Исследование шероховатости поверхностей диэлектриков с использованием волноводного рассеяния света тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 01.04.03, кандидат физико-математических наук Тупанов, Леонид Викторович

• Тупанов, Леонид Викторович
• кандидат физико-математических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат физико-математических наук Тупанов, Леонид Викторович

Введение.

В.1 Обзор методов определения шероховатости поверхностей.

В.2 Цель работы.

В.З Содержание диссертационной работы.

В.4 Научная новизна.

В.5 Научная и практическая ценность.

В.6 Научные положения выносимые на защиту.

В.7 Апробация работы.

Глава 1. Определение оптимальных параметров метода дифференциального рассеяния для измерения шероховатости поверхностей диэлектриков.

Введение.

§ 1.1 Дифракция плоской волны на гофрированной границе раздела двух диэлектриков.

§ 1.2. Анализ оптимальных условий для измерения шероховатости диэлектрических поверхностей методом дифференциального рассеяния.

Выводы к главе 1.

Глава 2. Рассеяние Н-волны на шероховатости границы плёночного волновода.

§ 2.1 Постановка задачи. Метод её решения.

§ 2.2 Рассеяния Н-волны в одну среду (подложку).

2.2.1 Вывод выражения для коэффициента рассеяния на гофре.

2.2.2 Анализ основных зависимостей для рассеяния только в подложку.

§ 2.3 Рассеяние Н-волны в обе обрамляющие среды.

2.3.1 Вывод выражения для коэффициента рассеяния на гофре.

2.3.2 Анализ основных зависимостей, условия минимума и максимума для случая рассеяния в обе обрамляющие среды.

§ 2.4 Диапазон пространственных гармоник (периодов), которые приводят к рассеянию.

§ 2.5 Угловые зависимости интенсивности рассеянного излучения для Нволны.

Выводы к главе 2.

Глава 3. Измерение спектральной плотности шероховатости поверхности по рассеянию Н-волны в плоском плёночном волноводе.

§ 3.1 Обоснование методики измерения спектральной плотности шероховатости поверхности волноводным методом.

§ 3.2 Влияние условий ввода излучения в волновод на проникновение излучения в подложку.

3.2.1 Факторы, приводящие к проникновению части падающего пучка в подложку.

3.2.2 Постановка задачи и этапы её решения.

3.2.3 Падение плоской волны на призменный элемент ввода.

3.2.4 Спектр падающего пучка. Падение пучка на призменный элемент ввода.

3.2.5 Анализ зависимости мощности, проникающей в подложку от угла падения.

3.2.6 Обоснование выбора параметров основных элементов системы ввода.

§ 3.3 Анализ оптимальных вариантов измерений.

3.3.1 Анализ диапазона измеряемых периодов.

3.3.2 Анализ оптимальных вариантов измерения по чувствительности.

3.3.3 Анализ оптимальных вариантов измерений по разрешающей способности.

§3.4 Дублирование измерений и их точность.

3.4.1. Рассеяние в воздух, рассеяние в подложку.

3.4.2 Коэффициент затухания а.

§3.5 Методика обработки результатов измерений.

Выводы к главе 3.

Глава 4. Экспериментальные исследования рассеяния света на шероховатой границе плёночных диэлектрических волноводов.

§4.1 Обеспечение и контроль гладкости верхней границы волновода.

§ 4.2 Измерение эффективности ввода, коэффициента затухания.

§ 4.3 Описание экспериментальной установки. Основные элементы и их назначение.

§ 4.4 Характеристики трёх вариантов регистрирующей части.

4.4.1. Фотоприёмник с микроамперметром.

4.4.2. Фотоприёмник с усилителем.

4.4.3 Цифровая видеокамера.

§ 4.5 Измерение параметров искусственной шероховатости методами однократного и волноводного рассеяния.

4.5.1 Метод однократного рассеяния.

4.5.2. Метод волноводного рассеяния.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование шероховатости поверхностей диэлектриков с использованием волноводного рассеяния света»

Постоянный рост требований к качеству поверхностей в таких областях как волоконная и интегральная оптика, лазерная техника, нанотехноло-гии требует всё более полной информации о шероховатости особо гладких поверхностей. В настоящее время разработано множество различных методов определения шероховатости поверхностей.

В.1 Обзор методов определения шероховатости поверхностей.

К традиционным методам исследования поверхности обычно относят микроскопию (оптическую и электронную), интерферометрию, механическую (контактную) профилометрию, эллипсометрию. Рассмотрим кратко некоторые из них.

Микроскопия, как метод исследования поверхности, является одним из достаточно развитых и широко применяемых в различных областях науки и техники. В связи с этим является наиболее разработанным и достаточно широко используется в различных отраслях [1-8]. Возможности традиционной микроскопии расширяются с использованием стереоскопии [5], поляризационной микроскопии, микроскопии полного внутреннего отражения (FIRM - total internal reflektion microscopy) и др. методов. Микроскопы, работающие по этому принципу, обеспечивают измерение среднего значения высот неровностей профиля поверхностей R от 320 до 1,6 мкм.

Электронная микроскопия позволяет получить количественные характеристики неровности (шероховатости) поверхности только при использовании специальных методов обработки микрофотографий поверхности.

