес-кой устойчивости стекла, но и предыстории и условий обработки поверхности детали. Поэтому определение химической устойчивости стекла должно осущес-твляться на стадии стационарного выщелачивания щелочных катионов. Разра-ботана эллипсометрическая методика определения химической устойчивости силикатных стекол, сущность которой состоит в следующем. По измеренным значени­ям и   по ранее изложенному методу определяются параметры слоя, а по ним – значения коэффициентов отражения R(p,s) при угле падения =10o. Для естественного света коэффициент отражения RV и погрешность его опреде-ления SR рассчитывает­ся по формулам

  ,.  (40)

Погрешность опре­деления коэффициента отражения RV при =10o15o не превышает SR(элл.)0,04%, что меньше погрешности рефлексометрических из­мерений SR(рефл.) 0,1%. Полученные значения RV(т) хорошо согласуются с изме-ренными методом рефлексометрии значениями RV(э), а найденный методом эллипсометрии показатель химической устойчи­вости для силикатных стекл совпадает с категорией химической устойчивости определяемой методом реф-лексометрии  и категорией указанной в каталоге оптического стекла.

Электронно–лучевая обработка деталей проводилась в установке УВН–70А переоборудованной для целей электронно–лучевой технологии, где в ка-честве источника электронов использована электронная пушка с оптикой Пир-са, формирующая ленточный луч с энергией Ее=2–6 кэВ при плотности тока до J~200 ма/см2. Это позволяло достигать разогрева поверхности детали до Т=700–900 оС при скорости сканирования луча V~1,0 cм/c. Для уменьшения деформационных явлений в деталях, вызванных разностью температур на поверхности и в объеме стекла, образцы подлежали нагреву до Т=510 оС.

При электронно–лучевой обработке деталей на поверхности формируется двухслойная структура ПС. В приповерхностной области слоя толщиной d~0,1 мкм значение показателя преломления nc<no (рис.14, а), что приводит к изме-нению интенсивности и формы фотоэлектронной линии О1s рентгеновского излучения, которая при электронно–лучевой обработке натриевосиликатного стекла К8 близка к линии характерной для SiO2  (рис.14, б). Наличие в ПС об-ласти с показателем преломления n(z)>no связана c кинетикой процессов элект-ромиграции ионов Ме+ из толщи стекла к поверхности, в результате которой при вязкостном механизме релаксации происходит сегрегация ионов Na+ и перестройка структуры с образованием отдельных изолированных фраг-ментов [(SiO4/2)4–4Na+] и двухчленных цепочек ограниченной длины [(SiO4/2)4–3Na+]. Данные полученные методом ИК–спектроскопии внешнего отражения (рис.14, в) показывают, что после электронно–лучевой обработки поверхности стекла К8 в низкочастотной области спектра (=920–1020 см–1) наблюдается умень-шение интенсивности отражения от ПС. Это свидетельствует о снижении кон-центрации связей SiO––Me+ и о повышении порядка связей SiO––Si.

Рис.14  Оптический профиль поверхностного слоя (а) , фотоэлектронная линия О1s рентгеновского излучения (б) и ИК спектры внешнего отражения излучения (в)  от  поверхности стекла К8.

Кривая 1– полированная поверхность;  кривая 2 – после электронно-лучевой обработки при Ее=4,6 кэВ.

С увеличением энергии электронного пучка Ее толщина области ПС  с по-казателем преломления n(z)<no увеличивается. Образование этой области непо-средственно  связано с уменьшением относительной концентрации щелочных ионов в ПС в результате их диффузии к поверхности и последующего процесса десорбции ионов. Этот процесс описывается на основании модифицированного для сканирующего электронного луча соотношения Поляни–Вигнера, опреде-ляющего кинетику десорбции ионов с поверхности детали в вакуум.

При полировании и электроннолучевой обработки свинцовосиликатно-го стекла 6Ва4 в процессе нестационарного выщелачивания формируется  не-однородная структура ПС, в котором распределение показателя преломления по глубине слоя n(z) описывается зависимостью (23) (рис.15,б). Из полученных методом ВИМС данных по элементному составу ПС стекла 6Ва–4 следует, что при полировании силикатного стекла в приповерхностной области слоя в результате гидролитической деструкции происходит обеднение ПС щелочными катионами (Me+=Na, K)  и ионами (R2+ =B,Ca,Pb) c образованием гидрооксида SiOx(OH)y и связи SiO––Me+ост.,  а в глубине ПС после полирования и электрон-но–лучевой обработки происходит сегрегация щелочных компонентов, Мe+ и R2+ – ионов с образованием высокопреломляющих компонент (рис.15, а, в). Та-кими компонентами могут быть мета– и ортосиликаты щелочных металлов.

Рис.15. Изменение элементного состава (а), показателя преломления (б) по глубине ПС полированного стекла 6Ва–4 и концентрации щелочных катионов 23Na+ (кривые 1,1/)  и  39K+ (кривые 2,2/) при полировании и электронно–лучевой обработке поверхности стекла (в); изменение оптического профиля ПС стек-ла 6Ва–4 при ионно–плазменном распылении ПС при различных энергиях пучка ионов Ar+ (г).

в) кривые 1,2 – после полирования; кривые 1/ ,2/ – после  электронно–лучевой обработки при энергии пучка электронов Ее=3,9 кэВ; г) – при энергии пучка ионов  Ar+ : кривая 1 – EAr+= 0 кэВ; кривая 2 – EAr+= 0,6 кэВ; кривая 3 – EAr+=1,0 кэВ.

