Технологии изготовления и измерение оптических характеристик тонких пленок для применения в приборостроении
Покупка
Тематика:
Приборостроение. Биомедицинская техника
Издательство:
Поволжский государственный технологический университет
Автор:
Шашин Дмитрий Евгеньевич
Год издания: 2022
Кол-во страниц: 84
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-8158-2289-4
Артикул: 800910.01.99
Доступ онлайн
В корзину
Представлены теоретические сведения, охватывающие современные технологии изготовления тонких оптических пленок для применения в приборостроении. Приведены методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Основы лучевых и плазменных технологий». Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника», 12.03.01 «Приборостроение», 21.10.00
«Конструирование и технология электронных средств». Издание может быть полезно также для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», 11.04.01 «Радиотехника», 27.03.04 «Управление в технических системах».
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 12.03.01: Приборостроение
- 12.03.04: Биотехнические системы и технологии
- 27.03.04: Управление в технических системах
- ВО - Магистратура
- 11.04.01: Радиотехника
- 11.04.04: Электроника и наноэлектроника
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Д. Е. Шашин ТЕХНОЛОГИИ ИЗГОТОВЛЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЕ ОПТИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ТОНКИХ ПЛЕНОК ДЛЯ ПРИМЕНЕНИЯ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫЙ ПРАКТИКУМ Йошкар-Ола 2022
УДК 621.3 (076) ББК 32.85я73 Ш 32 Рецензенты: А. И. Орлов, кандидат технических наук, доцент кафедры электромеханики Марийского государственного университета; С. А. Охотников, кандидат технических наук, доцент кафедры радиотехнических и медико-биологических систем Поволжского государственного технологического университета Печатается по решению редакционно-издательского совета ПГТУ Шашин, Д. Е. Ш 32 Технологии изготовления и измерение оптических характеристик тонких пленок для применения в приборостроении: лабораторный практикум / Д. Е. Шашин. – Йошкар-Ола: Поволжский государственный технологический университет, 2022. – 84 с. ISBN 978-5-8158-2289-4 Представлены теоретические сведения, охватывающие современные технологии изготовления тонких оптических пленок для применения в приборостроении. Приведены методические рекомендации по выполнению лабораторных работ по дисциплине «Основы лучевых и плазменных технологий». Для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 11.04.04 «Электроника и наноэлектроника», 12.03.01 «Приборостроение», 21.10.00 «Конструирование и технология электронных средств». Издание может быть полезно также для студентов, обучающихся по направлениям подготовки 12.03.04 «Биотехнические системы и технологии», 11.04.01 «Радиотехника», 27.03.04 «Управление в технических системах». УДК 621.3 (076) ББК 32.85я73 ISBN 978-5-8158-2289-4 © Шашин Д. Е., 2022 © Поволжский государственный технологический университет, 2022
ОГЛАВЛЕНИЕ Предисловие............................................................................................4 Список сокращений................................................................................4 Техника безопасности при проведении лабораторных работ.............5 Введение..................................................................................................8 1. СПЕКТРОФОТОМЕТР СФ–2000. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ...... 10 1.1. Описание спектрофотометра................................................... 10 1.2. Эксплуатация спектрофотометра ........................................... 15 1.3. Техническое обслуживание..................................................... 23 1.4. Пакет программного обеспечения ......................................... 26 1.5. Примеры работы с программным обеспечением .................. 46 2. ЛАБОРАТОРНЫЕ РАБОТЫ....................................................... 54 Лабораторная работа № 1 Получение спектров пропускания тонких пленок ZnO............... 54 Лабораторная работа № 2 Исследование показателя преломления тонких пленок TiO2...... 60 Лабораторная работа № 3 Определение толщины пленок AlN............................................... 65 Лабораторная работа № 4 Определение коэффициента поглощения пленок SiO2................ 69 Лабораторная работа № 5 Определение ширины запрещенной зоны пленок SnO2 .............. 74 Заключение............................................................................................ 79 Список литературы............................................................................... 82
