Синтез и исследование стабильности спектроделительных покрытий для среднего ИК-диапазона спектра

СИНТЕЗ И ИССЛЕДОВАНИЕ СТАБИЛЬНОСТИ СПЕКТРОДЕЛИТЕЛЬНЫХ ПОКРЫТИЙ ДЛЯ СРЕДНЕГО

ИК-ДИАПАЗОНА СПЕКТРА

А.Н. Тропин (Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического приборостроения) Научный руководитель - д.ф.-м.н., профессор Е.Н. Котликов

(Санкт-Петербургский государственный университет аэрокосмического

приборостроения)

С использованием двух методик синтезированы спектроделительные покрытия для диапазона 1,5-4 мкм. В первом случае структура покрытия спроектирована с применением четвертьволновой стопы с обрамляющими слоями, во втором - с использованием неравнотолщинных слоев. Исследована устойчивость спроектированных структур к ошибкам измерения толщины слоев, возникающим при реализации на практике многослойных тонкопленочных покрытий.

Введение

Наряду с другими типами многослойных интерференционных покрытий, спектроделительные покрытия успешно используются в оптическом приборостроении, лазерной физике, аппаратуре для космических исследований, фурье-спектроскопии, флуоресцентном анализе и других областях науки и техники. В частности, они хорошо востребованы при изготовлении узкополосных интерференционных фильтров. Однако вопросы теории синтеза и технологии изготовления таких покрытий на современном уровне развития недостаточно изучены и разработаны. Так, например, в литературе практически отсутствует обсуждение стабильности синтезированных покрытий, т.е. нечувствительность получаемых спектральных характеристик к вариациям толщин слоев и коэффициентов преломления реально изготавливаемых структур.

В настоящей работе с использованием двух методик синтезированы спектродели-тельные покрытия для интерференционных фильтров среднего ИК диапазона спектра. В основе одного покрытия лежат равнотолщинные четвертьволновые пленки. В основе другого - неравнотолщинные пленки. Синтезированные покрытия рассчитаны на пропускание в диапазоне 2,6-4 мкм и блокирование излучения ниже 2,4 мкм. Длина волны пропускания по уровню 0,5 максимального пропускания %0.5Ттах= 2,5 мкм. При проектировании использована разработанная на кафедре физики СПбГУАП программа синтеза и анализа интерференционных покрытий. Проведен анализ устойчивости обеих структур к вариациям толщин напыляемых пленок, обусловленных погрешностями при измерении в процессе напыления.

В качестве основных пленкообразующих веществ выбраны материалы с показателями преломления пВ = 4 (соответствует Ое) и пН = 1,7 (соответствует БЮ). Материалом подложки в обоих вариантах покрытий служит кремний, показатель преломления п$,[ = 3,5.

В рамках рассматриваемой модели дисперсия показателей преломления пленкообразующих веществ и подложки исключена, показатели преломления приняты постоянными во всем спектральном диапазоне. Поглощение в пленках и подложке отсутствует.

Методы синтеза и расчет устойчивости спектроделительных покрытий

В основе варианта спектроделительного покрытия, спроектированного по первой методике, лежат равнотолщинные четвертьволновые слои. Известно [1], что с помощью классической четвертьволновой стопы, хотя и удается получить высокий коэффициент отражения в области заграждения при использовании достаточного количества слоев,

не удается добиться хорошего пропускания в требуемом спектральном интервале. На рис. 1 представлены спектральные характеристики равнотолщинных структур.

Рис. 1. Спектральные характеристики классических четвертьволновых структур:--------

- спектр четвертьволновой стопы (НВ)6Н; — - спектр такой же стопы с последним

слоем удвоенной толщины (НВ)62Н

Одним из способов улучшения спектральной характеристики в этом случае является добавление в начале и в конце структуры по два (или более) слоя, толщины которых подбираются таким образом, чтобы оптимизировать спектральные характеристики покрытия в соответствии с требованиями. Причем показатели преломления добавляемых эквивалентных слоев могут быть отличны от показателей преломления четвертьволновых пленок, а сами слои выполняют функцию согласования на границах раздела подложка-структура и структура-воздух.

В нашем случае при синтезе структуры спектроделительного покрытия на основе четвертьволновой стопы материалом первого согласующего слоя выбран УБ3 с показателем преломления: иубз = 1,4.

Второй вариант спектроделительного покрытия спроектирован с использованием неравнотолщинных слоев. Несмотря на то, что проектирование и реализация на практике интерференционных покрытий с использованием слоев, толщины которых не равны Хс /4, сопряжена с рядом принципиальных трудностей, такие покрытия находят широкое применение в силу возможной вариативности своих спектральных характеристик. Исходные структуры спроектированы таким образом, что их спектральные характеристики полностью соответствуют требуемым. Толщины слоев исследуемых на устойчивость покрытий в единицах Хс /4, где Хс = 1,8 мкм, представлены в таблице. Спектральные характеристики исходных структур представлены на рис. 2.