Образование в глубине ПС области с n(z)>no  указывает на то, что физи-ческое распыление атомов и  щелочных катионов сопровождается действием механизма передачи изменений структуры и элементного состава по глубине  ПС (рис.16, г). При ионной бомбардировки поверхности такая передача может быть обусловлена каскадными соударениями, эффектами "вбивания" атомов или имплантацией ионов отдачи из толщи стекла, а также радиационно–уско-ренной диффузией ионов в ПС. Эта диффузия может сопровождаться мигра-цией подвижных ионов Na+ из приповерхностной области в глубь ПС под действием положительного пространственного заряда,  создаваемого плазмой, а также через активированное состояние ионов О2– в соединениях кремнекис-лорода из толщи стекла в приповерхностную область слоя.

При исследовании оптических характеристик и элементного состава ПС  полированного натриевоборосиликатного непористого (исходного) стек-ла установлена следующая корреляция: чем больше глубина нарушенного слоя da, тем больше и значение эффективной толщины d* полированного стекла (рис.16, а, кривая 1/). Для полированного микропористого стекла такая корреляция не наблюдается (рис.16 а, кривая 2/). Это связано с тем, что при физико–механическом воздействии абразивных зерен на поверхность образ-цов пористого стекла распространение микротрещин  в ПС блокируется на-личием микропор, что, в свою очередь,  приводит к уменьшению корреля-ционной связи между глубиной нарушенного слоя da и эффективной тол-щиной ПС d* полированного стекла.

Для непористого стекла эффективный показатель преломления  практиче-ски не зависит от среднего значения диаметра зерна шлифовального порошка da (рис.16, а, кривая 1). Для микропористого стекла наблюдается корреляция между показателем преломления ПС n* и глубиной нарушенного слоя  da (рис.16 а, кривая 2). При этом значения эффективного показателя преломления ПС стекол  n*>no.

 

Рис.16 Изменение эффективных значений показателя преломления (1,2) и толщины ПС (1/,2/)  непористого (1,1/) и микропористого (2,2/) стекол (а) и линий относительной интенсивности в энергетических спектрах спектрометрии РОР  ПС микропористого стекла (б) , полированного различными полиро-вальными порошками: а – алмазом; б – окисью церия; в – полиритом ; г – окисью хрома.

Из результатов измерений линий относительной интенсивности в энерге-тических спектрах спектрометрии резерфордовского обратного рассеяния про-тонов (РОР) следует, что  элементный состав ПС микропористого стекла зави-сит от состава полирующего порошка (рис.16, б). Причем в ПС стекла присут-ствуют элементы полировального порошка, за исключением случая, когда по-лирование пористого стекла осуществляется алмазным порошком АСМ 1,0/0. Отметим, что за единицу принята интенсивность линии Si в ПС микропорис-того стекла, полированного алмазным порошком.

При полировании микропористых боросиликатных стекол целесообразно использовать композиционные составы порошков, в которых один из компо-нентов активно хемосорбирует боратную составляющую (например, диоксид циркония или диоксид хрома), а другой компонент (оксиды церия или лантана) другую составляющую – кремнезем. Наличие фрагментов полирующего вещес-тва в ПС микропористого стекла может изменить кинетику протекания про-цессов его насыщения высокопреломляющим компонентом.

В пятой главе Методы эллипсометрического контроля элементов градиентной оптики и оптических соединений проводится сопоставление тех-нических возможностей интерференционных и эллипсометрических методов технологического контроля физико–технических характеристик граданов, а также изложены разработанные поляризационно–оптические методы техноло-гического контроля напряженно–деформированного состояния элементов в оп-тических соединениях деталей и дается оценка обобщенного критерия качества бесклеевых соединений элементов оптотехники с учетом физико–химического состояния ПС деталей.

Преимущество разработанных методов иммерсионной и многоугловой эллипсометрии по сравнению с интерференционным методом определения оптических постоянных неоднородных сред состоит в том, что при эллип-сометрических измерениях определяются не только оптические характеристики материала детали, но и параметры поверхностного слоя. Для граданов это осо-бенно важно, поскольку распределение показателя преломления по его ради-альному сечению определяет физико–технические параметры градиентного эл-емента, т.е. его функциональные возможности. Например, в эндоскопах меди-цинского или технического назначения топография поверхности, т.е. ее фи-зико–химическое состояние, о котором можно судить по оптическим парамет-рам ПС, определяет целесообразность использования градиентного элемента в оптических соединениях деталей, т.е. функциональные возможности оптичес-ких узлов трансляторов изображений, где будет использоваться градиентный элемент. 

Для анализа основных закономерностей изменения поляризационных па-раметров и от величины инкремента показателя преломления n(r)=n(ri)–n(ri+I)  градана при наличии неоднородного ПС был проведен следующий чис-ленный эксперимент. Неоднородный ПС заменялся моделью однородного слоя с  показателем преломления nс=1,53 и толщиной dc равной 0,05; 0,1; 0,25.  Величина отклонения показателя преломления однородного слоя (при nc=const) от показателя преломления в объеме материала (при nо=var) изменялась в области значений no(r)=1,521,53. Путем решения прямой задачи эллипсометрии для однородной пленки при угле падения светового пучка =50о и длине волны излучения =0,6328 мкм  были рассчитаны  поляризационные параметры [n(r)] и [n(r)]  (рис.17). Из полученных результатов следует, что при наличии на поверхности детали однородного слоя при малых значениях инкремента показателя преломления n(r) изменение параметра незначи-тельно, в то время как изменение фазового параметра имеет более высокую чувствительность к малым изменениям показателя преломления по аксиаль-ному сечению градана.

