Технологии изготовления и измерение оптических характеристик тонких пленок для применения в приборостроении

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 параметров для применения в конструкциях оптических информационноизмерительных приборов.

Данное издание включает в себя пять лабораторных работ: полу
чение спектров пропускания тонких пленок ZnO, определение толщины пленок AlN, определение коэффициента поглощения пленок 
SiO2, определение ширины запрещенной зоны пленок SnO2, исследование 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 необходимую студенту информацию для успешной защиты лабораторной работы. Контрольные вопросы позволяют обучающемуся провести самоконтроль усвоения материала по каждой теме. Поскольку вопросы, рассматриваемые в лабораторных работах, включают в себя междисциплинарные отрасли, то полное описание всего теоретического материала по этим вопросам в данном издании не представляется возможным.
Изучив материал из приведенного библиографического списка, студенты 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 состоянию 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 лабораторией, который извещает об этом администрацию ПГТУ. При 
обнаружении 
неисправности 
электроизмерительных 
приборов, 

инструмента следует прекратить работу и сообщить об этом преподавателю или заведующему лабораторией.

В процессе работы необходимо соблюдать правила ношения спец
одежды, пользования индивидуальными и коллективными средствами защиты, соблюдать правила личной гигиены, содержать в чистоте рабочее место.

Студенты, допустившие невыполнение или нарушение инструк
ции по охране труда, привлекаются к дисциплинарной ответственности 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 заземления;

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 ла
бораторных 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 уста
новки 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 раз
личные 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 стёк
лах, 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 лежит для ультрафиолетового диапазона излучения в интервале от 1,35 
до 2,20; видимого диапазона – от 1,35 до 2,40; инфракрасного диапазона – от 1,35 до 9.0. Набор стабильных, химически устойчивых, стойких к воздействию внешней атмосферы плёнкообразующих материалов 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. Однако при использовании современных методов синтеза удаётся создавать конструкции, обеспечивающие заданные требования. Такие конструкции содержат слои, толщина которых не превышает нескольких 
нанометров, что вызывает значительные технологические сложности 
при их реализации, связанные как с контролем толщины слоёв в процессе 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 аттестовать эти материалы с достаточной точностью. Особый интерес в 
последние годы проявляется к просветляющим покрытиям с переменным по толщине показателем преломления. Хотя свойства таких покрытий известны очень давно, их экспериментальная реализация к 
настоящему времени почти отсутствует. В последнее время в связи с 
экспериментальными исследованиями, посвящёнными одновременному распылению двух и более плёнкообразующих материалов в вакууме, появляется надежда на создание таких покрытий [1].

Данный лабораторный практикум написан на основе курса лекций 

по дисциплине «Основы лучевых и плазменных технологий», читаемого 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 прозрачных образцов.

Спектрофотометры применяются при проведении биологических, 

биохимических, физических исследований, а также при контроле качества готовой продукции и контроле продукции по ходу технологического процесса в приборостроении, химической, микробиологической, 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 температуре (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