Интерферометрия является достаточно развитой и широко используемой методикой исследования, в том числе для измерения шероховатости поверхности [4, 6, 9-23]. В интерферометрах интерферируют два волновых фронта (две волны): эталонный и полученный от контролируемой поверхности. Принципы образования интерференционной картины достаточно подробно описаны в литературе [25]. Кратко суть явления состоит в том, что при сложении когерентных световых волн (двух и более) интенсивность результирующей волны зависит от разности фаз складывающихся волн. Реализуются в основном два случая интерференции, при которых наблюдаются полосы (кольца) равного наклона или полосы равной толщины [25]. С помощью микроинтерферометров контролируют поверхности со штрихами, параллельными друг другу (шероховатость - система продольных штрихов). В случае хаотически направленных штрихов (случайная шероховатость) интерференционная картина имеет сложный вид и измерение глубины (высоты) неровностей практически невозможно. Микроинтерферометры позволяют измерять высоту неровностей профиля поверхности R от 0,8 до 0,03 мкм. В отличие от микроскопии интерферометрия не позволяет получать качественную картину поверхности.

Для особо точного измерения шероховатости поверхности С. Толан-ский в 1948 г. предложил использовать многолучевую интерферометрию[25]. Идеи многолучевой интерферометрии Физо и FEKO (fringes of equal chromatic order) - интерферометрия полос равного хроматического порядка -позволяют улучшить разрешение метода, однако для этого требуется покрывать поверхность непрозрачным слоем серебра для увеличения отражательной способности. В последнее время интенсивно разрабатывается метод двух лучевой фазовой сдвиговой интерферометрии (TWLPSI - two-wavelength phase shifting interferometry). Он позволяет повысить точность измерения высоты неровностей поверхности до тысячной доли длины волны источника излучения. Микроскопия и интерферометрия позволяют проводить измерения в белом и монохроматическом свете. Использование отражающих покрытий поверхности в обоих методах для повышения их разрешающей способности существенно снижает достоверность получаемой информации и делает их в этих случаях контактными методами. Получаемый в обоих методах параметр шероховатости R является по сути локальной характеристикой поверхности и не несёт информации о её статистических свойствах. Другим существенным недостатком обоих методов является отсутствие способа получения функции спектральной плотности (ФСП) и автокорреляционной функции (АКФ) шероховатостей поверхности в рамках самих методов.

Растровая микроскопия занимает промежуточное положение между микроскопией и интерферометрией и использует достоинства обоих методов. Позволяет контролировать шероховатость поверхности по параметру R от 50 до 0,4 мкм[6, 10]. '

Третьим широко используемым методом контроля качества обработки различных поверхностей является профилометрия механическая [5, 9, 22, 2633]. В отличие от первых двух рассмотренных выше методов, механическая профилометрия является принципиально контактным методом по своей сути: измерение профиля поверхности осуществляется путём перемещения механического жёсткого щупа (например, алмазной иглы) по поверхности. Полученные вертикальные микро перемещения щупа с помощью оптико-рычажной системы воспроизводятся в увеличенном масштабе. Обычно радиус иглы составляет примерно 1-10 мкм [3, 10, 34]. Один из недостатков контактных методов - нарушение структуры поверхности механическим щупом. Для устранения этого недостатка ведутся исследования в области создания лёгких (0,1-1мг) щупов, а также имеющих малый радиус закругления, что позволит повысить разрешающую способность метода.

Горизонтальное (латеральное) разрешение щуповых профилометров зависит от крутизны микронерегулярностей поверхности, радиуса закругления иглы и её заключающего угла. Микронеровности с большой крутизной, чем острие иглы, будут не замечены, т.е. эти спектральные компоненты микрорельефа не будут отмечены на профилограмме. Рис.В.1 иллюстрирует связь между радиусом закругления иглы и пространственной частотой гармонической составляющей (решётки) в спектре шероховатости поверхности.

В этом случае связь между периодом Л одной из компонент в спектре неровностей поверхности, радиусом закругления г иглы и амплитудой d синусоидальной составляющей характеризуется следующим неравенством[34,41] л

Рис.В.1. Схематическое изображение иглы профилометра сканирующей гармонический профиль поверхности.

А > 2 • п • 4d-r показывающим, что при заданных d и г игла профилометра будет разрешать только те компоненты в спектре неровностей поверхности, период которых удовлетворяет данному соотношению. Так, при d =10 А и г =1 мкм критическое значение А составляет примерно 0,2 мкм. При том же профиле игла с закруглением 8 мкм сможет разрешать только составляющие с Л >0,6 мкм. Профилометр позволяет получать статистическую информацию о шероховатости поверхности с разрешением по а около 0.1 нм и по А порядка десятых долей мкм.

Профилометрия оптическая является принципиально бесконтактным методом и включает в себя несколько подходов к измерению профиля неровной поверхности [1, 10, 25, 26, 35-39]. Оптические микропрофилометры позволяют в отличие от микроинтерферометров измерять хаотические шероховатые поверхности, поскольку в поле зрения наблюдается не площадка на контролируемой поверхности, а профиль поверхности вдоль узкой линии (изображение щели). Несомненно, более перспективным является гетеродинная профилометрия. Этот способ основан на гетеродировании и фокусировке на исследуемой поверхности двух ортогонально поляризованных волн с близкими частотами. Одна волна является опорной, а вторая - сканирует вращающуюся поверхность. При этом разность фаз отражённых волн оказывается прямо пропорциональной высоте неровностей.