Наличие на поверхности градана модифицированного поверхностного слоя позволяет в методе отражательной эллипсометрии перейти от зависимости =[n(r)] к зависимости =[n(r )] и тем самым повысить чувствительность метода и, соответственно, дать более детальный анализ аберраций угловой пространственной частоты передачи изображений.

При наличии ПС инкремент показателя преломления no(r) по радиаль-ному сечению градана прямо пропорционален отклонению фазового сдвига от фазового сдвига однородной подложки о, В то время, как отклонение пока-зателя преломления ПС n(z) от объемного значения no в локальной точке града-на rо пропорционален квадрату отклонения фазового сдвига от фазового сдви-га однородной подложки о:

(41)

Поэтому определять параметры ПС и его оптический профиль n(z) при многоугловых изменениях следует в локальной точке градана r=ro, а распреде-ление показателя преломления по его радиальному сечению n(r) при сканиро-вании световым пучком поверхности градана.

 

Рис.17 Изменение фазового сдвига =[n(r )] и азимута линейной восстановленной поляризации =[n(r)]  от величины отклонения показателя преломления однородного ПС nс от объемного значения nо(r) при различной толщине ПС: 1 – dc=0,05; 2 – dc=0,1 ; 3 – dc=0,25. (=0,6328 мкм, =50о).

Если измерение эллипсометрических параметров (r) и (r) проводится по сечению градана методом локального зондирования поляризованым свето-вым пучком  поверхности, имеющей неоднородный ПС, для которого по сече-нию градана (в пределах погрешности измерения поляризационных углов S и S) средние значения толщины dcp и показателя преломления ncp неоднородного ПС для различных видов профиля (z) можно считать близкими по своему зна-чению, то из уравнения эллипсометрии (21) несложно получить соотношения:

  (42)

При углах падения светового пучка j , где параметр  j принимает малые значения и, согласно (42), коэффициент пропорциональности Aj резко воз-растает, т.е. увеличивается чувствительность измерений по параметру , но возрастает также среднеквадратическая погрешность его измерения Sj, (30).  Поэтому измерение разности фаз (rj) по сечению градиентного элемента дол-жно проводится при углах падения светового пучка , при которых сохраняется высокая чувствительность метода эллипсометрии к измерению параметра (rj) и незначительна его погрешность измерения Sj,.

Для одного из образцов градиентных элементов, полученных методом ионнообменной диффузии, на рис.18 а,б показано изменение поляризационных параметров (r/а) и , где о – разность фаз для геометри-чески плоской границы раздела сред, значение которого при =50о равно о=180о, а при =60о значение о=0о; диаметр градана равен величине 2а.

 

Рис.18 Зависимость поляризационных параметров и (а, б) и инкремента пока-зателя  преломления (в) по радиальному сечению градана.

  Кривые 1 – при угле падения светового пучка = 50° (о);

  Кривые 2 – при угле падения светового пучка = 60° (х);

Показано, что расчет параметров ПС при значениях локального значения показателя преломления градана no(r)=no,r=a+n(r ), т.е. при учете распределения показателя преломления по радиальному сечению градана, дает хорошую схо-димость результатов, что подтверждает правомерность используемой методики определения оптического профиля градана и топографии поверхности оцени-ваемой по параметрам ПС.

При создании эллипсометрической аппаратуры для контроля оптических характеристик граданов целесообразно применить двухканальную схему эллип-сометра PSA1/CA2 ,  где по первому каналу, построенному по фотометрической схеме PSA1, определяется коэффициент пропорциональности Аj и особых требований к фотодетектору не предъявляется. По второму каналу – компенса-ционную схему измерений PSCA2, в которой для измерений фазового парамет-ра (ri) необходимо использовать координатно–чувствительный  фотодетектор (мультискан).

Успешное применение эллипсометрических методов технологического контроля качества оптических соединений элементов оптотехники связано с решением целого ряда взаимосвязанных задач, в том числе: выбором метода физико–математического моделирования напряженно–деформированного и физико–химического состояния многослойной отражающей системы: «одно-родная подложка (ОП1) – неоднородный слой (ПС1) – зона оптического кон-такта (ЗОК) поверхности элементов (1,2) – неоднородный слой (ПС2) – однородная подложка (ОП2)» и методики определения ее поляризационно–оптических характеристик, которые, в общем случае, должны решатся в рамках теории эллипсометрии неоднородных анизотропных  оптических систем.

Для оценки качества ОС элементов оптотехники, при различных техноло-гических условиях их изготовления и оптического узла в целом, определение поляризационно–оптических характеристик отражающей неоднородной систе--мы можно проводить двумя путями: методом секционирования  и методом физико–математического моделирования структуры неоднородной оптической системы, используя при этом  модели "эффективной подложки" или "эффектив-ного слоя".  В методе "эффективной подложки" многослойная система «ПС1–ЗОК–ПС2–ОП2» описывается эффективным показателем  преломления , ко-торый для анизотропной однородной подложки можно определить из условия равенства произведений адмиттансов для p– и s–компоненты поляризованного света однородной анизотропной и изотропной подложки: 

  , .  (43)

В методе "эффективного слоя" для системы « ПС1 –ЗОК – ПС2»  вводятся эффективный показатель преломления n*ОК и  толщина слоя d*ОК  неоднород-ной оптической системы (рис.19, а). Физический смысл этих параметров сос-тоит в том, что  модель однородного слоя с параметрами n*ОК и d*ОК и оптичес-кое соединение деталей (ОС) по своим поляризационно–оптическим свойствам эквивалентны. 