При измерении тем или иным способом толщины осаждаемого слоя в процессе напыления всегда присутствуют случайные и (или) систематические ошибки, обусловленные инструментальной погрешностью используемой аппаратуры, несовершенством методики измерения или просто человеческим фактором. Поэтому получаемые на практике пленки могут иметь толщину, отличающуюся от расчетной. Причем разброс по толщинам имеет, как правило, нормальное распределение.

Тх, % 100-

Х,мкм

Рис. 2. Спектральные характеристики спроектированных структур:

-------спектр четвертьволновой стопы с обрамляющими слоями;

— - спектр неравнотолщинной структуры

№ слоя (считая от подложки) 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13

1-ый вариант покрытия Материал YFз ве ею ве БЮ ве БЮ ве БЮ ве БЮ ве БЮ

Толщина 0.38 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 1.0 0.73 2.22

2-ой вариант покрытия Материал ею ве 8Ю ве БЮ ве БЮ ве БЮ ве БЮ ве БЮ

Толщина 0.64 0.82 1.13 0.92 0.94 1.10 1.0 0.93 1.06 1.08 0.80 0.93 2.22

Таблица. Структуры покрытий

Зная дисперсию, можно с помощью закона Гаусса оценить надежность измерения, т.е. ответить на вопрос, с какой вероятностью действительное значение измеренной величины лежит в пределах (х+8, х-е), где х - результат измерения, а 8 > 0 - произвольное

е / а

2 Г — £2 /2

число. Искомая вероятность равна Р(е / а) = I е , где а - среднеквадра-

2 л/2п

тичная ошибка измерения.

Анализ устойчивости структур покрытия проводился случайной вариацией толщин слоев, причем толщина каждого слоя могла как увеличиваться на величину ошибки, так и уменьшаться. За критерий устойчивости структуры принималось значение функционала, характеризующего степень близости спектральной характеристики интерференционного покрытия к требуемой кривой. Обычно он выбирается в виде

^ «2 [2]: 0(Х) = |

Я

ёа , где Я(X, а) - спектральная характеристика покры-

тия с параметрами X (параметрами покрытия являются оптические толщины слоев и показатели преломления слоев обрамляющих сред); Г (а) - требуемая спектральная

2

зависимость; а = (Х0 - референтная длина волны, Х - длина волны излучения в 2 X

вакууме), а1 и а2 - границы интервала значений а. Относительно длины волны Х функ-

^ п г 1 ционал качества имеет вид ©(X) = — Хп I

2 0 X X2

Х1

Я

ёХ.

0

с, %

Рис. 3. Зависимость значений функционала качества ©(X) от а;

---------равнотолщинная структура с обрамляющими слоями;

----неравнотолщинная структура

Тх, %

Х,мкм

Рис. 4. Спектральные характеристики исходных структур и структур

с «ошибками» при а = 5%:---------равнотолщинная структура с обрамляющими

слоями; — - неравнотолщинная структура

При математическом моделировании значения ошибки с выбирались с шагом 0,5% из интервала значений 0-5%. Для каждого из двух вариантов покрытий было рас-

2

считано от нескольких сотен вариаций при малых значениях с, до нескольких тысяч при значениях с = 4-5% . Результаты вычислений представлены на рис. 3.

В качестве иллюстрации на рис. 4. приведены спектральные характеристики самых неудовлетворительных из полученных «испорченных» структур для обоих вариантов покрытий при с = 5% .

Как видно из рис. 4, несмотря на сравнительно сходный характер изменения пропускания в области 2,7-4 мкм и одинаковую невосприимчивость характеристик к ошибкам в области заграждения, сдвиг величины Х0.5ттах для второго варианта покрытия больше, что является существенным при рассмотрении вопроса устойчивости.

За небольшим исключением, в большинстве случаев на практике точное положение длины волны при переходе от 81ор-зоны к раББ-зоне является весьма критичным параметром. Так, например, в таких задачах, как люминесцентный анализ и спектроскопия комбинационного рассеяния, где применяются так называемые режекторные фильтры с предельно резким переходом от зоны заграждения к зоне пропускания, требования по привязке длины волны Хо.5Ттах весьма жесткие.

Заключение

Исходя из полученных результатов, можно сделать вывод о том, что при величине ошибки измерения толщины пленки порядка 1% структуры как в том, так и в другом случае практически одинаково реагируют на отклонения толщин слоев от расчетных. При ошибках напыления больше 1% вариант покрытия, спроектированный по методике с применением равнотолщинной четвертьволновой стопы и согласующих эквивалентных слоев, устойчивее по сравнению с вариантом неравнотолщинной структуры.

В отношении реализации на практике рассчитанных структур хотелось бы отметить, что, несмотря на необходимость использования большего числа пленкообразующих веществ при проектировании первого варианта покрытия, толщины основного числа слоев этой структуры существенно легче измерять традиционным фотометрическим способом по Хс /4.

Литература

1. Фурман Ш.А. Тонкослойные оптические покрытия. - Л.: Машиностроение (Ле-нингр. отделение), 1977. - 264 с.

2. Введенский В.Д., Столов Е.Г. Синтез интерференционных оптических покрытий // ОМП. - 1981. - №7. - С. 59-62.