Основная идея туннельной сканирующей вакуумной микроскопии заключается в следующем. Кончик исключительно тонкой иглы подносится настолько близко к поверхности образца, что волновые функции электронов начинают перекрываться с волновыми функциями поверхностных электронов. Приложение небольшого напряжения между поверхностью и зондом приводит к туннелированию электронов сквозь вакуум. Поскольку электронные волновые функции спадают с расстоянием экспоненциально, туннельный ток очень чувствителен к расстоянию между кончиком иглы и поверхностью. В результате, при сканировании зонда по поверхности структурные детали атомного размера проявляются как изменения туннельного тока. Достигнуто вертикальное разрешение около 0,01 А, а латеральное - до 1 А. Поскольку используется туннельный ток, то и исследовать можно лишь проводящие поверхности.

Рис.В.2. Схема работы СТМ.

В атомно-силовом микроскопе игла закреплена на небольшой консоли. Перемещение иглы вдоль поверхности, как и в туннельном микроскопе, осуществляется с помощью пьезоэлементов. В основе работы атомносиловых микроскопов лежит использование различных видов силового взаимодействия зонда с поверхностью. По мере приближения иглы к поверхности атомы иглы начинают все сильней притягиваться к атомам образца. Сила притяжения будет возрастать до тех пор, пока атомы не сблизятся настолько, что их электронные оболочки начнут отталкиваться электростатически. При дальнейшем уменьшении межатомного расстояния электростатическое отталкивание экспоненциально ослабляет силу притяжения. Эти силы уравновешиваются при расстоянии между атомами порядка двух ангстрем. АСМ представляет собой мощный метрологический инструмент, используемый для получения изображений топографии, измерения шероховатости поверхностей, изучения различных органических и биологических объектов с атомарным разрешением. Силы между иглой и образцом изгибают консоль, что позволяет регистрируя её отклонения, строить изображение. Достигнуто разрешение около 30 А[41].

Каждому из упомянутых методов присущи свои достоинства и недостатки. Механические контактные методы, как правило, либо изменяют состояние поверхности, либо - не дают возможность измерять близко расположенные неоднородности поверхности. Недостатки контактных методов устраняют бесконтактные методы, в частности наиболее известные оптические методы.

Оптические методы представляют наиболее широкое направление в области теоретических и прикладных исследований свойств поверхности в целом. Теория однократного рассеяния света на шероховатости поверхности содержит множество методов, отличающихся друг от друга разными приближениями. Наиболее общие предположения свойственные большинству работ по рассеянию:

1. размеры рассеивающих элементов много меньше или много больше длины волны падающего излучения;

2. затемнение одних элементов другими отсутствует;

3. электромагнитное поле рассеяния рассчитывается в зоне Фраунгофера;

4. многократное отражение отсутствует.

Примерами таких методов являются метод возмущений и метод Кирхгофа [70] и наиболее информационно ёмкий — метод дифференциального рассеяния [42, 43]. В основе метода возмущений лежит так называемое приближение "пологих неровностей", т.е. считается, что наклоны поверхности в среднем не велики, а а « X. Решение волнового уравнения в этом случае ищется в виде разложения по степеням малого параметра и проводится методом последовательных приближений.

Метод Кирхгофа основан на предположении плавности неровностей (локальная применимость плоских формул преломления и отражения) и их крупномасштабности, т.е. считается, что а>Л, где а - средний поперечный размер неровностей. Рассеянное поле ищется в виде (как и в методе возмущений) функции Грина, при заданных значениях поля и его производной на поверхности. Предполагается также, что ни для падающей, ни для отраженной волн нет затемнения каких-либо элементов поверхности.

Подход, основанный на дифференциальном рассеянии [42, 43], позволяет определить реальную ФСП для исследуемой поверхности. Шероховатая поверхность представляется в виде ряда Фурье по пространственным гармоникам поверхности. При падении волны на шероховатую поверхность происходит рассеяние света, причем заданному углу рассеяния соответствует строго определённое значение пространственной частоты (периода), а интенсивности соответствует амплитуда этой пространственной частоты. Измеряя угловое распределение света, можно определить ФСП шероховатости для данной поверхности. Общий недостаток методов основанных на однократном рассеянии - недостаточная чувствительность.

Методы в которых происходит многократное рассеяние излучения обладают наибольшей чувствительностью и характеризуются статистическим подходом. Одним из таких методов является метод исследования шероховатости вогнутых зеркал с помощью скользящих пучков рентгеновского излучения (мод шепчущей галереи) [47]. В этом методе узкий рентгеновский пучок падает на вогнутую поверхность. Благодаря последовательным многократным отражениям пучок скользит вдоль поверхности и выходит с противоположной стороны зеркала. Т.о. по рассеянному излучению определяют качество вогнутой поверхности.

Одним из основных методов многократного рассеяния является волно-водный. Использование плоских плёночных диэлектрических волноводов, благодаря многократному синфазному рассеянию света позволяет на несколько порядков увеличить интенсивность излучения, рассеянного на шероховатой границе раздела сред по сравнению с однократным рассеянием. К примеру, на участке волновода длиной L число отражений от каждой поверхности описывается выражением где h - эффективная толщина волноводного слоя, 0 -угол падения волны на рассеивающую поверхность. При L=1 мм, 2h=l мкм, N=10 , то есть 1мм трека волноводной волны будет излучать в N раз больше, чем однократно рассеянная волна на той же поверхности.