 

Рис.19  Изменение показателя преломления n(z) в оптическом контакте деталей 1 и 2 (а)  и распределение нормальных напряжений в оптических элементах (б, д) после получения оптического контакта при различном направлении прикла-дываемой нагрузки (в, г). 

В рамках этой модели оптического контакта (ОК) можно описывать ани-зотропные свойства оптического соединения деталей, используя при этом методы эллипсометрических измерений элементов нормированной матрицы отражения объекта измерений  М=[pp, ps, sp].

Анализ поляризационно–оптических свойств ОС показывает, что полу-ченные значения параметров – показатель преломления n*ОК и толщина d*ОК  – дают информацию не только о ЗОК, толщиной  dЗОК~30–60 и показателем  преломления nОК ~1,401,43, но и сильно градиентной области ПС элементов, прилегающей к зоне непосредственного оптического контакта поверхностей деталей 1 и 2 (рис.19, а).

Метод эллипсометрии обладает высокой чувствительностью к измене-нию двулучепреломления n=npN,–nsN, вызванного напряженно–деформирован-ным состоянием детали в оптическом узле, и  позволяет определить направле-ние воздействия напряжений q (или механической нагрузки F) в области зоны контакта оптического соединения деталей (ЗОС). В пределах границ примени-мости теории упругой деформации и напряженного состояния оптической дета-ли, изменение показателя преломления n() для одностороннего "растяжения" или "сжатия", в первом приближении, будет пропорционально величине напря-жений , определяемых по формулам:

  , , (44)

где n – показатель преломления силикатного стекла;  npN,,n sN  – показатели пре-ломления для поляризованного света с электромагнитными колебаниями  па-раллельными (p) и перпендикулярными (s)  направлению действия напряже-ний; C2 и C1 – фотоупругие постоянные стекла для тех же направлений элек-тромагнитных  колебаний; – величина нормальных напряжений. В теории уп-ругой деформации детали напряжения "сжатия" принято считать отрицатель-ными, а напряжения "растяжения" положительными.

На рис.19 показаны два типа соединений оптических элементов, полу-ченных методом оптического контакта и различающиеся характером напря-женно–деформированного состояния. Если в первом случае (рис.19, б, в) ха-рактерным изменением величины нормальных напряжений (y) в оптическом элементе является то, что на одном краю ОС деталей наблюдаются напря-жения "cжатия" ("–"), а на другом краю – напряжения "растяжения" ("+"), то для другого оптического соединения элементов – в центральной зоне наблю-даются напряжения "сжатия" (0), а концах – напряжения "растяжения" (>0) (рис.19, г, д).

В последнем случае такое изменение (y)  может иметь место при сопря-жении двух поверхностей деталей, имеющих отклонение от плоскостности характерное для выпуклой поверхности деталей (рис.19, г), где после релакса-ции исходного  напряженно–деформированного состояния элементов, возни-кающего при получении оптического контакта (ОК) путем сжимающих сило-вых нагрузок Fсжим., упругие внутренние напряжения приведут к появлению растягивающих оптическое соединение элементов сил Fраст.. Знакопеременный характер изменения (y) можно отнести также к оптическим соединениям де-талей, поверхности которых имеют клиновидность (рис.19, в). Естественно, что напряженно–деформированное состояние оптических соединений будет определяется не только макро– и микрогеометрией поверхности деталей, но и  физико–химическим состоянием ПС, которое оценивается по поляризацион-нооптическим параметрам, определяемым по методике эллипсометрического анализа многослойной неоднородной системы.

Для получения ОК деталей необходимо иметь в  приповерхностной обла-сти ультра микропористую структуру кремнезема, которую можно получить не только жидкостным химическим травлением силикатного стекла, но и при ионно–химической обработке поверхности элементов оптотехники в атмосфере  СF3Cl (хладон–13) или при распылении нарушенного ПС полированного стекла К8 пучком ионов Ar+.  Если в последнем случае микропористая структура ПС образуется за счет преимущественного физического распыления из приповер-хностной области более легких по атомной массе компонентов натриевосили-катного стекла, то при ионно–химической обработке при соударении ионов с поверхностью детали происходит ее активизация с последующим химическим взаимодействия ионов плазмы с атомами ПС и образованием летучих соеди-нений удаляемых с поверхности элемента.

При ионной и ионно–химической обработке формируется двухслойная структура ПС: в приповерхностной области образуется слой с показателем пре-ломления n(z)<no, а глубине ПС формируется область с показателем прелом-ления n(z)>no. Поэтому в зоне контакта оптического соединения двух эле-ментов может существовать многослойная структура. Относительно введенных оптических характеристик зоны контакта поверхности оптических элементов не сложно установить корреляционные связи между технологическими режи-мами обработки поверхности деталей и физико–химическими свойствами ПС  элементов,  используемых для их оптического соединения. Это позволяет по предложенной методике эллипсометрического анализа оптических свойств ОC и его параметрам давать объективную оценку  технологии изготовления опти-ческого узла многоэлементной системы. 

В приложении изложены методы метрологической аттестации эллипсо-метрической аппаратуры. Также представлены акты внедрения научно–техни-ческих достижений полученных по результатам диссертационной работы.

  Основные выводы и результаты работы

На основании проведенных в диссертационной работе исследований можно сделать следующие выводы:

1. Разработан методический подход к решению задачи отражения поляри-

зованного света от неоднородных анизотропных слоев, основанный на приме-нении теории малых возмущений к рекуррентным соотношениям Абеле. Метод позволил, с одной стороны, обобщить ранее существующие теории отражения поляризованного света  Друде–Борна,  с другой – получить в аналитическом виде уравнение эллипсометрии для поверхностных слоев с произвольным законом изменения главных значений тензора диэлектрической проницаемости и угла ориентации оптической  оси  по глубине поверхностного слоя одноос-ного кристалла. Определены границы области применимости макро– и микро-скопических моделей неоднородного поверхностного слоя с учетом метрологи-ческих возможностей используемой измерительной аппаратуры.