ПРЕДИСЛОВИЕ Настоящее издание охватывает вопросы, связанные с технологи- ями изготовления тонких прозрачных пленок и измерением их пара- метров для применения в конструкциях оптических информационно- измерительных приборов. Данное издание включает в себя пять лабораторных работ: полу- чение спектров пропускания тонких пленок ZnO, определение тол- щины пленок AlN, определение коэффициента поглощения пленок SiO2, определение ширины запрещенной зоны пленок SnO2, исследо- вание показателя преломления тонких пленок TiO2, а также описание и принцип действия измерительного оборудования и программного обеспечения для выполнения лабораторных работ. Каждая лабораторная работа состоит из теоретической части и по- рядка выполнения работы. Теоретическая часть включает всю необхо- димую студенту информацию для успешной защиты лабораторной ра- боты. Контрольные вопросы позволяют обучающемуся провести само- контроль усвоения материала по каждой теме. Поскольку вопросы, рас- сматриваемые в лабораторных работах, включают в себя междисци- плинарные отрасли, то полное описание всего теоретического матери- ала по этим вопросам в данном издании не представляется возможным. Изучив материал из приведенного библиографического списка, сту- денты могут более полно погрузиться в ту или иную тему. Выполняя лабораторные работы, обучающиеся закрепляют на практике теоретические знания, полученные на лекционных занятиях и в ходе самостоятельного изучения. СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ ВЧ – высокие частоты ИЛО – импульсное лазерное осаждение ИС – интегральная схема МОП – металл-оксид-полупроводник ПЗС – прибор с зарядовой связью СВЧ – сверхвысокие частоты СКО – среднеквадратичное отклонение СФ – спектрофотометр УФ – ультрафиолетовый
ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ ПРОВЕДЕНИИ ЛАБОРАТОРНЫХ РАБОТ 1. Общие требования безопасности К работе с электроизмерительными приборами, электроустанов- ками, ЭВМ под руководством преподавателя или ответственного за лабораторию допускаются лица, прошедшие инструктаж по охране труда, медицинский осмотр и не имеющие противопоказаний по со- стоянию здоровья. В лаборатории студенты должны соблюдать правила поведе- ния, расписание учебных занятий, установленные режимы труда и отдыха. При работе с электроизмерительными приборами возможно воз- действие на работающих следующих опасных факторов: а) поражение электрическим током при прикосновении к оголен- ным проводам и к приборам, находящимся под напряжением; б) травмирование рук при использовании неисправного инстру- мента. ПОМНИТЕ! Электрический ток может вызвать ожоги, обморок, судороги, прекращение дыхания, даже смерть. Индивидуальные средства защиты следующие: для глаз – защит- ные очки, для лица – маски, для рук – диэлектрические перчатки, для дыхательных путей – респиратор. При выполнении лабораторных работ должны использоваться указатели напряжений и инструмент с изолированными ручками. В лаборатории должна быть медицинская аптечка с набором необ- ходимых медикаментов и перевязочных средств. Студенты обязаны соблюдать правила пожарной безопасности, знать места расположения первичных средств пожаротушения. При несчастном случае пострадавший или очевидец обязан немед- ленно сообщить о случившемся преподавателю или заведующему ла- бораторией, который извещает об этом администрацию ПГТУ. При обнаружении неисправности электроизмерительных приборов,
инструмента следует прекратить работу и сообщить об этом препода- вателю или заведующему лабораторией. В процессе работы необходимо соблюдать правила ношения спец- одежды, пользования индивидуальными и коллективными сред- ствами защиты, соблюдать правила личной гигиены, содержать в чи- стоте рабочее место. Студенты, допустившие невыполнение или нарушение инструк- ции по охране труда, привлекаются к дисциплинарной ответственно- сти в соответствии с правилами внутреннего трудового распорядка ПГТУ и подвергаются внеочередной проверке знаний правил охраны труда. 2. Требования безопасности перед началом работы Получив разрешение на проведение лабораторных работ, необ- ходимо: - проверить состояние и исправность электроизмерительных приборов и инструмента, наличие и исправность защитного зазем- ления; - подготовить необходимые для работы материалы, приспо- собления и разложить на свои места, убрать с рабочего стола все лишнее; - подготовить к работе средства индивидуальной защиты, убе- диться в их исправности. 3. Требования безопасности во время работы ПОМНИТЕ! Электрический ток величиной 0,1 А и напряжением свыше 42 В опасен для жизни человека. Пребывание в лаборатории разрешается только в присутствии преподавателя или ответственного за лабораторию. Лабораторные работы проводятся только в присутствии препода- вателя или ответственного за лабораторию. Запрещается применять оборудование, приборы и кабели с откры- тыми токоведущими частями.
