RU2671927C1 - Method for determining thickness of layers of multilayer coating in process for deposition of optical elements - Google Patents

Method for determining thickness of layers of multilayer coating in process for deposition of optical elements Download PDF

Info

Publication number
RU2671927C1
RU2671927C1 RU2018102196A RU2018102196A RU2671927C1 RU 2671927 C1 RU2671927 C1 RU 2671927C1 RU 2018102196 A RU2018102196 A RU 2018102196A RU 2018102196 A RU2018102196 A RU 2018102196A RU 2671927 C1 RU2671927 C1 RU 2671927C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
layers
thickness
coating
layer
optical
Prior art date
Application number
RU2018102196A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Николай Юрьевич Никаноров
Роман Сергеевич Алтухов
Original Assignee
Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод"
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод" filed Critical Акционерное общество "Новосибирский приборостроительный завод"
Priority to RU2018102196A priority Critical patent/RU2671927C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2671927C1 publication Critical patent/RU2671927C1/en

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness
    • G01B11/06—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material
    • G01B11/0616—Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness for measuring thickness ; e.g. of sheet material of coating

Abstract

FIELD: optics; technological processes.
SUBSTANCE: invention relates to installations for vacuum deposition of multilayer coatings of various optical elements and can be used to control the thickness of coatings in a wide spectral range during their deposition. Method for determining the thickness of the layers includes calculating the thicknesses of the layers to obtain the desired reflectance or transmission of the coating in the spectral range, calculating the optical thickness of each layer and measuring the reflection or transmission spectrum of the coating layers with the calculated optical thicknesses applied to the reference substrates simultaneously with the optical elements. In addition, the spectra of reflection or transmission of the coating structure from 2, 3, …, N layers applied to the control imitation substrate, the physical thickness of each layer is measured with quartz microbalances, by the values of optical and physical thickness determine the actual refractive indices of the materials to be sprayed and their deviation from the thicknesses used in the calculation of the layers. After the deposition of any layer, the resulting reflection or transmission spectra on the imitation substrate are measured, compared with the corresponding calculated spectra of the coating structure and by their deviation determine the amount of thickness adjustment of the subsequent layer or deposition modes using the established actual refractive index.
EFFECT: increased accuracy of determining the optical thickness of the coating layers.
1 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области приборостроения, а именно, к установкам для напыления в вакууме многослойных покрытий различных оптических элементов, и может быть использовано для контроля толщины покрытий в широком спектральном диапазоне в процессе их напыления.The invention relates to the field of instrumentation, namely, to installations for spraying in vacuum multilayer coatings of various optical elements, and can be used to control the thickness of the coatings in a wide spectral range during spraying.

Современные оптические покрытия представляют собой тонкие плоскопараллельные диэлектрические слои с толщинами от долей до сотен нанометров из двух или более материалов с разными показателями преломления. Нанесение многослойных покрытий осуществляют в вакуумной камере путем многократного последовательного напыления слоев. В настоящее время широко используются методы широкополосного оптического контроля толщин слоев, основанные на многократных измерениях коэффициентов пропускания или отражения покрытий. Измерение осуществляют на контрольных подложках, которые напыляют одновременно с рабочими оптическими элементами.Modern optical coatings are thin plane-parallel dielectric layers with thicknesses from fractions to hundreds of nanometers from two or more materials with different refractive indices. The application of multilayer coatings is carried out in a vacuum chamber by multiple sequential spraying of layers. Currently, methods are widely used for broadband optical control of layer thicknesses based on multiple measurements of transmittance or reflection of coatings. The measurement is carried out on control substrates, which are sprayed simultaneously with the working optical elements.

Оптическая толщина слоя является произведением физической толщины слоя на показатель преломления материала слоя. Поэтому для обеспечения требуемых спектральных свойств покрытия необходимо контролировать толщину слоев покрытия и показатель преломления пленкообразующих материалов в процессе напыления.The optical layer thickness is the product of the physical thickness of the layer by the refractive index of the material of the layer. Therefore, to ensure the required spectral properties of the coating, it is necessary to control the thickness of the coating layers and the refractive index of the film-forming materials during the deposition process.

Известен способ определения толщин слоев покрытия, наносимого на подложки из оптического стекла, по патенту РФ №2597035 от 06.08.2015 г. «Способ нанесения просветляющего многослойного широкополосного покрытия на поверхность оптического стекла».A known method for determining the thickness of the coating layers applied to the substrate of optical glass, according to the patent of the Russian Federation No. 2597035 from 08/06/2015, "The method of applying an antireflective multilayer broadband coating on the surface of the optical glass."

