УДК 535.417, 543.45

РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ ОПТИЧЕСКИХ СВОЙСТВ ТОНКИХ ПЛЕНОК

Карасёв Никита Юрьевич1, Кострин Дмитрий Константинович2
1Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, студент кафедры электронных приборов и устройств
2Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет, научный руководитель, кандидат технических наук, доцент кафедры электронных приборов и устройств

Аннотация
В данной работе рассматривается разработка лабораторной установки для исследования оптических свойств тонких пленок методом спектральной интерферометрии, с последующим исследованием возможности применения в ней дополнительного источника излучения, обладающего отличным от лампы накаливания спектром излучения. Приведены спектры отражения пленок, полученные с использованием разных источников излучения.

Ключевые слова: источник излучения, спектральная интерферометрия, спектрометр, тонкие пленки


DEVELOPMENT AND RESEARCH OF A LABORATORY SETUP FOR INVESTIGATION OF OPTICAL PROPERTIES OF THIN FILMS

Karasev Nikita Yurievich1, Kostrin Dmitry Konstantinovich2
1Saint Petersburg state electrotechnical university, student of department of electronic devices and instruments
2Saint Petersburg state electrotechnical university, scientific supervisor, candidate of technical sciences, associate professor of department of electronic devices and instruments

Abstract
In this article the development of a laboratory setup for investigation of optical properties of thin films by spectral interferometry with further study of the possibility of using an additional source of radia-tion, having a spectrum distinct from an incandescent lamp, is considered. Reflectance spectrums of films obtained using different radiation sources are shown.

Keywords: radiation source, spectral interferometry, spectrometer, thin films


Рубрика: 05.00.00 ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ

Библиографическая ссылка на статью:
Карасёв Н.Ю., Кострин Д.К. Разработка и исследование лабораторной установки для исследования оптических свойств тонких пленок // Современные научные исследования и инновации. 2015. № 10 [Электронный ресурс]. URL: http://web.snauka.ru/issues/2015/10/57814 (дата обращения: 20.11.2016).

Недостатком лампы накаливания как источника излучения для метода спектральной интерферометрии [1] является низкая интенсивность на краях спектра, что ухудшает соотношение сигнал/шум и делает невозможным измерение толщины, ориентируясь на экстремумы, расположенные по краям спектра [2]. Это обуславливает необходимость выбора иного источника, обладающего высокой интенсивностью в как можно большем диапазоне длин волн. Как возможный вариант решения данной проблемы рассматривается использование белого люминофорного светодиода [3].

Для получения спектральных характеристик излучения источников света и снятия спектральных зависимостей коэффициента отражения или пропускания пленок [45] в данной установке был использован разработанный на кафедре электронных приборов и устройств СПбГЭТУ управляемый от ПК спектрометр [6–7] с ПЗС-фотоприемником [8].

Как правило, для измерения спектрального коэффициента отражения пленок используют источник света, имеющий сплошной спектр излучения. В данном случае использована лампа накаливания в качестве основного источника излучения и белый люминофорный светодиод, как дополнительный. Излучение от источника направляется в волоконно-оптический жгут (коллектор), который изготавливается из двух отдельных жгутов, сплетаемых вместе с одного конца (рисунок 1). Свет из одного жгута может попасть в другой жгут только в том случае, если он выйдет из торца, образованного переплетенными жгутами и отразится от какого-либо объекта назад, в направлении торца.


Рисунок 1 – Оптическая схема исследования оптических свойств пленок по отраженному спектру

Если расположить напротив торца исследуемую пленку, то спектр ее отражения создаст модуляцию интенсивности спектрального распределения мощности в исходном пучке. Данный сигнал по второй ветви жгута достигает входной щели спектрометра, где происходит разложение на спектральные составляющие. Общий вид разработанной лабораторной установки представлен на рисунке 2,
где 1 – спектрометр с ПЗС-фотоприемником, 2 – штатив осветителей, 3 – подвижный держатель штатива осветителей, 4 – волоконно-оптический жгут осветителя-приемника для режима нормального падения, 5 – зеркало, 6 – исследуемый образец, 7 – лампа накаливания, 8 – светодиод, 9 – тумблеры включения лампы накаливания и светодиода.


Рисунок 2 – Общий вид экспериментальной установки для исследования оптических параметров пленок

Данная установка предназначена в первую очередь для измерения толщины и оптических параметров тонких пленок по свидетелю в отраженном спектре, однако может использоваться и для проведения исследований в проходящем спектре. Для этого необходимо установить образец непосредственно напротив отверстия источника излучения. Туда же подводится и волоконно-оптический жгут спектрометра.

Полученные спектры отображаются на экране ПК с помощью программы Aspect2010, которая позволяет производить различные операции по обработке спектров и управлению спектрометром [6–7]. Для проведения измерений по проходящему спектру достаточным оказывается установка чувствительности в 50 мс. При исследованиях отраженного спектра наблюдаются значительные потери в волоконно-оптическом жгуте, что требует увеличения чувствительности в 8–10 раз.