Все электрические приборы должны иметь указатели напряжений, на которые они рассчитаны. 4. Требования безопасности в аварийных ситуациях При обнаружении неисправности в работе электроизмерительных приборов или лабораторной установки, находящихся под напряжением ( повышенное их нагревание, появление искрения и т.д.) немедленно отключить источник электропитания, вывесить табличку о неисправности оборудования и сообщить об этом преподавателю или заведующему лабораторией. При коротком замыкании в электроизмерительных приборах и лабораторных установках и их возгорании немедленно отключить их от электросети, сообщить о пожаре в пожарную часть по телефону 01 и приступить к тушению очага возгорания углекислотным (порошковым) огнетушителем или песком. При получении травмы сообщить о случившемся преподавателю или заведующему лабораторией, оказать первую помощь пострадавшему, при необходимости отправить его в ближайшее лечебное учреждение, сообщить об этом администрации ПГТУ. 5. Требования безопасности по окончании работы Отключить электроизмерительные приборы и лабораторные установки от электросети. Привести в порядок рабочее место. Заявить преподавателю или ответственному за лабораторию об окончании работы и получить разрешение на уход из лаборатории.
ВВЕДЕНИЕ Внедрение оптических приборов и методов исследования в различные области науки и техники приводит к необходимости создания многослойных диэлектрических, металлодиэлектрических систем с уникальными требованиями к их свойствам. Это в первую очередь оптические, физико-механические, химические и другие свойства. Из оптических свойств следует упомянуть непрерывно расширяющий спектральный диапазон работы приборов, ужесточение требований к лучевой стойкости и прочности покрытий, сочетание возможности отражения (пропускания) и формирования волнового фронта, отражённого ( прошедшего) излучения. В некоторых случаях требуется работа покрытий со сходящимися или расходящимися пучками, т.е. ужесточаются требования к их поляризационным свойствам. Поэтому разумно рассмотреть отдельные типы покрытий: просветляющие (антиотражающие), зеркальные, свето- и спектроделительные, фильтрующие и поляризующие. Особой задачей является осаждение покрытий на нестойких стёклах, кристаллах и полимерах. Плёнки, нанесённые на преломляющие и отражающие грани оптических элементов, позволяют формировать требуемые разнообразные, часто уникальные спектральные кривые, которые могут быть реализованы благодаря уникальному свойству тонкоплёночных систем. Этим уникальным свойством является интерференция света в плёнках, реализуемая практически для всех источников света, в виду малой длины когерентности источников излучения, необходимой для тонкослойных систем. Незначительная масса и относительная простота реализации (например, путём магнетронного распыления или электронно-лучевого испарения вещества в вакууме, осаждения покрытий из растворов или паров плёнкообразующих соединений и др.) позволяют широко применять интерференционные покрытия. Основная, почти классическая задача просветляющих покрытий – увеличение спектрального диапазона и уменьшение остаточного отражения. Решение её при создании покрытий, работающих в широком спектральном диапазоне, включающем ультрафиолетовую, видимую и ближнюю инфракрасную часть спектра, осложняется тем, что оно существенно зависит от показателя преломления просветляемого