В данном способе определяют толщины слоев по табличным значениям показателей преломления в соответствии с техническими требованиями к коэффициенту отражения всего покрытия в видимом спектральном диапазоне. Задаются показатели преломления для выбранных материалов и в ЭВМ вводится конструкция покрытия. При нанесении слоя наблюдают на экране монитора ЭВМ визуальное изображение расчетных спектральных характеристик, показывающих динамику напыления каждого слоя, и, при необходимости, производят корректировку параметров слоя регулировкой режимов напыления для уменьшения несовпадений измеренной и заданной зависимостей показателя преломления от длины волны. Контроль за процессом осуществляется акустооптическим спектрофотометром измерением коэффициента отражения в заданном спектральном диапазоне. Полученную спектральную характеристику контролируют по коэффициенту пропускания на спектрофотометре по плоскому свидетелю, изготовленному из того же оптического стекла, что и напыляемая подложка.In this method, the thicknesses of the layers are determined from the tabular values of the refractive indices in accordance with the technical requirements for the reflection coefficient of the entire coating in the visible spectral range. The refractive indices for the selected materials are set and the coating design is introduced into the computer. When applying the layer, a visual image of the calculated spectral characteristics showing the dynamics of spraying of each layer is observed on the computer monitor screen, and, if necessary, the layer parameters are adjusted by adjusting the spraying modes to reduce the discrepancies between the measured and given dependences of the refractive index on wavelength. The process is monitored by an acousto-optic spectrophotometer by measuring the reflection coefficient in a given spectral range. The obtained spectral characteristic is controlled by the transmittance on a spectrophotometer using a flat witness made of the same optical glass as the sprayed substrate.

Указанный способ обеспечивает недостаточно высокую точность определения толщин слоев. Расчет толщин слоев производят по табличным значениям показателей преломления, которые могут отличаться от фактических, нет сведений о физических свойствах слоев (толщина и показатель преломления), невозможно провести регрессивный анализ и расчет корректировки слоев, что делает невозможным точную корректировку толщины слоев и всей конструкции покрытия.The specified method provides insufficiently high accuracy in determining the thickness of the layers. The thicknesses of the layers are calculated using tabular values of the refractive indices, which may differ from the actual ones; there is no information on the physical properties of the layers (thickness and refractive index); it is impossible to conduct a regression analysis and calculation of the adjustment of the layers, which makes it impossible to accurately adjust the thickness of the layers and the entire coating structure.

Известен способ определения толщин слоев по патентному документу US 2003147084 (А1), опубликованному 07.08.2003 г. Устройство, реализующее указанный способ, содержит установленные в вакуумной камере два вращающихся независимо друг от друга барабана, один из которых выполнен в виде диска и предназначен для размещения кристаллических резонаторов кварцевых микровесов, а другой, в виде охватывающего его кольца, предназначен для размещения контрольных подложек. Устройство также содержит источник излучения, проецирующий световой луч на контрольную подложку, и приемник излучения, фиксирующий отраженный от подложки луч.A known method for determining the thicknesses of the layers according to patent document US 2003147084 (A1), published on 07/07/2003. A device that implements the specified method, contains installed in a vacuum chamber two independently rotating drum, one of which is made in the form of a disk and is designed to accommodate crystal resonators of quartz microbalances, and the other, in the form of a ring enclosing it, is designed to accommodate control substrates. The device also includes a radiation source projecting a light beam onto a control substrate, and a radiation receiver fixing a beam reflected from the substrate.

Измерение толщин слоев производят следующим образом. Каждую отдельную контрольную подложку, находящуюся в зоне напыления, устанавливают напротив отверстия диафрагмы в позицию для попадания на нее излучения и определяют толщину слоя оптическим методом путем определения коэффициентов отражения или пропускания. Дополнительно производится контроль физической толщины каждого слоя с помощью кварцевых микровесов.The thickness measurement of the layers is as follows. Each individual control substrate located in the spraying zone is placed opposite the diaphragm opening to a position for radiation to fall on it and the layer thickness is determined by the optical method by determining the reflection or transmission coefficients. Additionally, the physical thickness of each layer is controlled using quartz microbalances.

Контроль данным устройством оптических и физических параметров толщины слоев позволяет более точно определить толщину каждого слоя, однако, все равно присутствуют ошибки за счет инерционности системы. Корректируется толщина каждого отдельного слоя, но не учитываются текущие суммарные результаты напыления слоев покрытия. Ошибки каждого слоя суммируются случайным образом, что приводит к отклонениям результирующих значений коэффициентов отражения или пропускания всей конструкции покрытия от заданных после нанесения всего покрытия.Control of the optical and physical parameters of the thickness of the layers with this device allows you to more accurately determine the thickness of each layer, however, errors are still present due to the inertia of the system. The thickness of each individual layer is adjusted, but the current total results of spraying the coating layers are not taken into account. The errors of each layer are summed randomly, which leads to deviations of the resulting values of the reflection or transmission coefficients of the entire coating structure from those specified after applying the entire coating.

