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 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