Работы по изучению рассеяния света в плоских волноводах начали широко проводиться с середины 1970-х годов. Вопрос о потерях мощности света, распространяющегося в волноводе был важен, поскольку именно этими потерями определяются размеры оптических интегральных схем и возможности многих приложений. Поэтому рассеяние света на нерегулярностях тонкоплёночных волноводов рассматривалось многими авторами. Одна из первых работ [48], в которой изучалось рассеяние была выполнена П.Тьеном. В ней потери разделены на объёмные, связанные с рассеянием света неодно-родностями плёнки, и потери вызванные шероховатостью границ волновода. Показано, что объёмные потери слабо зависят от номера моды, в то время как, потери, связанные с шероховатостью возрастают с ростом номера моды. Отмечается, что потери на рассеяние обычно обратно пропорциональны толщине волновода. Работа Д.Гоелла [48] посвящена механизмам потерь в диэлектрических волноводах. В статье обсуждаются потери, обусловленные нерегулярностями границы раздела между сердцевиной и оболочной и радиационные потери, вызванные изгибом волновода.

Цикл работ с более глубоким рассмотрением процесса излучения рассеянного света из волновода выполнен Д. Маркузе [49]. В этих работах автор рассматривает проблему потерь в плоском волноводе. В работах обстоятельно обсуждается эффект излучения, вызванный нерегулярностью границ волновода, установлена связь между коэффициентом затухания и шероховатостью границ волновода.

Параллельно, в это же время, на кафедре радиофизики РУДН сформировалась научная группа по изучению волноводного рассеяния. В первых работах [50], посвященных рассеянию, как правило, авторы ставили своей целью определение коэффициента затухания волноводных мод, выяснение причин его увеличения. Дальнейшим развитием работ, было изучение рассеянного излучения для определения характеристик шероховатости поверхности. Стоит отметить, что был проведён широкий комплекс теоретических и экспериментальных исследований, которые обосновали возможности использования волноводного рассеяния для измерения шероховатости поверхности. Здесь уместно указать работы Дерюгина JI.H., Черемискина И.В., Сотина В.Е., Цеснека Л.С., Андлера Г., Егорова А.А., Осовицкого А.Н., Челяева А.Ф., Васкеса С.Ф. [50-58].

Исследования рассеяния для определения шероховатости поверхности шли по двум направлениям:

1. Определение шероховатости поверхности (прежде всего металлов) по внутриволноводному (бреговскому) рассеянияю.

2. Определение шероховатости поверхности (прежде всего диэлектриков) по рассеянию с излучением в обрамляющие среды. Результаты этих исследований позволили создать макеты ряда приборов для измерения шероховатости поверхностей, получить авторские свидетельства на изобретения [59-62].

При изучении рассеяния света с излучением из волноводов использовались известные подходы [49], основанные на замене шероховатости границы слоем постоянной толщины, диэлектрическая проницаемость которого изменяется вдоль оси волновода, что не всегда соответствовало реальным ситуациям. Кроме того, при рассмотрении поля рассеяния, как правило, не учитывались интерференционные эффекты, имеющие место в плёночных волноводах. Ещё один недостаток этих работ — априорное задание функции спектральной плотности (ФСП) шероховатости. Такой подход не всегда даёт правильные результаты, так как, реальная ФСП исследуемой поверхности, как правило не известна.

С другой стороны, в литературе достаточно подробно описаны процессы излучения с гофрированных участков плоских волноводов [44-46]. Результаты этих работ представляют интерес для изучения волноводного рассеяния на шероховатости границ волновода. Здесь следует выделить работы Сычугова В.А, и Тищенко А.В. [63, 64], использующие для решения подобных задач оптико-геометрический подход. Данный подход, отличается от известных методов возмущения и сшивания полей простотой в применении и наглядностью. Суть этого подхода состоит в том, что основная задача решается в два этапа. Первый этап — решение задачи о дифракции плоской волны на гофрированной границе раздела двух диэлектриков с учётом переотражений волн рассеяния в волноводе. Второй — учёт многократных отражений волноводной волны и определение зависимости рассеянной мощности в дальней зоне от периода решетки при различных параметрах волновода. Общее решение поставленной задачи находится путём объединения независимых решений двух простых задач, на которые она была разделена.

Что же касается экспериментальных исследований шероховатости гладких поверхностей с использованием излучения света, то единичные работы в этом направлении носят, в основном, демонстрационный характер. При этом нет описания соответствующей методики измерения параметров шероховатости поверхностей и проработанных конструкций измерительных установок.

При их разработке основное внимание необходимо обратить на обоснование выбора компонентов измерительных установок, обеспечивающих максимальную чувствительность и разрешающую способность измерений. Прежде всего, это относится к выбору параметров устройства ввода излучения в волновод и приёмной части. Безусловно, полезным было бы сравнение экспериментальных результатов по измерению спектра шероховатости поверхности при однократном и волноводном рассеянии.

В связи с вышесказанным можно сформулировать цель и основные задачи данной работы.

В.2 Цель работы.

Развитие теории волноводного рассеяния света, разработка методики измерения спектральной плотности шероховатости (СПШ) поверхности с использованием волноводного рассеяния, измерение СПШ поверхностей диэлектриков.

В настоящей работе были поставлены следующие задачи:

1. Выполнить теоретический анализ рассеяния при однократном отражении лазерного излучения от шероховатой поверхности диэлектриков и при многократном отражении от границ раздела волновода с учётом влияния интерференционных эффектов внутри волновода. Сравнить характеристики методов однократного и волноводного рассеяния, выявить их достоинства и недостатки.

2. Выявить оптимальные условия измерений шероховатости по волно-водному рассеянию, обеспечивающие максимально возможную чувствительность и разрешающую способность. Учесть влияние на точность измерений способа ввода излучения в волновод, характеристик основных компонентов измерительной установки и других факторов.

