6.Измерительная аппаратура.

Для метрологического обеспечения при проведении экспериментальных исследований новых оптических элементов на основе голографических наноструктур требуется специальное измерительное оборудование и применение ряда известных методов. Используемое измерительное оборудование и его характеристики представлены ниже:

1. Спектроинтерференционный метод измерения оптических параметров слоев и их толщин.
      2. Измерение величины фазовых сдвигов световой волны на поверхностном рельефе.
     3. Измерение световых распределений в ближней зоне дифракции

 1. Спектроинтерференционный метод измерения оптических параметров слоев и их толщин.

Измерение оптических параметров и толщин слоев электронных резистов, оптических просветляющих и интерференционных покрытий осуществляется хорошо известным спектроинтерференционным методом [ 3 ] с применением компьютерного спектрофотометра и программ для расчета и синтеза многослойных оптических покрытий. Для измерения спектров пропускания и отражения применяется управляемый компьютером спектрофотометр "Lambda-14" фирмы "Perkin Elmer", который дополнительно оснащен приставкой для измерения спектров зеркального отражения, изготовленной в ИОНТ РАН. 

Технические характеристики

Измеренные интерференционный спектры пропускания или отражения для слоя, нанеснного на подложку с отличающимся от него значением показателя преломления, и  записанные в файл конвертируются в формат программы "MultiLayer" ( Программа для расчета и синтеза многослойных оптических покрытий ). С ее помощью расчитываются оптические параметры слоя ( дисперсия в измеренном спектральном диапазоне показателей преломления и поглощения), а также толщина слоя.

Этот метод применяется для определения режимов нанесения слоев электронного резиста, влияния режимов его обработки на толщину и оптические свойства, для коррекции оптических параметров и толщины покрытий наносимых электроннолучевым и магнетронным методами (т.к. свойства слоев зависят от конкретных условий нанесения) при разработке просветляющих и интерференционных систем. Данный метод обеспечивает высокую точность измерения толщины слоев ~ 10 нм ( при общей толщине слоев от 0.2 до 10 мкм ) и используется для определения технологических поправочных коэффициентов для кварцевых мониторов толщины установок нанесения оптических покрытий. 

2. Измерение величины фазовых сдвигов световой волны на поверхностном рельефе.

Поверхностный многоуровневый фазовый рельеф при электроннолучевой записи и проявлении создается в толщине слоя электронного резиста нанесенного на стеклянную подложку. Стекло подложки имеет очень близкую величину показателя преломления к показателю преломления  резиста, поэтому отражение света на границе раздела очень мало. При прохождении света через поверхностный рельеф, в зависимости от глубины расположения "ступенек" (на рис.1 - слева ) из за различной разности хода лучей в воздухе Ф1, Ф2, Ф3, Ф4 и луча прошедшего полный слой резиста Ф5 между ними возникает фазовый сдвиг. Для измерения величин этих фазовых сдвигов, рядом с голограммой изготавливается несколько (по числу фазовых уровней) специальных измерительных структур такой же глубины (см. рис1. - справа) что достигается той-же дозой электронного облучения,что и для фазовых уровней голограммы). Измерительная структура представляет собой фазовую дифракционную решетку, у которой ширина фазосдвигающей области точно равна половине периода. 

Рис.1 Измерение фазовых сдвигов создаваемых поверхностным рельефом.

Известно, что для такой решетки при величине фазового сдвига Ф5 - Ф2 = ± p (рис.1 - центр) нулевой и все четные порядки дифракции будут погашены. При величине фазового сдвига Ф5 - Ф2  отличающимся от  p (рис.1 - справа), каждому его значению будет соответствовать некоторое отношение интенсивностей четных и нечетных порядков дифракции, например J₀ / J₁ или J₀ / J_-1 . С помощью программы синтеза голограмм легко расчитать зависимость отношения интенсивностей от фазового сдвига, показанную на рис.2.

Рис.2 Зависимость фазового сдвига от отношения интенсивности дифракционных порядков.

Используя приведенную зависимость по экспериментально измеренному отношению интенсивностей можно найти величину фазового сдвига. Поскольку каждому значению отношения интенсивностей соответствуют два значения величины фазового сдвига, выбрать правильную величину легко из условия примерной пропорциональности глубины фазового рельефа величине доз облучения.

При затруднениях в выборе правильного значения можно провести плазмохимическое травление поверхности резиста (поверхность стекла при этом не травится)  слегка уменьшив тем самым общую толщину слоя резиста и повторить измерения отношения интенсивностей дифракционных порядков. Соответствующий выбор правильного значения величины фазового двига при этом однозначен. На таком же принципе основана точная настройка глубины фазового рельефа. Коррекцией доз облучения фазовых уровней устанавливается относительная глубина рельефа, а плазмохимическим травлением поверхности резиста корректируется общая толщина слоя.

Для измерения отношения интенсивностей дифракционных порядков контрольных измерительных структур и распределения интенсивностей для HOE работающих в дальней зоне дифракции применяется специально разработанный фотометрический стенд. Его схема показана на рис.3.

Рис.3 Схема фотометрического стенда.

