ЗАСТОСУВАННЯ ТРИХВИЛЬОВОЇ ГЕТЕРОДИННОЇ ІНТЕРФЕРОМЕТРІЇ ДЛЯ ВИМІРЮВАННЯ ТОВЩИНИ НАНОРОЗМІРНИХ ШАРІВ У ПРОЦЕСІ ЇХ НАПИЛЕННЯ
DOI:
https://doi.org/10.20535/1970.63(1).2022.260636Ключові слова:
гетеродинна інтерферометрія, рефрактометрія, вимірювання товщини плівок, сенсориАнотація
У роботі запропоновано новий метод поточного вимірювання товщини шару оптичних плівок у процесі їх нанесення, зокрема методом вакуумного напилення. Такі плівки серед іншого використовуються для створення різноманітних приладів оптоелектроніки, а також в оптичних наносенсорах для лабораторних досліджень у хімічній, фармацевтичній промисловості, для екологічного моніторингу оточуючого середовища.
Товщина шару оптичного матеріалу, так само, як і показник заломлення, впливають на фазовий зсув оптичного випромінювання. Обґрунтовано новий метод вимірювання фази лазерного променю, який базується на гетеродинній інтерферометрії. Запропонований нами підхід – це трихвильова гетеродинна інтерферометрія (ТГІ), інакше – TWI (three waves interference). Метод ТГІ розроблено для критичного збільшення чутливості до малих амплітуд коливань лазерних допплерівських віброметрів (ЛДВ) та підвищення їх завадозахищеності. В інтерференційних вимірювачах товщини оптичних плівок, в рефрактометрах так само, як і в ЛДВ, досліджуваним параметром є фазовий зсув dj зондувального оптичного випромінювання. Тому наробки ТГІ в ЛДВ можуть бути застосовані і при вимірюванні фазового зсуву.
На підставі аналізу математичної моделі ТГІ отримано аналітичні залежності вихідного сигналу трихвильового гетеродинного інтерферометра від фазового зсуву, зокрема, а також товщини шару оптичних плівок та показника їх заломлення. Результати моделювання показують, що для електроннооптичної апаратури, що забезпечує похибку лише до 10 % абсолютна похибка вимірювання фазового зсуву dj, порівняно з класичним гетеродинним інтерферометром, може бути зменшена у 103 разів. Щодо товщини шару оптичного покриття, то теоретично абсолютна чутливість вимірювання може сягати лише кількох десятків ангстрем.
У роботі також проаналізовано результати експериментів із застосування ТГІ в ЛДВ. Висновки свідчать про чутливість до зміни товщини оптичного проміжку до 10-4 мкм. Недоліком пропонованого методу є його нелінійність, і, як наслідок, обмежений лінійний діапазон. Обговорюються напрями розширення лінійного діапазону.
Посилання
V. P. Maslov, V. V. Pidgornyi, "Diagnostics of motor oil quality by using the device based on surface plasmon resonance phenomenon", Scholars Journal of Engineering and Technology, vol. 3. pp. 372-374, 2015.
O. V. Makarenko, A. L. Yampolskiy, V. V. Lendiel, L. V. Poperenko, V. O. Lysiuk. “Muller polarimetry of discontinuous gold films”, Semiconductor physics, quantum electronics and optoelectronics, 22 (3), pp. 338-342, 2019. DOI: 10.15407/spqeo22.03.338
V. V. Il’Chenko, O. M. Kostiukevych, V. V. Lendiel, V. I. Radko, N. S. Goloborodko, “Effect of gas enviroнмent on electrophysical parameters of eterojunctions on the basis of schottky barrier with nano-structured (95% In2O3+ 5% SnO2) oxide films”, Ukrainian Journal of Physics, 61(1), pp. 38-43, 2016. DOI: 10.15407/ujpe61.01.0038
R. V. Krynochkin, O. V. Osadchuk, "Problemy vymiriuvannia tovshchyny nanesenoho pokryttia ta metody pidvyshchennia yoho tochnosti", Naukovyi visnyk KUEITU, Novi tekhnolohii, № 1 (23), pp. 102-105, 2009. (in Ukrainian)
L. S. Babadzhanov, M. L. Babadzhanova, Metrolohicheskoe obespechenie izmerenyi tolshchiny pokyityi. Teoryia i praktika. Izdanie:1-e, 2004. 264. (in Russian)
Peter Nestler and Christiane A. Helm, "Determination of refractive index and layer thickness of нм-thin films via ellipsometry", Optics Express, vol. 25, Issue 22, pp. 27077-27085, 2017. DOI: 10.1364/OE.25.027077
Kwangrak Kim, Soonyang Kwon, and Heui Jae Pahk, "Fast Analysis of Film Thickness in Spectroscopic Reflectometry using Direct Phase Extraction", Curr. Opt. Photon., vol. 1, no. 1, pp. 29-33, 2017. DOI: 10.3807/COPP.2017.1.1.029
Jaeho Kim, Kwangrak Kim, and Heui Jae Pahk, "Thickness Measurement of a Transparent Thin Film Using Phase Change in White-Light Phase-Shift Interferometry", Curr. Opt. Photon., vol. 1, no. 5, pp. 505-513, 2017. DOI: 10.3807/COPP.2017.1.5.505
Arun Ananth, Aiyer Mark A. Meloni, Kenneth C. Harvey, Andrew Weeks Kueny, “Heterodyne reflectometer for film thickness monitoring and method for implementing”, Patent USА 7339682B2, 2005-02-25.