Наиболее близким по технической сущности к заявляемому -прототипом - является способ измерения толщин слоев многослойного покрытия по патенту РФ №2527670 от 10.01.2012 г. на изобретение «Способ измерения толщин нанометровых слоев многослойного покрытия, проводимого в процессе его напыления».The closest in technical essence to the claimed prototype is a method for measuring the thicknesses of the layers of a multilayer coating according to the patent of the Russian Federation No. 2527670 dated January 10, 2012 for the invention "A method for measuring the thicknesses of nanometer layers of a multilayer coating carried out in the process of spraying".

Способ включает расчет толщин слоев покрытия для получения требуемого коэффициента отражения покрытия в широком спектральном диапазоне, вычисление оптической толщины каждого напыляемого слоя и измерение в широком спектральном диапазоне спектра отражения или пропускания слоев покрытия с вычисленными оптическими толщинами, нанесенного на контрольные подложки одновременно с оптическими элементами, причем, для каждого напыляемого материала используют одну или несколько контрольных подложек.The method includes calculating the thickness of the coating layers to obtain the desired reflectance of the coating in a wide spectral range, calculating the optical thickness of each sprayed layer and measuring in a wide spectral range of the reflection or transmission spectrum of the coating layers with calculated optical thicknesses applied to the control substrates simultaneously with optical elements, , for each sprayed material using one or more control substrates.

В данном способе на контрольную подложку предварительно наносят слой достаточной толщины, чтобы в спектральной зависимости отражения и/или пропускания от подложки с предварительно нанесенным слоем появился хотя бы один локальный экстремум или хотя бы одна точка перегиба. Оба эти вида реперных точек используются для сравнения расчетных (теоретических) и экспериментальных графиков и нахождения толщины слоя.In this method, a layer of sufficient thickness is preliminarily applied to the control substrate, so that at least one local extremum or at least one inflection point appears in the spectral dependence of reflection and / or transmission from the substrate with the precoated layer. Both of these types of reference points are used to compare calculated (theoretical) and experimental graphs and find the layer thickness.

Указанный способ обеспечивает недостаточно высокую точность определения толщин слоев покрытия. Измеряют толщину слоев только оптическими методами измерением спектров пропускания или отражения, что не позволяет определить показатель преломления, дисперсию показателя преломления. При отклонении режимов напыления возможны флуктуации показателя преломления в больших пределах, особенно для материалов с высоким показателем преломления. В результате накапливается ошибка из-за отличий фактического показателя преломления от использованного в расчете, что приводит к отклонению коэффициентов пропускания или отражения на напыляемых оптических элементах от заданных.The specified method provides insufficiently high accuracy in determining the thickness of the coating layers. The thickness of the layers is measured only by optical methods by measuring the transmission or reflection spectra, which does not allow to determine the refractive index, the dispersion of the refractive index. If the spraying modes are deviated, fluctuations in the refractive index are possible within large limits, especially for materials with a high refractive index. As a result, an error accumulates due to differences in the actual refractive index from that used in the calculation, which leads to a deviation of the transmission or reflection coefficients on the sprayed optical elements from the set ones.

Техническая проблема заключается в получении следующего технического результата: повышения точности определения оптических толщин напыляемых слоев покрытия для получения требуемого коэффициента отражения или пропускания покрытия в заданном спектральном диапазоне.The technical problem is to obtain the following technical result: improving the accuracy of determining the optical thickness of the sprayed coating layers to obtain the required reflection coefficient or transmittance of the coating in a given spectral range.

Указанный технический результат достигается следующим образом.The specified technical result is achieved as follows.