3. Обосновать и разработать методику измерения спектральной плотности шероховатости поверхности волноводным методом.

4. Создать установку для измерения шероховатости и провести её калибровку при помощи поверхности с искусственной шероховатостью.

5. Провести измерения спектральной плотности шероховатости образцов диэлектрических поверхностей, обработанных по высшему - 14 классу чистоты.

В.З Содержание диссертационной работы.

Диссертация состоит из введения, четырёх глав, заключения, списка литературы. Краткое содержание работы

Заключение диссертации по теме «Радиофизика», Тупанов, Леонид Викторович

Выводы к главе 4.

1) Обоснован выбор материала плёнки, используемой для изготовления волновода. Изучено влияния технологических параметров на глубину гофра, образующегося на границе воздух-плёнка, а также определены необходимые меры для устранения этого явления. Установлено, что нагревание образцов с нанесённой на их поверхность плёнкой до температуры 130° С гарантирует гладкость верхней границы плёнки.

2) Обсуждены различные варианты измерения общего коэффициента затухания а, а именно - метод фотометрирования трека рассеяния, измерение а при помощи двух призм, и определение а на основе измерения рассеянной мощности. Проведены экспериментальные измерения а, тремя указанными методами. Рассмотрены недостатки и преимущества этих способов измерения а и определены причины расхождения полученных значений коэффициента затухания.

Фотометрический способ имеет следующие особенности: отсутствие необходимости измерять коэффициент ввода излучения в волновод, измерение затухания на небольших участках, неприменимость для измерения малого затухания ( а < 0.1 слГ1).

Для метода двух призм характерно увеличение общих потерь из-за дополнительного рассеяния на элементе ввода, возможность измерения малых потерь, сложность измерений для участков малой длины.

Третий подход к определению о: (по суммарному рассеянию) - можно использовать только для оценок и контроля соотношения мощностей, рассеянных в воздух и в подложку.

3) Разработана и создана экспериментальная установка. Рассмотрены характеристики регистрирующей части трёх видов: фотоприёмник с микроамперметром, фотоприёмник с усилителем, цифровая видеокамера с компьютером. Даны рекомендации по применению каждого из видов регистрационной части для измерения различных мощностей. Экспериментально установлено, что самой чувствительной является видеокамера, которая при линейном динамическом диапазоне порядка 23 дб обладает чувствительностью -3-Ю"9 Вт и высоким пространственным разрешением. Ввиду высокой чувствительности, целесообразно использовать камеру для измерения малых оптических мощностей. Она хорошо подходит для измерения рассеяния с поверхностей, имеющих качество обработки высшего V14 класса.

4) С целью проверки развитой теории, разработанной методики, а так же определения реальных характеристик экспериментальной установки, были выполнены исследования рассеяния на искусственной шероховатости поверхности методом однократного и волноводного рассеяния. Оба метода дают практически одинаковые значения амплитуд пространственных гармоник искусственной шероховатости. Это подтверждает, развитая теория и методика измерений характеристик шероховатости поверхности верны.

5) Установлено, что разработанная экспериментальная установка позволяет измерять амплитуду шероховатости dlDiB порядка единиц пикометров (10"12м), что на сегодняшний день является рекордной чувствительностью среди оптических методов измерения шероховатости

6) Проведены измерения спектра шероховатости поверхности гостированно-го стекла К-8, обработанного по V14 классу на различных производствах. Установлено, что основная мощность рассеяния сосредоточена в углах, приводящих к рассеянию только в подложку, а экспериментально полученные значения спектральной плотности порядка 100 пм.

Интервал пространственных периодов шероховатости, полученных на измерительной установке находится от 1 до 7 мкм. Область малых периодов достоверна, т.е. значения амплитуд dn при Л < 1 мкм малы (меньше 1 пм). Амплитуды составляющих больших периодов шероховатости (Л > 7 мкм) не могли быть измерены из-за наличия полного внутреннего отражения на границе образец-иммерсия.

Полученные зависимости СШ поверхности в целом укладываются в представления о поверхностях, обработанных механической полировкой по 14 классу. В соответствии со стандартной технологией финишная обработка поверхности по этому классу производится порошками микронных размеров и именно эти периоды преобладают в спектре шероховатости исследованных поверхностей.

Предложены пути дальнейшего совершенствования установки в двух направлениях — улучшения характеристик оптического блока и автоматизация измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В процессе теоретических и экспериментальных исследований рассеяния света на поверхностях диэлектриков получен ряд научных в том числе новых результатов среди которых особо можно выделить следующие, выражения для искомых амплитуд отраженных и прошедших порядков.

1) Проведён анализ оптимальных условий для измерения шероховатости поверхностей диэлектриков методом дифференциального рассеяния по чувствительности и по диапазону измеряемых пространственных частот. В результате анализа установлено:

1. Оптимальными являются измерения по минус первому порядку рассеяния (в рассматриваемой геометрии падения волны).

2. В большей степени оптимальным условиям удовлетворяет случай падения волны из воздуха под углами близкими к скользящим. При этом измерения интенсивности можно проводить как для отраженных, так и для прошедших волн рассеяния. В указанном случае обеспечивается близкий к максимальному диапазон АК, а уменьшение чувствительности от максимальной не столь значительно (примерно в 2 раза).

2) В предположении малой амплитуды шероховатости и её одномерности решена задача о волноводом рассеянии плоской волны Н-поляризации на шероховатости одной из границ раздела сред, составляющих волновод. Получены выражения для коэффициента рассеяния ап, который определяет процесс излучения рассеянного света из волновода. Установлено, что каждой пространственной частоте соответствует свой коэффициент ап и определённый угол, под которым происходит рассеяние.