O. De la Rochefoucauld, S. M. Kannah, E. S. Olson, "Recording depth and signal competition in heterodyne interferometry", J Acoust. Soc. Am., 117 (3 Pt. 1), pp. 1267-1284, 2005. DOI: 10.1121/1.1848177
G. Siegmund, "Sources of measurement error in laser Doppler vibrometers and proposal for unified specifications", in Proc. SPIE, vol. 7098, pp. 70980Y-1-70980Y-13, 2008. DOI: 10.1117/12.803150
L. K. Yarovoi, "Analiz trokh khvylevoi interferentsii v lazernomu vibrometri", Visnyk Kyivskoho universytetu. Seriia: fizyko-mat. nauky, Vyp. 4, pp. 116-121, 2005. (in Ukrainian)
L. Yarovoi, I. Stepakhno, "A novel approach to reduce the influence of external conditions on the laser Doppler vibrometer signal acting in the nanometer range", Journal of Physics: Conference Series, vol. 1149, pp. 012023-1–012023-8, 2018. doi: 10.1088/1742-6596/1149/1/012023
L. K. Yarovoi, "Vymiriuvannia nanoamplitudnykh mekhanichnykh kolyvan lazernym dopple-rivskym vibrometrom z moduliatsiieiu zonduvalnoi khvyli", Visnyk Kyivskoho universytetu. Seriia: Matematyka. Mekhanika, Vyp. 2 (30), pp. 55-59, 2013. (in Ukrainian)
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2022 CC BY 4.0
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Авторське право на публікацію залишається за авторами.
Автори можуть використовувати власні матеріали в інших публікаціях за умови посилання на збірник наукових праць "Вісник Київського політехнічного інституту. Серія ПРИЛАДОБУДУВАННЯ" як на перше місце видання та на Національний технічний університет України «Київський політехнічний інститут імені Ігоря Сікорського» як на видавця.
Автори публікують свої статті в збірнику на умовах ліцензії Creative Commons:
- Автори залишають за собою право на авторство своєї роботи та передають журналу право першої публікації цієї роботи на умовах ліцензії CC BY 4.0, яка дозволяє іншим особам вільно розповсюджувати опубліковану роботу з обов'язковим посиланням на авторів оригінальної роботи та першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Автори мають право укладати самостійні додаткові угоди щодо неексклюзивного розповсюдження роботи у тому вигляді, в якому вона була опублікована цим журналом (наприклад, розміщувати роботу в електронному сховищі установи або публікувати у складі монографії), за умови збереження посилання на першу публікацію роботи у цьому журналі.
- Політика журналу дозволяє розміщення авторами в мережі Інтернет (наприклад, у сховищах установ або на особистих веб-сайтах) рукопису роботи, як до подання цього рукопису до редакції, так і під час його редакційного опрацювання, оскільки це сприяє виникненню продуктивної наукової дискусії та позитивно позначається на динаміці цитування опублікованої роботи.
Видавець (КПІ ім. Ігоря Сікорського) має право за будь-якого використання цього видання зазначати своє ім'я або вимагати такого зазначення.
Редакційна колегія залишає за собою право розміщувати опубліковані в збірнику статті в різних інформаційних базах для надання відкритого доступу до матеріалів з метою популяризації наукових досліджень та підвищення цитованості авторів.