Способ определения толщин слоев многослойного покрытия в процессе напыления оптических элементов, как и прототип, включает расчет толщин слоев покрытия для получения требуемого коэффициента отражения или пропускания покрытия в широком спектральном диапазоне, вычисление оптической толщины каждого слоя и измерение в широком спектральном диапазоне спектра отражения или пропускания слоев покрытия с вычисленными оптическими толщинами, нанесенного на контрольные подложки одновременно с оптическими элементами, причем для каждого напыляемого материала используют одну или несколько контрольных подложек отдельные контрольные подложки. В отличие от прототипа в заявляемом способе выполняют следующее: дополнительно рассчитывают спектры отражения или пропускания конструкции покрытия из 2,3 … N слоев, где N - количество слоев покрытия; одну из контрольных подложек, изготовленную из того же материала, что и напыляемые оптические элементы, или близкого к нему по показателю преломления, используют как подложку-имитатор, на которую наносятся все слои одновременно с контрольными подложками; в процессе напыления дополнительно измеряют физическую толщину каждого слоя с помощью кварцевых микровесов, на кристаллический резонатор которого наносятся слои одновременно с контрольными подложками; по значениям оптической и физической толщины каждого слоя определяют фактические показатели преломления напыляемых материалов и их отклонение от использованных при расчете толщин слоев; после напыления любого слоя измеряют результирующие спектры отражения или пропускания на контрольной подложке-имитаторе; сравнивают их с соответствующими расчетными спектрами конструкции покрытия и по их отклонению определяют величину корректировки толщины последующего слоя или режимов напыления с использованием установленного фактического показателя преломления для уменьшения несовпадений указанных спектров конструкции покрытия после напыления последующего слоя.The method for determining the thicknesses of the layers of a multilayer coating during the deposition of optical elements, as well as the prototype, includes calculating the thicknesses of the coating layers to obtain the desired reflection or transmittance of the coating in a wide spectral range, calculating the optical thickness of each layer and measuring the wide spectral range of the reflection or transmission of the layers coatings with calculated optical thicknesses deposited on control substrates simultaneously with optical elements, and for each spray One or more control substrates use separate control substrates. In contrast to the prototype, the claimed method performs the following: additionally, reflection spectra or transmission spectra of the coating structure are calculated from 2.3 ... N layers, where N is the number of coating layers; one of the control substrates made of the same material as the sprayed optical elements or close to it in terms of refractive index is used as a simulator substrate on which all layers are applied simultaneously with the control substrates; during the deposition process, the physical thickness of each layer is additionally measured using quartz microbalances, on the crystal resonator of which layers are deposited simultaneously with the control substrates; the values of the optical and physical thickness of each layer determine the actual refractive indices of the sprayed materials and their deviation from those used in the calculation of the thickness of the layers; after deposition of any layer, the resulting reflection or transmission spectra are measured on a control simulator substrate; they are compared with the corresponding calculated spectra of the coating structure and their deviation is used to determine the thickness adjustment of the subsequent layer or spraying modes using the established actual refractive index to reduce the discrepancies of the indicated spectra of the coating structure after spraying the subsequent layer.

В частных случаях для повышения точности определения толщин слоев покрытия предварительно измеряют значения показателей преломления, по которым затем рассчитывают толщины слоев.In particular cases, to increase the accuracy of determining the thickness of the coating layers, the values of refractive indices are preliminarily measured, by which the thicknesses of the layers are then calculated.

Заявляемый способ определения толщин слоев многослойного покрытия в процессе напыления оптических элементов демонстрируется представленным на чертеже устройством, работающим в режиме измерения спектра отражения.The inventive method for determining the thicknesses of the layers of a multilayer coating during the deposition of optical elements is demonstrated by the device shown in the drawing, operating in the measurement mode of the reflection spectrum.

На чертеже обозначены: 1 - вакуумная камера, 2 - источник излучения, 3,4 - зеркальные объективы; 5 - волоконно-оптический кабель, 6 - спектрометр; 7 - ЭВМ; 8 - входное/ выходное оптическое окно вакуумной камеры; 9 - диафрагменный диск; 10 - кварцевые микровесы; 11, 13 - контрольные подложки; 12 - подложка-имитатор; 14 -грибовидный держатель; 15 - оптические элементы; 16, 17 - испарители материалов.In the drawing are indicated: 1 - a vacuum chamber, 2 - a radiation source, 3.4 - mirror lenses; 5 - fiber optic cable; 6 - spectrometer; 7 - computer; 8 - input / output optical window of the vacuum chamber; 9 - aperture disk; 10 - quartz microbalances; 11, 13 - control substrates; 12 - substrate simulator; 14 - mushroom holder; 15 - optical elements; 16, 17 - evaporators of materials.