2. В рамках теорий отражения света Друде-Борна и Релея-Райса разра-ботан методический подход к решению задачи отражения поляризованного све-та от шероховатой поверхности неоднородной подложки, на основании кото-рого получено уравнение эллипсометрии и  разработана методика определения среднеквадратической  высоты шероховатой поверхности оптических элемен-тов в диапазоне =5110  и длины пространственной корреляции шерохова-тости в диапазоне =0,031 мкм. Достоверность результатов эллипсометри-ческих измерений параметров шероховатой поверхности оптических элемен-тов подтверждена данными полученными методами профилометрии, спекл–ин-терферометрии и по анализу  измеренных значений диффузной составляющей рассеянного излучения.

3. В рамках широкого круга физико-математических моделей отражаю-щих систем изучены основные закономерности изменения состояния поляри-зации отраженного светового пучка от неоднородных поверхностных слоев и шероховатых поверхностей оптических элементов. Установлено, что состояние поляризации отраженного светового пучка и величина отклонения угла наи-большей поляризации излучения относительно угла Брюстера определяется структурой неоднородной отражающей системы. Это позволяет при многоуг-ловых, иммерсионных или спектральных поляризационных  измерениях разли-чать эффекты в изменении состояния поляризации отраженного светового пуч-ка  вызванные наличием на оптических элементах  поглощающих, анизотроп-ных, неоднородных слоев с различным видом оптического профиля и  различ-ным видом корреляционной функции шероховатой поверхности.

4. Разработан эллипсометрический метод диагностики физико-химичес-кого состояния поверхности оптических элементов, позволяющий определять экспериментальные условия, при которых имеется принципиальная возмож-ность сравнивать различные по своему физическому содержанию модели по-верхностного слоя при наименьшей вероятности ошибки в  оценке их адекват-ности объекту исследования и проводить высокоточные измерения оптических параметров поверхностных слоев элементов оптотехники при эксперимен-тальных условиях наилучшим образом обеспечивающих метрологические воз-можности используемой аппаратуры.

5. Получено уравнение эллипсометрии для отражающей системы «неод-нородная пленка – неоднородная подложка», на основе которого развит способ определения оптических характеристик неоднородной многослойной системы по методу секционирования, минуя стадию эллипсометрического анализа мо-дели нижележащей отражающей системы. Показано, что при ионно–плазмен-ном распылении кварцевого стекла происходит образование дискретной и кон-тинуальной неоднородности в модифицированной ионами Ar+ структуре повер-хностного слоя, описание оптических свойств которых должно проводится одновременно в рамках макро- и микроскопических подходов к анализу сос-тояния поляризации отраженного светового пучка. Двухстадийное ионно–плаз-менное распыление поверхностного слоя кварцевого стекла и последующий низкотемпературный отжиг позволяет получить элементы с минимальными потерями излучения в ВУФ области спектра.

6. Разработан неразрушающий метод реконструкции профиля показателя преломления  маломодовых волноводных поверхностных слоев, основанный на совместном решении обратной задачи ВКБ и эллипсометрии. Показано, что вид оптического профиля поверхностного слоя согласуется с концентрационным профилем фтора, полученным методом ядерной реакции 19F(p,,)16O. Результа-ты исследования оптических характеристик и элементного состава поверхнос-тных слоев при различных воздействиях окружающей среды и тепловой низко-температурной обработки позволяют рассматривать гидролизный механизм фи-зико–химических процессов образования волноводных поверхностных слоев на фторсодержащих стеклах как превалирующий над эффузионным.

7. Методами эллипсометрии, оптической ИК спектроскопии, рентгенов-ской фотоэлектронной спектрометрии, электронной Оже–спектрометрии и ВИМС показано, что физико-химические процессы нестационарного выщела-чивания поверхностного слоя силикатных стекол, протекающие при жидкост-ной химической, ионно–плазменной, ионно–химической и электронно–лучевой обработки, характерной особенностью которого является удаление  щелочных катионов из приповерхностной области, приводят к образованию двухслойной структуры поверхностного слоя: образованию в приповерхностной области  вы-щелоченного слоя с показателем преломления меньше объемного значения и  сегрегации в глубине поверхностного слоя щелочных компонентов приводящей к образованию области ПС с показателем преломления больше объемного зна-чения.

8. Разработана методика определения показателя ослабления излучения в стекле и потерь излучения в поверхностном слое детали, основанная на сов-местном использовании методов эллипсометрии и спектрофотометрии, что  позволяет по оптическим характеристикам поверхностного слоя и показателю ослабления излучения в оптической детали судить о качестве изготовления элементов ионных лазеров. 

ОСНОВНЫЕ  НАУЧНЫЕ  ТРУДЫ  ПО  ТЕМЕ  ДИССЕРТАЦИИ

1. Храмцовский И.А.,  Разумная М.Л. Применение  трехзеркального резонатора в установке для измерения оптических потерь // ОМП. 1983. №  5. С.38–41.

2. Пшеницын В.И., Храмцовский И.А. Исследование потерь  излучения на оп-тических элементах в зависимости от физических параметров поверхнос-тного слоя // ОМП. 1983. № 12. С.5–7.

3. Храмцовский И.А., Пшеницын В.И. Роль удельного давления в формирова-нии оптических свойств поверхностного слоя при полировании кварцевого стекла // ОМП. 1986. №12. С.26–28.