Для проверки разработанной лабораторной установки были сняты спектры нескольких отличающихся по составу и толщине тонких пленок в проходящем и отраженном свете. На рисунке 3 представлен спектр пропускания пленки гидрогенизированного кремния α-Si:H на фоне спектра источника излучения – лампы накаливания.


Рисунок 3 – Спектральная характеристика пропускания пленки α-Si:H на стекле (2) и спектр излучения источника – лампы накаливания (1)

На полученном спектре хорошо видно разделение на две области: с высоким поглощением, когда интерференция в пленке невозможна (до 550 нм), и с низким, благоприятствующим интерференции (550…850 нм) [9]. Таким образом, данный спектр подходит для проведения исследований по методу спектральной интерферометрии. Однако, для проведения вычисления параметров пленки необходима предварительная обработка полученного спектра: нормировка, путем деления исследуемого спектра на спектральное распределение интенсивности сигнала в канале измерений. Аналогичный спектр, но при использовании светодиода представлен на рисунке 4.


Рисунок 4 – Спектральная характеристика пропускания пленки α-Si:H на стекле (2) и спектр излучения источника – белого светодиода (1)

Спектр, полученный с помощью лампы накаливания, имеет несколько четко выраженных максимумов и минимумов, т. е. подходит для обработки методом спектральной интерферометрии. В случае использования светодиода, полученный спектр содержит лишь один четкий максимум. Иными словами, полученный спектр не несет полезной информации о пленке. Можно сделать вывод, что использовать в качестве источника излучения светодиод можно лишь для крайне ограниченного списка материалов, даже в сравнении с лампой накаливания.

Разработанная установка позволяет проводить исследования оптических параметров пленок методом спектральной интерферометрии не только в отраженном, но и в проходящем свете. Однако, если для съемки в отраженном свете, установка оснащена штативом волоконно-оптического жгута осветитель-приемник, а образец помещается на ровную поверхность, что обеспечивает нормальное падение лучей на пленку, то при съемке в проходящем свете образец необходимо держать перед отверстием источника излучения. Нормальное падение лучей на пленку оказывается крайне важным для нахождения показателя преломления, т. к. значительно упрощает расчеты.

Возможностью для улучшения установки является увеличение интенсивности излучения на краях спектра для увеличения отношения сигнал/шум. Данную проблему можно решить, если заменить лампу накаливания на иной источник излучения, покрывающий всю необходимую область спектра. Как показали приведенные выше исследования, использование белого люминофорного светодиода на основе синего светодиода и желтого люминофора не дает результатов, т. к. область длин волн, в которой поглощение в исследуемых пленках изменяется от ничтожно малого (благоприятствующее интерференции) до высокого (интерференция невозможна) либо вовсе не совпадает с областью излучения светодиода, либо находится на ее краю.


Библиографический список
  1. Барченко В. Т., Быстров Ю. А., Колгин Е. А. Ионно-плазменные технологии в электронном производстве. СПб.: Энергоатомиздат, 2001. 332 с.
  2. Ухов А. А., Герасимов В. А., Кострин Д. К. Методика и аппаратура для определения спектральных характеристик стекол и зеркал // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 8. С. 10–14.
  3. Повышение точности и воспроизводимости результатов колориметрических измерений светоизлучающих диодов / Р. В. Юдин, Д. К. Кострин, Д. И. Шишов, А. А. Ухов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2013. № 3. С. 8–13.
  4. Повышение точности спектрального метода измерения параметров оптически прозрачных тонких пленок / В. А. Герасимов, Д. К. Кострин, Л. М. Селиванов, А. А. Ухов // Вакуумная техника и технология. 2014. Т. 24. № 1. С. 39–42.
  5. Кострин Д. К. Исследование спектрального метода контроля толщины полупроводниковых и диэлектрических пленок // Контроль. Диагностика. 2015. № 6. С. 30–34.
  6. Кострин Д. К., Ухов А. А. Аппаратно-программный спектрометрический комплекс для исследования параметров светоизлучающих диодов // Биотехносфера. 2013. № 3. С. 21–25.
  7. Особенности анализа состава плазмы с помощью малогабаритного оптического спектрометра / А. А. Ухов, Д. К. Кострин, В. А. Герасимов, Л. М. Селиванов // Известия СПбГЭТУ «ЛЭТИ». 2015. № 3. С. 7–10.
  8. Кострин Д.К., Ухов А.А. Датчики в электронных устройствах. СПб.: Изд-во СПбГЭТУ «ЛЭТИ», 2013. 240 с.
  9. Кострин Д.К., Ухов А.А. Интерференция в поверхностном слое и метрологические параметры спектрометров с ПЗС-фотоприемниками // Датчики и системы. 2013. № 5. С. 13–15.


Все статьи автора «Кострин Дмитрий Константинович»


© Если вы обнаружили нарушение авторских или смежных прав, пожалуйста, незамедлительно сообщите нам об этом по электронной почте или через форму обратной связи.

Связь с автором (комментарии/рецензии к статье)

Оставить комментарий

Вы должны авторизоваться, чтобы оставить комментарий.

Если Вы еще не зарегистрированы на сайте, то Вам необходимо зарегистрироваться:
  • Регистрация