3) Проанализировано два режима рассеяния на шероховатой границе волновода. Рассеяние в одну обрамляющую среду (обычно в подложку) и рассеяние в обе среды, обрамляющие волноводный слой (воздух и подложка).

4) Проведен всесторонний анализ основных зависимостей рассеянной мощности Р^ от параметров волновода и шероховатости его границы. Установлено, что для режима рассеяния только в подложку зависимость Р^ от толщины плёнки носит ярко выраженный осциллирующий характер. В режиме рассеяния и в воздух, и в подложку амплитуда осцилляций значительно уменьшается. Аналогичный характер носят и зависимости Р^ от показателя преломления волноводной плёнки п2. При этом, рост п2 увеличивает как период осцилляций, так и их амплитуду.

5) Выполнен анализ диапазона пространственных гармоник (периодов), которые приводят к рассеянию. Выявлено, что ограничение на величину этого диапазона накладывает П2, выбор которого на практике невелик. Показано, что с ростом толщины волновода h диапазон измеряемых периодов сдвигается в область малых периодов и наоборот, с уменьшением h измеряемые периоды возрастают.

6) Обоснована методика измерения спектральной плотности шероховатости поверхности диэлектриков.

7) Проведён анализ оптимальных условий измерений СПШ по следующим критериям:

7.1 По диапазону измеряемых периодов. Установлено, что для достижения максимального диапазона измеряемых периодов шероховатости толщина волновода должна быть равной или близкой к оптимальной толщине Кпт. (обеспечивающей минимальное значение эффективной толщины волновода),

7.2 По чувствительности измерений. Для достижения максимальной чувствительности, также как и для диапазона периодов, следует выбрать толщину волновода близкую к оптимальной толщине h^ . Интенсивность рассеянного излучении в подложку будет превышать рассеяние в воздух, и измерять лучше рассеяние в подложку.

8) Экспериментально доказано, что нагревание образцов с нанесёнными на их поверхность волноводами до температуры 130° С гарантирует гладкость верхней границы плёнки.

9) Обсуждены разные варианты измерения коэффициента затухания а, а именно — фотометрический способ, измерение а методом двух призм, и определение а на основе измерения рассеянного излучения. Проведены измерения а, тремя разными вариантами. Рассмотрены недостатки и преимущества этих способов измерения а и определены причины расхождения измеренных разными способами значений коэффициента затухания.

10) Создана измерительная установка, включающая в себя три варианта регистрирующей части: фотоприёмник с микроамперметром, фотоприёмник с усилителем, цифровая видеокамеры. Экспериментально установлено, что самой чувствительной является видеокамера, которая при линейном динамическом диапазоне порядка 23 дб обладает чувствительностью -3-10"9 Вт.

11) С целью проверки развитой теории, разработанной методики, а так же определения реальных характеристик измерительной установки, были выполнены исследования рассеяния на искусственной шероховатости поверхности методами однократного и волноводного рассеяния. Оба метода дают практически одинаковые значения амплитуд пространственных гармоник искусственной шероховатости, что показывает. Это подтверждает правильность развитой теории и методики измерений характеристик шероховатости поверхности. Установлено, что разработанная экспериментальная установка позволяет измерять амплитуду шероховатости порядка единиц пикомет-ров (10"12м), что на сегодняшний день является рекордной чувствительностью среди оптических методов измерения шероховатости

12) Проведены измерения пластин гостированного стекла К-8 двух видов. Полученные зависимости в целом укладываются в представления о поверхностях обработанных механической полировкой по 14 классу.

В качестве направлений дальнейших исследований, следует сказать о необходимости учета двумерности шероховатости поверхности. В дальнейшем важно провести исследования рассеяния в плоскости поперечной направлению распространения, т.к. это даст дополнительную информацию о параметрах шероховатости поверхности. Следует отметить, что подобные работы уже проводились ранее, в том числе и самим автором [72]. Безусловно важным является улучшение характеристик измерительной установки, что является ещё одним направлением работы.

Список литературы диссертационного исследования кандидат физико-математических наук Тупанов, Леонид Викторович, 2006 год

1. Bennet J.M. Scattering and surface evaluation techniques for the optics of the future // Optics news. 1985. -№1- p. 17-27.

2. Bennet J.M. Measurement and interpretation of fine form errors in optical sur-faces//SPIE.-1983 .-v.3 81 .-p. 190-208.

3. Савенко В.Г. Измерительная техника.-М.: Высшая школа. 1974.-335 с

4. Топорец А.С. Оптика шероховатой поверхности.-М.:Машиностроение.-1988.-191 с.

5. Апенко М.И., Дубовик А.С. Прикладная оптика.-М.:Наука, 1982.- 352с

6. Кулагин С.В. и др. Оптико-механические приборы.-М.:Машиностроение, 1984.-352 с.

7. Rasigui М., Rasigui С. and Palmari J.P. Study of surface roughness using a mi-crodensitometer analysis of electron micrographs of surface replicasA I. Surface Profiles//JOS A.-1981. V.71 ,№9-p. 1124-1133.

8. Божевольный С.И., Золотов E.M., Радько П.С. Исследование дифференциального фазового оптического микроскопа//ЖТВ.-1991.-Т.61,Вып.2-с.109-116.

9. Савенко В.Г. Измерительная техника.-М.: Высшая школа. 1974.-335 с.