Излучение полупроводникового лазера с выходной мощностью 10 мВт и длиной волны 0.65 мкм, модулировано по амплитуде низкочастотными (1...3 КГц) прямоугольными импульсами со скважностью 2 (меандром). Часть излучения отводится полупрозрачным зеркалом и измеряется фотоприемником опорного канала   I_ref , прошедшее излучение дифрагирует на измерительной структуре и фотоприемниками измеряются интенсивности I_-1, I_+1, I₀ - порядков дифракции. Сигналы фотоприемников после синхронного детектирования нормируются к сигналу опорного канала с помощью АЦП 572ПВ5. Это исключает влияние нестабильности полупроводникового лазера и позволяет получить фотометрическую точность измерения интенсивностей не менее 0.5%. Измеряется среднее отношение интенсивностей ( I_-1+ I₊₁ ) /  (2 ·  I₀ )  порядков дифракции и вычисляется величина сдвига фазы. Помещая фотоприемники в заданные положения измеряется распределение интенсивностей света создаваемое голограммой  и по этим данным вычисляется ее энергетическая эффективность.  Внешний вид измерительного стенда показан на рис.4.

Рис.4 Фотометрический стенд для измерения фазового сдвига контрольных измерительных структур и HOE для дальней зоны дифракции.

3. Измерение световых распределений в ближней зоне дифракции

Измерение световых распределений в ближней зоне дифракции имеет ряд особенностей, связанных с тем, что фокусирующие голограммы создают световые микрораспределения в фокальной плоскости, наблюдение и анализ которых возможен только с использованием хорошего оптического микроскопа. Точностей юстировочных приспособлений оптической скамьи и голографического стенда для этих целей недостаточно. Поэтому для поведения измерений световых распределений фокусирующих голограмм в ближней зоне дифракции нами использован усовершенствованный для этих целей большой исследовательский микроскоп " NU - 2E" производства фирмы "Carl Zeiss", оснащенный высококачественной оптикой и прецизионными механическими регулировками столиков-объектодержателей. Для освещения фазовой маски коллимированным лазерным светом использовалась оптика микроскопа работающая в режиме «на просвет» с дополнительным лазерным осветителем, размешенным на позиции штатного люминисцентного осветителя, и выполненного на основе полупроводникового лазера с мощностью излучения ~ 5 мВт и длиной волны 650 нм.

 Такая компоновка оптической схемы позволяет полностью использовать все предусмотренные штатные режимы данного микроскопа и оперативно переходить к измерению оптических элементов. При этом можно последовательно совмещать наблюдение поверхности фазовой маски и выходного светового распределения оптического изображения, точно измерять фокусные расстояния оптических элементов в пределах 0…50 мм. В качестве приемного устройства на данный микроскоп дополнительно установлена модернизированная система анализа изображений "KS 300" фирмы  “Carl Zeiss”, состоящая из цветной телевизионной камеры  AWT MC-3309 с тремя ПЗС приемниками, обеспечивающая  максимальное разрешение 752 х 582 пикселов, с измерением относительной интенсивности 2⁸ бит по каждому цвету в режиме RGB. Для ввода изображения в компьютер и записи кадров изображения в стандартных форматах BMP, PCX, TIFF или JPEG применялась стандартная видеокарта ASUS AGP-V3800PRO, имеющая видео вход/выход.Внешний вид установки показан на рис.5.

Рис.5 Установка для компьютерного анализа световых распределений фокусирующих HOE.

Для проведения измерений выходного светового распределения голограмм, вначале производилось совмещение структуры исследуемой голограммы с апертурной маской имеющей прозрачное окно соответствующее соответствующему внешнему размеру апертуры голограммы. Апертурная маска с набором  прозрачных диафрагмирующих окон была изготовлена электроннолитографией на стандартной хромовой фотошаблонной пластине марки ПХЭРП-40/2 102х102 А1. Совмещение проводилось при увеличении микроскопа х 625 с точностью положения краев не хуже 0.2 мкм, как показано на рис.6.

Рис.6 Схема измерений параметров фокусирующих голограмм.

Последующая компьютерная обработка записанных световых распределений в фокальной плоскости голограммы позволяла измерять профили интенсивностей в различных направлениях, как показано на рис.7, измерять интегральные интенсивности фона и самого светового распределения, проводить статистический анализ заданных интенсивностей рис.8.

Рис. 7 Измерение профилей интенсивностей.

Рис. 8 Измерение интегральных интенсивностей светового распределения в фокальной плоскости голограммы.

Технические параметры измерительной системы.

1.Система освещения образца коллимированным пучком апертурой                1.6х1.6 мм²

или набором различных диафрагм, виньетирующих 
фазовую маску:                 0.1...2 мм

- источник света полупроводниковый лазер              l = 0.65 мкм

- выходная мощность (стабилизированная)               5 мВт

2.Система для измерения выходного светового распределения – модернизированная KS-300 :

- телевизионная цветная камера                             AWT MC-3309

 разрешение                                                         752 х 582 пикс.

измерение относительной интенсивности (RGB)         256 бит

ввод изображения                                                ASUS AGP-V3800PRO

компьютер                                             Pentium III / 733 MHz / 256 Mb

программное обеспечение   Windows 98ME, ASUS Live v.4.0, ASUS Capture v.3.8.1.7,KS-300, Image Pro 4.5.1

формат графических файлов                       BMP, PCX, TIFF, GIF или JPEG

3.Система микроскопа :

- режим работы                    комбинированный (просвет / отражение)

- применяемый микрообъектив                                              х4, х12.5

- возможно применение всех штатных объективов микроскопа :               х25, х50, х63, х100

- увеличение фиксированное и плавное                   от 24х до 2500х*

                                                                         (*выше х1600 - с иммерсией)

- возможно применение всех предусмотренных режимов микроскопа:  просвет, отражение, косое освещение, темное поле, фазовый контраст

- применяется калибровка интенсивностей, размеров шкал, коррекция дисторсии объективов и их хроматических аберраций, возможна запись    трехмерных световых распределений и видеофайлов.