Устройство содержит размещенные в вакуумной камере 1 на диафрагменном диске 9 контрольные подложки 11 и 13, подложку-имитатор 12 и кварцевые микровесы 10, и размещенные вне вакуумной камеры источник излучения белого света 2 (например, лампа накаливания), зеркальный объектив 3, проектирующий излучение в плоскость установленной в позицию для измерения напыляемой контрольной подложки 11, или контрольной подложки 13, или подложки-имитатора 12 (на чертеже - в плоскость контрольной подложки 11), и зеркальный объектив 4, проектирующий отраженное от соответствующей подложки излучение посредством волоконно-оптического кабеля 5 в спектрометр 6. Спектрометр 6 связан с ЭВМ 7, оснащенной программой визуализации спектра отражения, программой расчета конструкции покрытия, программой расчета показателя преломления по измеренной спектральной характеристике (например OptiChar) и программой регрессивного анализа конструкции покрытия (например OptiRE).The device comprises control substrates 11 and 13 located in a vacuum chamber 1 on a diaphragm disk 9, a simulator substrate 12 and quartz microbalances 10, and a white light source 2 (for example, an incandescent lamp), a mirror lens 3 projecting radiation in the plane installed in the position for measuring the sprayed control substrate 11, or the control substrate 13, or the substrate simulator 12 (in the drawing, in the plane of the control substrate 11), and a mirror lens 4 projecting reflected from the corresponding radiation of the substrate, the radiation is transmitted through a fiber optic cable 5 to spectrometer 6. Spectrometer 6 is connected to a computer 7 equipped with a reflection spectrum visualization program, a coating structure calculation program, a refractive index calculation program for the measured spectral characteristic (for example, OptiChar) and a regression analysis program for the coating structure ( e.g. OptiRE).

Подложка-имитатор 12 изготовлена из того же материала, что и напыляемые оптические элементы 15, или близкого к нему по показателю преломления. Кварцевые микровесы 10 установлены так, что их кристаллический резонатор размещен в плоскости контрольной подложки 11 или 13, на которую наносится напыление. Кварцевые микровесы 10 могут быть связаны с ЭВМ 7, или их данные могут вводиться в ЭВМ 7 вручную.The substrate simulator 12 is made of the same material as the sprayed optical elements 15, or close to it in terms of refraction. Quartz microbalances 10 are mounted so that their crystal resonator is placed in the plane of the control substrate 11 or 13, on which the deposition is applied. Quartz microbalances 10 can be connected to the computer 7, or their data can be entered into the computer 7 manually.

В вакуумной камере 1 размещены два или более испарителей материалов 16, 17 с разными показателями преломления, а также рабочие оптические элементы 15, установленные на грибовидном держателе 14, на которые необходимо нанести оптическое покрытие, контролируемое посредством контрольных подложек 11, 13 и подложки-имитатора 12.In the vacuum chamber 1 there are two or more evaporators of materials 16, 17 with different refractive indices, as well as working optical elements 15 mounted on a mushroom holder 14, on which it is necessary to apply an optical coating controlled by control substrates 11, 13 and a simulator substrate 12 .

Заявляемый способ осуществляется следующим образом.The inventive method is as follows.

Предварительно рассчитывают толщины слоев покрытия и всей конструкции покрытия из 2,3 … N слоев, исходя из известных показателей преломления материалов для получения требуемого коэффициента отражения покрытия в заданном широком спектральном диапазоне, и вычисляют оптическую толщину каждого слоя и конструкции покрытия из 2,3 … N слоев.Preliminarily calculate the thickness of the coating layers and the entire coating structure of 2.3 ... N layers, based on the known refractive indices of the materials to obtain the desired reflection coefficient of the coating in a given wide spectral range, and calculate the optical thickness of each layer and coating structure of 2.3 ... N layers.

Подложку-имитатор 12 и кварцевые микровесы 10 посредством диафрагменного диска 9 устанавливают в позицию для одновременного с оптическими элементами 15 напыления всех слоев покрытия. При этом в позицию для напыления поочередно устанавливают контрольные подложки 11, 13 для напыления на каждую слоя определенного материала одним из испарителем материалов 16, 17. Для каждого напыляемого слоя используют отдельную контрольную подложку. При смене контрольных подложек 11, 13 подложка-имитатор 12 остается открытой для напыления всех слоев.The substrate-simulator 12 and quartz microbalances 10 by means of the diaphragm disk 9 are installed in a position for simultaneously spraying all layers of the coating with optical elements 15. At the same time, control substrates 11, 13 are alternately installed in the spraying position for spraying on each layer of a certain material with one of the materials evaporator 16, 17. A separate control substrate is used for each sprayed layer. When changing the control substrates 11, 13, the substrate simulator 12 remains open for spraying all layers.

При напылении слоя наблюдают на экране монитора ЭВМ 7 визуальное изображение фактических спектральных характеристик, показывающих динамику напыления слоя.When a layer is sprayed, a visual image of the actual spectral characteristics showing the dynamics of the layer spraying is observed on a computer monitor 7 screen.

В процессе напыления одну из напыляемых контрольных подложек 11, 13 и подложку-имитатор 12 посредством диафрагменного диска 9 поочередно устанавливают в позицию для контроля толщины напыляемого покрытия: на контрольных подложках 11, 13 - толщины слоя, на подложке-имитаторе 12 - толщины конструкции покрытия.During the spraying process, one of the sprayed control substrates 11, 13 and the simulator substrate 12 by means of the diaphragm disk 9 are alternately set to a position for controlling the thickness of the sprayed coating: on the control substrates 11, 13 - the layer thickness, on the substrate-simulator 12 - the thickness of the coating structure.