10. Апенко М.И. и др. Оптические приборы в машиностроении. Справочник.-М. Машиностроение. 1974.-238с.

11. Cheng Y.Y and Wyant J.C. Two-wavelength phase shifting interferome-try//Appl.Optics.-1984.-V.23.№4-p.4539-4543.

12. Bennet J.M. Measurement of the rms rougness, autocovariance function and other statistical propeties of optical surfaces using a FECO scanning Interfer-ometr// Appl. Optics.-1976.-V.15.-p.2705-2721.

13. Коломийцев Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение. Ленинград:Машиностроение.1976. 296с.

14. Makosch G. And Drollinger В. Surface profile measurement with a scanning differential as interferometry//Appl.Optics.-1984.-V.23, №24.-p.4544-4553.

15. Kwou 0.,Wyang J.C. Rough surface interferometry at 10.6 mkm//Appl.Optics.-l980.-V 19, №1 l.-p.l 862-1869.

16. Fercher A.F., Hu H.Z., and Vry V. Rough surface interferometry with a two-wavelength heterodyne speckle interferometer//Appl.Optics.-1981.-V.20,№10.-p.1785-1802.

17. Интерферометры. Измерительные приборы обеспечения качества в оптической промышленности//Проспект фирмы ORIEL GmbH.-1986.-16c.

18. Largefield microscope for the examination of semiconductor elements//Part -№560-050 engl.-1986.-20p.

19. Bennett J.M. and Dency J.H. Stylus profiling instrument for measuring statistical properties of smooth optical surfaces //Appl.0ptics.-I981.-V.20, №10.-p.l785-1802.

20. Walter D.J. and Houghton J. Attenuation in thin film optical waveguides due to roughness-indused mode coupling//Thin Solid Films.-1978.-V.52.-p.461-476/

21. Walter D.J. and Houghton J. The roughness parameters of glass films//Vacuum.-1976.-V.27, №1 .-p.7-10.

22. Стрельцова H.H., Усова B.M. Определение оптических характеристик плёнок оксида цинка методами интегральной оптики//В сб.: Физика микроэлектронных приборов.-М.:МИЭТ, 1984.-е. 17-22.

23. Fred D. OrazioJr., W.Kent Stowell,Robert M.Silva Instrument of Variable Angle Scatterometer(VAS)//SPIE-1983.-V.384.-p. 123 -131.

24. Коломийцев Ю.В. Интерферометры. Основы инженерной теории, применение. — Ленинград.: Машиностроение. 1976. 296с.

25. E.L. Church. Direct comparison of mechanical and optical measurement of the finish of precision-mashined surfaces//SPIE.-l983.-V.429.-p 105-112.

26. Фёдоров А.Б., Чуркин Ю.В. Влияние шероховатости поверхности полупроводникового интерферометра Фабри-Перо на его контрастность./Сев.Зап. заочн.полит.инст.-Л., 1987,-8с.-Деп. В ВИНИТИ 26.02.87.-№1457-В87.

27. Божевольный С.И., Золотое Е.М., Радько П.С. Исследование дифференциального фазового оптического микроскопа/УЖТВ.-1991.-Т.61,Вып.2-с. 109116.

28. Fercher A.F., Ни H.Z., and Vry V. Rough surface interferometry with a two-wavelength heterodyne speckle interferometer//Appl.Optics.-l 981 .-V.20,№ 10.-p.1785-1802.

29. Интерферометры. Измерительные приборы обеспечения качества в оптической промышленности//Проспект фирмы ORIEL GmbH.-1986.-16с. Largefield microscope for the examination of semiconductor elements//Part -№560-050 engl.-1986.-20p.

30. Bennett J.M. and Dency J.H. Stylus profiling instrument for measuring statistical properties of smooth optical surfaces // Appl.0ptics.-I981.-V.20, №10.-p.l785-1802.

31. Walter D.J. and Houghton J. Attenuation in thin film optical waveguides due to roughness-indused mode coupling // Thin Solid Films.-1978.-V.52.-p.461-476.

32. Walter D.J. and Houghton J. The roughness parameters of glass films // Vacuum.-1976.-V.27, №l.-p.7-10.

33. Фёдоров А.Б., Чуркин Ю.В. Влияние шероховатости поверхности полупроводникового интерферометра Фабри-Перо на его контрастность. / Сев.Зап. заочн.полит.инст. Л., 1987, 8с.-Деп. В ВИНИТИ 26.02.87.-№1457-В87.

34. Земсков Г.Г и др. Лазерные методы измерения качества поверхности в электронном машиностроении // Зарубежная радиоэлектроника.-1988.-№9.-с.86-92.

35. Gary E. Sommargren. Optical heterodyne profilometry / Appl.Optics.-1981.-V.20, №4-p610-618.

36. Huang C.C. Optical heterodyne profilometer// Optical Engineerin.-1984.-V.23, №4-p.365-370

37. Molesini C. et al.-Focus-wavelength encoded optical profilometer//Optics Communications.-1984.-V.49, №4-p.229-233.

38. Fainman Y. Optical profilometer: a new method for high sensitivity and wide dynamic range // Appl. Optics, 1982. -V.21, №17. -p.3200-3208.

39. Егоров A.A. Исследование рассеяния света и определение статистических характеристик нерегулярностей планарных оптических волноводов. — Канд. диссертация. М. УДН., 1992

40. Куейт Ф. Вакуумное туннелирование: новая методика в микроскопии.-В сб.: физика за рубежом. М.: Мир, 1988.-c.93-l 11.