материала. Показатель преломления просветляемых материалов ле- жит для ультрафиолетового диапазона излучения в интервале от 1,35 до 2,20; видимого диапазона – от 1,35 до 2,40; инфракрасного диапа- зона – от 1,35 до 9.0. Набор стабильных, химически устойчивых, стой- ких к воздействию внешней атмосферы плёнкообразующих материа- лов невелик. В качестве плёнкообразующих материалов в основном используются оксиды, нитриды элементов 3-5 групп таблицы Д.И. Менделеева и некоторые более сложные соединения. Наибольшие трудности возникают при создании антиотражаю- щих покрытий на материалах с малым показателем преломления. Од- нако при использовании современных методов синтеза удаётся созда- вать конструкции, обеспечивающие заданные требования. Такие кон- струкции содержат слои, толщина которых не превышает нескольких нанометров, что вызывает значительные технологические сложности при их реализации, связанные как с контролем толщины слоёв в про- цессе их изготовления, так и со стабильностью параметров плёнок во времени. Это требует создания новых методов контроля толщины в процессе осаждения и исследования изменения свойств этих слоёв в процессе эксплуатации. Неменьший интерес в последнее время предъявляется к покры- тиям, работающим в области вакуумного ультрафиолета. Создание таких покрытий в настоящее время сдерживается из-за отсутствия знаний о показателях преломления плёнкообразующих материалов, прозрачных в этой области спектра, и приборов, позволяющих атте- стовать эти материалы с достаточной точностью. Особый интерес в последние годы проявляется к просветляющим покрытиям с перемен- ным по толщине показателем преломления. Хотя свойства таких по- крытий известны очень давно, их экспериментальная реализация к настоящему времени почти отсутствует. В последнее время в связи с экспериментальными исследованиями, посвящёнными одновремен- ному распылению двух и более плёнкообразующих материалов в ва- кууме, появляется надежда на создание таких покрытий [1]. Данный лабораторный практикум написан на основе курса лекций по дисциплине «Основы лучевых и плазменных технологий», читае- мого студентам Поволжского государственного технологического университета.
1 СПЕКТРОФОТОМЕТР СФ–2000. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ 1.1. Описание спектрофотометра Спектрофотометры предназначены для измерения спектральных коэффициентов направленного пропускания жидких и твердых про- зрачных образцов. Спектрофотометры применяются при проведении биологических, биохимических, физических исследований, а также при контроле ка- чества готовой продукции и контроле продукции по ходу технологи- ческого процесса в приборостроении, химической, микробиологиче- ской, фармацевтической и других отраслях промышленности. Спектрофотометры рассчитаны на эксплуатацию в лабораторных помещениях при температуре воздуха от 10 до 35 °C. Технические характеристики Спектральный диапазон, нм от 190 до 1100 Диапазон измерений спектральных коэффициентов направленного пропускания, % от 1 до 100 Предел допускаемого значения абсолютной погрешности спектрофотометра при измерении спектральных коэффициентов направленного пропускания, % 1,0 Предел значения среднего квадратичного отклонения случайной погрешности спектрофотометра при измерении спектральных коэффициентов направленного пропускания, % 0,2 Характеристики ультрафиолетового канала (канала «У»): спектральный диапазон, нм от 190 до 390
пределы допускаемого значения абсолютной погрешности установки длины волны ±4 минимальный выделяемый спектральный интервал, нм 1 Характеристики видимого и ближнего инфракрасного канала (ка- нала «В»): спектральный диапазон, нм от 390 до 1100 предел допускаемого значения абсолютной погрешности установки длины волны, нм ±0,8 минимальный выделяемый спектральный интервал, нм 1 Щели (фиксированные): высота щели, мм 0,72 Спектральная ширина щели, нм Канал «У» Канал «В» 0,5 1,0 1,0 1,5 4,0 8,0 15,0 30,0 Источники излучения при работе в спектральном диапазоне: дейтериевая лампа от 190 до 390 нм галогенная лампа от 390 до 1100 нм Приемники излучения ПЗС-линейка типа TCD 1304 AP Кюветное отделение спектрофотометра СФ-2000-02 обеспечи- вает возможность термостатирования жидких образцов при темпера- туре (37±1) °C. Время прогрева спектрофотометра, мин. 30 Питание спектрофотометра осуществляется от сети напряже- нием (220±22) В, частотой (50±1) Гц. Потребляемая мощность, В·А, не более 100 Габаритные размеры, мм, не более 460×320×180 Масса, кг, не более 11
Доступ онлайн
В корзину