В процессе напыления измеряют в заданном широком спектральном диапазоне спектры отражения слоев покрытия на контрольных подложках 11, 13 и пошаговой конструкции покрытия на подложке-имитаторе 12. Измерение осуществляется следующим образом: свет из источника излучения 2 зеркальным объективом 3 через оптическое окно 8 проектируется на напыляемую поверхность контрольной подложки 11 или 13, подложки-имитатора 12, отраженное излучение волоконно-оптическим кабелем 5 переносится в спектрометр 6.During the deposition process, the reflection spectra of the coating layers on the control substrates 11, 13 and the step-by-step coating structure on the simulator substrate 12 are measured in a predetermined wide spectral range. The measurement is carried out as follows: light from the radiation source 2 with a mirror lens 3 through the optical window 8 is projected onto the sprayed surface the control substrate 11 or 13, the substrate-simulator 12, the reflected radiation of the optical fiber cable 5 is transferred to the spectrometer 6.

В данном способе измеряется физическая и оптическая толщина каждого напыляемого на контрольные подложки 11, 13 слоя. Физическая толщина слоев измеряется кварцевыми микровесами 10. По значениям измеренных оптической и физической толщины каждого слоя определяют фактические показатели преломления напыляемых материалов и их отклонение от использованных при расчете толщин слоев. Используя фактические показатели преломления и толщины слоев, рассчитывают пошаговую фактическую конструкцию покрытия на подложке-имитаторе 12.In this method, the physical and optical thickness of each layer deposited onto the control substrates 11, 13 is measured. The physical thickness of the layers is measured by quartz microbalances 10. The actual refractive indices of the sprayed materials and their deviation from those used in the calculation of the thicknesses of the layers are determined from the values of the measured optical and physical thicknesses of each layer. Using the actual refractive indices and layer thicknesses, a step-by-step actual coating design on the simulator substrate 12 is calculated.

После напыления любого слоя измеряют результирующий спектр отражения на подложке-имитаторе 12 и сравнивают его с соответствующим расчетным спектром отражения текущей конструкции покрытия. При отклонении наблюдаемых на экране монитора ЭВМ 7 результирующего спектра от расчетного на основании полученных фактических показателей преломления производят анализ ошибок конструкции и расчет толщин последующих слоев для компенсации этих ошибок. Определяют величину корректировки толщины последующих слоев или режимов напыления с учетом установленного фактического показателя преломления для уменьшения или исключения несовпадений спектров отражения конструкции покрытия после напыления последующего слояAfter spraying any layer, the resulting reflection spectrum is measured on the substrate-simulator 12 and compared with the corresponding calculated reflection spectrum of the current coating structure. If the resultant spectrum observed on the computer screen 7 deviates from the calculated spectrum based on the obtained actual refractive indices, structural errors are analyzed and the thicknesses of subsequent layers are calculated to compensate for these errors. The thickness adjustment of subsequent layers or spraying modes is determined taking into account the established actual refractive index to reduce or eliminate inconsistencies in the reflection spectra of the coating structure after spraying the subsequent layer

Компенсация ошибки может производиться на каждой стадии напыления покрытия, что обеспечивает получение требуемых параметров всего покрытия: коэффициентов отражения или пропускания в заданной области.Error compensation can be made at each stage of coating spraying, which ensures the required parameters of the entire coating: reflection or transmission coefficients in a given area.

Определение физической толщины слоев с помощью микровесов 10 известно из упомянутого патентного документа US 2003147084 (А1), но в данном техническом решении отсутствует учет взаимного влияния слоев на результирующий спектр, что не позволяет получить его с необходимой точностью.The determination of the physical thickness of the layers using microbalances 10 is known from the aforementioned patent document US 2003147084 (A1), but this technical solution does not take into account the mutual influence of the layers on the resulting spectrum, which does not allow to obtain it with the necessary accuracy.

В предлагаемом способе в отличие от прототипа определение фактических показателей преломления с помощью измерения физической толщины слоев и расчет по этим показателям пошаговой результирующей фактической конструкции покрытия, напыляемого на подложку-имитатор 12, позволяет видеть послойный процесс изменения результирующего спектра отражения и более точно скорректировать суммарные ошибки.In the proposed method, in contrast to the prototype, the determination of the actual refractive indices by measuring the physical thickness of the layers and the calculation of the step-by-step resulting actual design of the coating sprayed onto the substrate simulator 12 allows us to see the layer-by-layer process of changing the resulting reflection spectrum and more accurately adjust the total errors.