4. Храмцовский И.А., Пшеницын В.И., Мишин А.В., Каданер Г.И., Кислов А.В.

  Определение фотометрических характеристик калиброванных ослабителей излучения оптико–поляризационными методами // Тезисы VI Всесоюзной конференции «Фотометрия и ее метрологическое обеспечение» М.: ВНИИ ОФИМ. 1986. С.186.

5. Храмцовский И.А. , Пшеницын В.И., Мишин А.В., Холдаров Н.Х. Исследо-вание оптических свойств и состава поверхности стекол методами эллипсо-метрии и Оже-спектроскопии // Тезисы VIII Всесоюзного совещания «Сте-клообразное состояние» . Л.:  «Наука» ЛО. 1986. С.399–400.

6. Мишин А.В., Холдаров Н.Х., Пшеницын В.И., Храмцовский И.А. Приме-нение  эллипсометрии и Оже–спектроскопии для исследования оптических и спектральных свойств поверхности стекол // Тезисы VI Всесоюзного симпозиума «Оптические и спектральные свойства стекол». Рига: ЛГУ им. П.Стукчи,  СССР. 1986. С.144. 

7. Храмцовский И.А., Пшеницын В.И. Влияние полирующего абразива на оп-тические характеристики поверхностного слоя // ОМП. 1987. №o7. С.29–31.

8. Храмцовский И.А., Мишин А.В., Пшеницын В.И. Использование методов эл-липсометрии и ВКБ для определения оптического профиля волноводных слоев // Письма в ЖТФ. 1987. вып.13. С.1230–1235.

9. Пшеницын В.И., Холдаров Н.Х.,  Храмцовский И.А., Калинина М.А., Тихо- мирова Н.И. Изменение оптических характеристик поверхностного слоя сте-кла при полировании // ОМП. 1987. №8. С.28–31.

10. Игнатьева З.С., Салыганов В.И., Травкин С.П., Храмцовский И.А. Исследо-вание свойств окисных пленок на ферритах методом эллипсометрии // Сб.: Эллипсометрия в науке и технике / Под ред. К.К. Свиташева и А.С.Мар-дежева . Новосибирск: ИФП СО АН СССР. 1987.  С.158–160.

11. Пшеницын В.И., Мишин А.В., Храмцовский И.А., Банщиков А.Г.,  Холда-ров Н.Х., Толмачев В.А., Калинина М.А. Применение эллипсометрии и Оже–спектроскопии для исследования поверхности стекол // Сб.: Эллип-сометрия в науке и технике / Под ред. К.К. Свиташева и А.С.Мардежева. Новосибирск:  ИФП СО АН СССР. 1987. С.142–150.

12. Храмцовский И.А., Пшеницын В.И., Каданер Г.И., Кислов А.В. Учет опти- ческих характеристик поверхностного слоя при определении коэффици-ентов отражения и пропускания прозрачных диэлектриков // ЖПС. 1987. Т.46. №2. С.272–279.

13. Антонов В.А., Пшеницын В.И., Храмцовский  И.А. Уравнение эллипсомет-рии для неоднородных и анизотропных поверхностных слоев в приближе-нии Друде–Борна // Опт. и спектр. 1987. Т.62. вып.4.  С.828–831.

14. Храмцовский И.А., Пшеницын В.И., Мишин А.В., Толмачев В.А., Холдаров Н.Х. Исследование поверхностных слоев свинцовосиликатного стекла ме-тодом эллипсометрии // Физика и химия стекла. 1987. Т.13. №1. С.104–111.

15. Пшеницын В.И., Храмцовский И.А. Новый подход к эллипсометрии  реаль-ной поверхности оптических материалов // Сб: Эллипсометрия: теория, ме-тоды, приложение / Под ред. А.В.Ржанова и Л.А. Ильина.  Новосибирск: «Наука». 1987. С.8–14.

16. Храмцовский И.А., Вощенко Т.К., Черезова Л.А., Пшеницын В.И., Апинов А.А. Изменение оптических свойств поверхностного слоя  при ионно–плаз-менном распылении кварцевого стекла // Опт. и спектр. 1988. Т.65. вып.1. С.141–145.

17. Храмцовский И.А., Пшеницын В.И., Степанов В.А., Мошкаров Ю.Г., Цым-бал В.А. Исследование оптических характеристик и состава поверхностно-го слоя микропористого стекла // Физика и химия стекла. 1988. Т.14. №2. С.240 –245.

  18. Черезова Л.А., Вощенко Т.К., Храмцовский И.А., Пшеницын В.И. Измене-ние оптических и спектральных свойств стекол при ионной и ионнохими-ческой обработке // Тезисы VII Всесоюзного симпозиума «Оптические и спектральные свойства стекол». Л.: ИХС ЛО АН СССР. 1989. С.197.

19. Пшеницын В.И., Храмцовский И.А. Методы эллипсометрического анализа неоднородных поверхностных слоев и шероховатых поверхностей //  Сб.: Эллипсометрия: теория, методы, приложение / Под ред. К.К.Свиташева. Новосибирск: «Наука», 1991. С.20–33.

20. Алексеев С.А., Колосов А.М., Пшеницын В.И., Храмцовский И.А. Опреде-ление глубины трещиноватого слоя полированной поверхности кварцевого стекла методом ИК эллипсометрии // Стекло и керамика. 1992. №8. С.6–8. 

21. Горляк А.Н., Крылова Н.А., Подсекаев А.В.,Туркбоев А., Храмцовский И.А.  Эллипсометрия градиентных  оптических  элементов//  Труды Междуна-родной конференции  "Прикладная оптика – 98". CПб. 1998. С.12.