41. Азарова В.В. Теория дифференциального и интегрального рассеяния лазерного излучения прецизионной поверхностью диэлектрика / В.В.Азарова, В.Г.Дмитриев, Ю.Н.Лохов, К.Н.Малицкий // Квантовая электроника. 2000.-Т30, № 4.-е. 360-364.

42. E.L.Church, Н.А. Jenkinson, and J.M. Zavada Measurement of the Finish of Diamond-Turned Metal Surfaces By Differential Light Scattering //optical Engineering Vol. 16, No. 4.-July-August 1977.- p.360-374

43. Зленко A.A. Излучение поверхностных световых волн на гофрированном участке тонкоплёночного волновода / А.А.Зленко, В.А. Киселев, A.M. Прохоров, А.А. Спихальский, В.А. Сычугов. // Квантовая электроника.-1974.-№7.-с. 1519-1524.

44. Зленко А.А. Излучение Е-волн на гофрированном участке волновода/ А.А.Зленко, A.M. Прохоров, А.А, Спихальский, В.А. Сычугов //Квантовая электроника.-1976.-Т 3, №5.-с.1056-1061

45. Сычугов В.А. Распространение и преобразование световых волн в гофрированных волноводных структурах / В.А.Сычугов, А.В. Тищенко //Квантовая электроника. 1982. -Т9, №7.-с.1451-1457.

46. Маркузе Д. Оптические волноводы// М.- Мир. 1974 - 576с.

47. Андлер Г., Черемискин И.В. Потери на рассеяние в нерегулярном неси-метричном диэлектрическом волноводе. — Изв. вузов СССР — Радиоэлектроника, 1980,23, с.38-42.

48. Андлер Г. Черемискин И.В. Рассеяние в диэлектрическом волноводе со случайными искажениями стенок. Изв.вузов СССР.- Радиоэлектроника, 1981, 24, 9, с. 88-70

49. Сотин В.Е. Использование волноводного рассеяния света для определения статистических характеристик шероховатых поверхностей / В.Е. Сотин, А.Н. Осовицкий, JI.C. Цеснек, А.Ф. Челяев.// Оптико-механическая промышленность. 1981.- №7- С. 1-4.

50. Андлер Г. Исследование рассеяния в оптических тонкоплёночных волноводах. -М. УДН. 1982.-199с

51. Андлер Г. Определение параметров шероховатости оптической поверхности по рассеянию в диэлектрическом волноводе / Г. Андлер, А.А. Егоров, И.В. Черемискин //Оптика и спектроскопия. 1984. 56,4, С. 731-735.

52. Васкес С.Ф. Рассеяние света на случайных на случайных неоднородно-стях в тонкоплёночных волноводах. Канд. диссертация. М.УДН. 1988. —190с

53. Васкес С.Ф., Черемискин И.В. Исследование излучения, рассеянного на случайных неоднородностях показателя преломления в тонкоплёночном волноводе. — Автометрия, 1988, 5, С.46-51.

54. Егоров А.А. «Восстановление экспериментальной автокорреляционной функции и определение параметров статистической неровности поверхности по данным рассеяния лазерного излучения в интегрально-оптическом волноводе.» Квантовая электроника, 33, №4, 2003

55. Дерюгин JI.H., Осовицкий А.Н., Сотин В.Е., Цеснек JI.C., Челяев А.Ф. Прибор для определения микроструктуры шероховатости поверхности. Проспект ВДНХ СССР. М. УДН, 1989. - 4с

56. Егоров А.А, Черемискин И.В. Способ определения потерь, обусловленных рассеянием света на объёмных неоднородностях в планарных оптических волноводах. А.С. №1539713 от 01.10.1989

57. Егоров А.А., Черемискин И.В. Способ определения параметров шероховатости оптической поверхности. А.С. №1620831 от 15.09.1990

58. Егоров А.А., Черемискин И.В. Устройство для контроля шероховатости оптической поверхности. А.С. №1610259 от 01.08.1990.

59. Сычугов В.А., Тищенко А.В. «Распространение и преобразование световых волн в гофрированных волноводных структурах.»//Квантовая электроника. 1982. Т.9. №7. С. 1451

60. Сычугов В.А. Распространение и преобразование световых волн в градиентных плоских волноводах / В.А. Сычугов, И. Чтыроки // Квантовая электроника. 1982 - Т.9, №3 - С.634-636

61. Rough Surfaces Second Edition, Tom R. Thomas. Imperial College Press, 1999,269 p.

62. Атая Бассам Адиб «Излучательные свойства дифракционных волноводных структур, обрамление металлом или полупроводником». Канд. диссертация.-М. УДН. 1989г.

63. Андлер Г. Исследование рассеяния в оптических тонкоплёночных волноводах. Канд. диссертация. — М. УДН. 1982.-199с.

64. Integrated Optics: Theory and Technology by Robert G Hunsperger 5th ed., Springer, 2002, XXII, 472 p.

65. Ландсберг Г.С. Оптика -M., Физматлит, 2003, 848с.

66. Кравцов Ю.А., Орлов Ю.И. Геометрическая оптика неоднородных сред. М.: Наука, 1980.

67. Ахманов С.А. Физическая оптика /С.А. Ахманов, С.Ю. Никитин. — М.: Изд-во Моск. Ун-та, 1998. — 656с.

68. Тупанов Л.В., Черемискин И.В, Чехлова Т.К. //Приборы и техника эксперимента. 1999.- №2. - с. 103