Аналогичным образом определяют толщины слоев, анализируя спектры пропускания контрольных подложек 11, 13 и подложки-имитатора 12.Layer thicknesses are similarly determined by analyzing the transmission spectra of the control substrates 11, 13 and the simulator substrate 12.

Предлагаемый способ определения толщин слоев опробован авторами на экспериментальной установке, выполненной на основе штатной установки напыления покрытий, получено подтверждение заявленного технического результата.The proposed method for determining the thickness of the layers was tested by the authors on an experimental setup made on the basis of a standard coating spraying installation, confirmation of the claimed technical result was obtained.

Таким образом, предлагаемое изобретение позволяет повысить точность определения оптических толщин напыляемых слоев покрытия для получения требуемого коэффициента отражения или пропускания покрытия в заданном спектральном диапазоне.Thus, the present invention improves the accuracy of determining the optical thickness of the sprayed coating layers to obtain the desired reflection coefficient or transmittance of the coating in a given spectral range.

Claims (2)

1. Способ определения толщин слоев многослойного покрытия в процессе напыления оптических элементов, включающий расчет толщин слоев покрытия для получения требуемого коэффициента отражения или пропускания покрытия в спектральном диапазоне, вычисление оптической толщины каждого слоя и измерение в спектральном диапазоне спектра отражения или пропускания слоев покрытия с вычисленными оптическими толщинами, нанесенного на контрольные подложки одновременно с оптическими элементами, причем для каждого напыляемого материала используют одну или несколько контрольных подложек, отличающийся тем, что дополнительно рассчитывают спектры отражения или пропускания конструкции покрытия из 2, 3, …, N слоев, где N - количество слоев покрытия, одну из контрольных подложек, изготовленную из того же материала, что и напыляемые оптические элементы, или близкого к нему по показателю преломления, используют как подложку-имитатор, на которую наносятся все слои одновременно с контрольными подложками, в процессе напыления дополнительно измеряют физическую толщину каждого слоя с помощью кварцевых микровесов, на кристаллический резонатор которых наносятся слои одновременно с контрольными подложками, по значениям оптической и физической толщины каждого слоя определяют фактические показатели преломления напыляемых материалов и их отклонение от использованных при расчете толщин слоев, после напыления любого слоя измеряют результирующие спектры отражения или пропускания на контрольной подложке-имитаторе, сравнивают их с соответствующими расчетными спектрами конструкции покрытия и по их отклонению определяют величину корректировки толщины последующего слоя или режимов напыления с использованием установленного фактического показателя преломления для уменьшения несовпадений указанных спектров конструкции покрытия после напыления последующего слоя.1. A method for determining the thicknesses of layers of a multilayer coating during the deposition of optical elements, including calculating the thickness of the coating layers to obtain the desired reflection or transmission coefficient of the coating in the spectral range, calculating the optical thickness of each layer and measuring the spectral range of the reflection or transmission of the coating layers with the calculated optical thicknesses deposited on the control substrate simultaneously with the optical elements, and for each sprayed material use one or more control substrates, characterized in that they additionally calculate the reflection or transmission spectra of the coating structure of 2, 3, ..., N layers, where N is the number of coating layers, one of the control substrates made of the same material as the sprayed optical elements, or close to it in terms of refractive index, are used as a simulator substrate, on which all layers are applied simultaneously with control substrates, during the deposition process, the physical thickness of each layer is additionally measured using qua micro-scales, on the crystal resonator of which the layers are applied simultaneously with the control substrates, the actual refractive indices of the sprayed materials and their deviation from those used in the calculation of the thicknesses of the layers are determined by the values of the optical and physical thicknesses of each layer; after spraying any layer, the resulting reflection or transmission spectra are measured on the control substrate-simulator, compare them with the corresponding calculated spectra of the coating structure and their deviation determine the value of rrektirovki subsequent layer thickness or the deposition conditions set using the actual refractive index to reduce mismatch of said spectra coating structure after deposition of a subsequent layer. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что толщины слоев покрытия рассчитывают по предварительно измеренным значениям показателей преломления.2. The method according to p. 1, characterized in that the thickness of the coating layers is calculated from the previously measured values of the refractive indices.
RU2018102196A 2018-01-19 2018-01-19 Method for determining thickness of layers of multilayer coating in process for deposition of optical elements RU2671927C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018102196A RU2671927C1 (en) 2018-01-19 2018-01-19 Method for determining thickness of layers of multilayer coating in process for deposition of optical elements

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2018102196A RU2671927C1 (en) 2018-01-19 2018-01-19 Method for determining thickness of layers of multilayer coating in process for deposition of optical elements

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2671927C1 true RU2671927C1 (en) 2018-11-07