22. Аммас М.М., Лисицын Ю.В., Подсекаев А.В., Туркбоев А., Храмцовский И.А. Исследование поверхностных слоев фторсодержащих материалов // Вопросы материаловедения. 2000. №1 (21). С.58–63.

23. Алексеев С.А., Крылова Н.А., Миронов А.О., Туркбоев А., Храмцовский И.А.  Применение метода секционирования при контроле окисных пок-рытий на ферритах // Вопросы материаловедения. 2000. №1(21). С.63–65.

24. Акользин П.Г, Колосов С.В, Голоднов Д.В., Туркбоев А., Храмцовский  И.А Особенности измерения  параметров  шероховатой  поверхности диэлект-риков и  полупроводниковых материалов // Вопросы материаловедения. 2000. №1(21). С.66–69.

25. Аммас М.М., Горляк А.Н., Подсекаев А.В., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А. Измерение локальных значений показателя преломления неодно-родных сред методом эллипсометрии // Труды VIII Международной  кон-ференции «Оптические,  радиоволновые и тепловые методы и средства контроля качества материалов, промышленных изделий и окружающей среды»: Ульяновск. 2000. С.48–50. 

26. Демидов И.В., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А., Фан Ли Шуан  Приме-  нение эллипсометрии в контроле оптических характеристик неоднородных поверхностных слоев // Межвузов. Сб: Неразрушающий контроль и диаг-ностика окружающей среды,  материалов и промышленных изделий / Под ред. А.И.Потапова. СПб: СЗТУ. 2001. вып.1.  С.3–10.

27. Демидов И.В., Лисицын Ю.В.,  Храмцовский И.А., Шеломова О.А. Особен-ности применения метода Фурье спектроэллипсометрии в технологическом в контроле клеевых соединений оптических элементов автоклавируемых трубок // Научно-технический вестник СПб ГУ ИТМО: Оптические при-боры, системы и технологии / Гл. ред. В.Н.Васильев. СПб: ГИТМО (ТУ).  2002. вып. 5. С.148–152.

28. Новиков А.А., Леонов С.А., Прокопенко В.Т.,  Храмцовский И.А. Анализ технологических особенностей изготовления  и  контроля микроканальных  пластин для электронно–оптических преобразователей излучения // Научно – технический вестник СПб ГУ ИТМО: Оптические приборы, системы и технологии / Гл. ред. В.Н.Васильев. CПб: СПб ГИТМО (ТУ), 2002.  вып. 5. С.164–167.

29. Плотников В.В., Прокопенко В.Т., Тимошенко А.М., Храмцовский И.А. Диагностика шероховатой поверхности элементов оптоэлектроники методом эллипсометрии // Труды V Международной конференции «Прик-ладная оптика – 2002»: Оптическое приборостроение. СПб. 2002. Т.1. С.136.

30. Демидов И.В., Лисицин Ю.В., Михайлов Ю.В., Храмцовский И.А. Опреде-ление пространственной частоты передачи изображений градиентными оп-тическими элементами методами эллипсометрии // Труды V Международ-ной конференции «Прикладная оптика-2002»: Оптическое приборос-троение. СПб. 2002. Т.1. С.156.

31. Плотников В.В., Заморянская М.В., Храмцовский И.А. Анализ дефектов структуры Si–SiO2 методами эллипсометрии и катодолюминисценции //  Оптические методы исследования дефектов и дефектообразования микро-электроники и микросенсорной техники / Под ред. Гатчина Ю.А. и Ткалич В.Л.. СПб: ГИТМО (ТУ). 2002. С.784–786.

32. Новиков А.А.,  Прокопенко В.Т.,  Храмцовский И.А. Оптические свойства шероховатой поверхности элементов оптоэлектроники // Научно–техниче-ский вестник СПб ГУ ИТМО: Теория и практика современных технологий / Гл. ред. В.Н.Васильев,  СПб: CПб ГУ  ИТМО. 2004.  С. 73–80.

33. Прокопенко В.Т., Пшеницын В.И., Храмцовский И.А. Диагностика состоя-ния поверхности элементов оптоэлектроники методами эллипсометрии и ядерно–физической спектроскопии // Труды VI Международной конферен-ции «Прикладная оптика»: «Оптические материалы и технологии», СПб, 2004. Т.2. С.184.

34. Гарин П.Л., Лисицын Ю.В., Новиков А.А., Трухин М.М., Храмцовский И.А. Определение обобщенного показателя качества соединений деталей мето-дом эллипсометрии // Труды VI Международной конференции «Приклад-ная оптика»: Оптические материалы и технологии, СПб. 2004. Т.2. С.156.

35. Землянский В.С., Новиков А.А., Степанчук А.А., Храмцовский  И.А.  Поля-

ризационно-оптические методы контроля физико-химического состояния поверхности элементов в оптических соединениях деталей // Труды  VII Международной конференции «Прикладная оптика – 2006»: Компью-терные технологии в оптики. С–Пб. 2006. Т.3. С.248.

36. Прокопенко В.Т., Пшеницын В.И., Храмцовский И.А. Теоретические ас-пекты метода эллипсометрии шероховатых поверхностей и неоднородных анизотропных слоев элементов оптоэлектроники // Труды VII Междуна-родной конференции «Прикладная оптика – 2006»:  Компьютерные техно-логии в оптики. С–Пб. 2006. Т.3. С.247.