Family

ID=64103387

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2018102196A RU2671927C1 (en) 2018-01-19 2018-01-19 Method for determining thickness of layers of multilayer coating in process for deposition of optical elements

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2671927C1 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117268270A (en) * 2023-11-23 2023-12-22 中国航发北京航空材料研究院 Real-time monitoring device and method for continuous chemical vapor deposition interface layer thickness

Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU526768A1 (en) * 1974-07-05 1976-08-30 Предприятие П/Я А-1705 The method of controlling the thickness of the layers in the manufacture of optical coatings on the details
SU1044973A1 (en) * 1982-05-21 1983-09-30 Предприятие П/Я А-1705 Device for photometric checking of optical thickness of films deposed in vacuum
SU1465694A1 (en) * 1987-06-30 1989-03-15 Киргизский Государственный Университет Им.50-Летия Ссср Method of measuring thickness of layer on backing
SU1735712A1 (en) * 1989-08-28 1992-05-23 Ленинградское оптико-механическое объединение им.В.И.Ленина Tester for checking multilayer film thickness during spraying
US6797958B2 (en) * 2002-06-13 2004-09-28 The Boeing Company Method of measuring sol-gel coating thickness using infrared absorbance
RU2581734C1 (en) * 2014-12-18 2016-04-20 Общество с ограниченной ответственностью "Инженерный Центр Новых Технологий" Device for contactless broadband optical control of thickness of films

Patent Citations (6)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
SU526768A1 (en) * 1974-07-05 1976-08-30 Предприятие П/Я А-1705 The method of controlling the thickness of the layers in the manufacture of optical coatings on the details
SU1044973A1 (en) * 1982-05-21 1983-09-30 Предприятие П/Я А-1705 Device for photometric checking of optical thickness of films deposed in vacuum
SU1465694A1 (en) * 1987-06-30 1989-03-15 Киргизский Государственный Университет Им.50-Летия Ссср Method of measuring thickness of layer on backing
SU1735712A1 (en) * 1989-08-28 1992-05-23 Ленинградское оптико-механическое объединение им.В.И.Ленина Tester for checking multilayer film thickness during spraying
US6797958B2 (en) * 2002-06-13 2004-09-28 The Boeing Company Method of measuring sol-gel coating thickness using infrared absorbance
RU2581734C1 (en) * 2014-12-18 2016-04-20 Общество с ограниченной ответственностью "Инженерный Центр Новых Технологий" Device for contactless broadband optical control of thickness of films

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN117268270A (en) * 2023-11-23 2023-12-22 中国航发北京航空材料研究院 Real-time monitoring device and method for continuous chemical vapor deposition interface layer thickness

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US5425964A (en) Deposition of multiple layer thin films using a broadband spectral monitor
Sullivan et al. Deposition error compensation for optical multilayer coatings. I. Theoretical description
KR960013677B1 (en) Apparatus and method for interferometrically measuring the thickness of thin films using full aperture irradiation
US4906844A (en) Phase sensitive optical monitor for thin film deposition
KR100508007B1 (en) Process for forming a thin film and apparatus therefor
US5000575A (en) Method of fabricating gradient index optical films
Starke et al. Rapid prototyping of optical thin film filters
RU2671927C1 (en) Method for determining thickness of layers of multilayer coating in process for deposition of optical elements
US11474281B2 (en) Optical element and method of making an optical element
EP1178281B1 (en) Method for the determination of the optical thickness of coatings
RU2527670C2 (en) Determination of sandwiched coat nanometer ply depth at coat spraying
JP3941432B2 (en) Film thickness measurement method
CN112539920B (en) Method for measuring high reflectivity of laser optical element
US20160291633A1 (en) Integrated computational element fabrication methods and systems
RU2581734C1 (en) Device for contactless broadband optical control of thickness of films
JP2002328009A (en) System and method for measuring thickness of film
JP2006242798A (en) Film thickness and calculation method of optical constant
RU185096U1 (en) A device for measuring the reflection spectra of layers of a multilayer coating during their deposition
RU2133049C1 (en) Process of deposition of anti-reflecting multilayer coat on surface of optical element and plant to realize it
US20070019204A1 (en) Spectrometer based multiband optical monitoring of thin films
TWI753477B (en) System and method for monitoring optical thin film deposition
JPH08338709A (en) Device and method for measuring thickness of thin film and manufacture of optical filter
Semenov et al. Error Analysis of Indirect Broadband Monitoring of Multilayer Optical Coatings using Computer Simulations
Prosovsky et al. CONTEMPORARY SYSTEM OF DIRECT BROADBAND OPTICAL MONITORING OF THICKNESS OF SPRAY OPTICAL COATINGS
Chen et al. One octave complementary dispersive mirror pair produced in a single coating run based on non-uniformity