37. Землянский В.С., Новиков А.А., Степанчук А.А., Храмцовский И.А. Крите-рии  качества оптических элементов ионных и эксимерных лазеров вы-пол-енных из кристаллического и плавленного кварца // Труды VII Меж-дународной конференции «Прикладная оптика – 2006»: Оптические ма-териалы и технологии. С–Пб. 2006. Т.2. С.55.

38. Горляк А.Н., Новиков А.А., Храмцовский И.А. Диагностика состояния по-верхности оптоэлектроники модифицированных ионными и электронными пучками// Труды  VII Международной конференции «Прикладная оптика –2006»: Оптические материалы и технологии. С–Пб. 2006. Т.2. С.56.

39. Новиков А.А., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А Определение потерь из-лучения на оптических элементах методами эллипсометрии и спектрофото-метрии // Приборостроение. Изв.ВУЗОВ. 2007. Т.50.  №3.  С.62.

40. Гарин П.Л., Новиков А.А., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А. Исследова-ние оптических свойств поверхностных слоев в процессе стационарного и нестационарного выщелачивания силикатных стекол // Приборостроение. Изв. ВУЗОВ. 2007. Т.50. №7, С.23–30.

41. Новиков А.А., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А Оптические свойства поверхностных слоев силикатных стекол при ионной и электронно-лучевой обработки // Приборостроение. Изв.ВУЗОВ, 2007. Т.50. №8. С.54–60.

42. Храмцовский И.А., Пасяда А.В. Отражение поляризованного света от неод-нородного анизотропного поверхностного слоя// Приборостроение. Изв. ВУЗОВ. 2007. Т.50. №12, С.40–46.

43. Golyak A.N., Cramtsovsky I.A.The ellipcometry of the roug suface on an inho-mogeneous substrate // 4th International Conference on Spectroscopic Ellip-sometry «ICSE 4», Program & Abstracts, June 11–15. 2007. Stockholm. Swe-den. 1st Poster Session. MoP.42, Р.74.

44. Землянский В.С., Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А., Степанчук А.А. Пшеницын В.И, Влияние окружающей среды на физико–химическую структуру фторсодержащего силикатного стекла // «Неразрушающий кон-троль и диагностика  окружающей среды, материалов и промышленных изделий», 2007.  вып 14. С.194–206.

45. Степанчук А. А., Сычев М. М.,  Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А. Иссле-

  дование оптической неоднородности физико-химической структуры паро- фазного стекла // «Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий» / Под ред. А.И.Потапова, СПб: СЗТУ. 2007. вып.14. С.184–193.

46. Землянский В.С., Новиков А.А., Храмцовский И.А., Степанчук А.А. Ос-обенности физико–математического моделирования структуры неоднород-ных поверхностных слоев элементов оптоэлектроники // «Неразрушающий контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промышленных изделий» / Под ред. А.И.Потапова. СПб:СЗТУ. 2007. вып.14. C.207– 216.

47. Землянский В.С.,  Степанчук А.А., Храмцовский И.А.,Горляк А.Н. Эллипсо-метрический метод технологического контроля элементов лазерной техни-ки и градиентной оптики // Научно–технический вестник СПб ГУ ИТМО : Современные технологии, 2007. вып 43. С. 81–87. 

48. Степанчук А.А., Сычев М,М, Землянский В.С., Пшеницын В.И.,  Храм-цовский И.А., Туркбоев А.,  Гидролизный механизм формирования волно-водных слоев в фторсодержацих системах// Научно–технический вестник СПб ГУ ИТМО : Современные технологии, 2007. вып 43. С. 97–104.

49. Землянский В.С., Пшеницын В.И., Степанчук А.А., Храмцовский И.А.  Ис-

  следование кинетики и физико-химического механизма формирования  по-верхностных слоев фторсодержащих стекол// Физика и химия стекла. 2008.

Т.34. №2. С.170–181.

50.  Землянский В.С., Степанчук А.А., Сычев М.М., Храмцовский И.А. Влияние 

   физико-химической  структуры поверхностного слоя кварцевого стекла на потери излучения в УФ области спектра // Физика и химия стекла. 2008. Т.34, №3, С.326–335.

51. Прокопенко В.Т., Храмцовский И.А., Землянский В.С., Лисицын Ю.В., Секарин К.Г.  Эллипсометрия оптических соединений элементов оптоэлек-троники // Приборостроение. Изв. ВУЗОВ. 2008. Т.51. №10. С.59–67.

  1. Землянский В.С.,Храмцовский И.А.,Горляк А.Н.,Степанчук А.А. Методы эллипсометрического анализа неоднородных поверхностных слоев эле-ментов оптоэлектроники // Опт. и спектр. 2008. Т.105.  № 2. С.346–351.

53.  Новиков А.А., Храмцовский И.А., Иванов В.Ю., Федоров И.С., Туркбоев А. Эллипсометрия неоднородных поверхностных слоев анизотропных опти-ческих элементов // Приборостроение. Изв. ВУЗОВ. 2009. Т.52. № 1. С.62 –68.

  1. Gorlyak A.N., Khramtsovskij I. A. Diagnostics of  the physicochemical state of the surface of optoelecronics elements by ellipsometry method // 5 th Workshop Ellipsomtry / Germaniy. Zweibruecken. 2009. P.63.

55.  Храмцовский И.А., Трофимов В.А., Секарин К.Г., Степанчук А.А. Методы многоугловой и иммерсионной эллипсометрии // Меж.вуз. Сб.: Неразруша-ющий  контроль и диагностика окружающей среды, материалов и промыш-ленных изделий / Под ред. А.И.Потапова. СПб: СЗТУ. 2009. вып.16. С.93 –101.

 




© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.