Развитие интерференционных и поляризационных методов измерения физических параметров твердых тел тема автореферата и диссертации по физике, 01.04.01 ВАК РФ

На правах рукописи

Волков Петр Витальевич

ии34Б1754

РАЗВИТИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

01.04.01 — приборы и методы экспериментальной физики

Автореферат диссертации на соискание учёной степени кандидата физико-математических наук

Нижний Новгород 2009

003461754

Работа выполнена в Институте физики микроструктур Российской академии наук (ИФМ РАН)

Научный руководитель:

кандидат физико-математических наук Новиков Михаил Афанасьевич

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук Геликонов Валентин Михайлович Институт прикладной физики РАН,

кандидат физико-математических наук Чхало Николай Иванович Институт Физики Микроструктур РАН.

Ведущая организация: Федеральное государственное унитарное

предприятие научно исследовательский институт «Полюс» им. М.Ф.Стельмаха, Москва

Защита состоится 26 февраля 2009 г. в 14 часов на заседани диссертационного совета Д 002.098.01 при Институте физик микроструктур РАН (603950, г. Нижний Новгород, ГСП-105).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Института физики микроструктур РАН.

Автореферат разослан "_" января 2009 г.

Учёный секретарь диссертационного совета доктор физико-математических наук, профессор

Гайкович К.П.

бщая характеристика работы ктуальность темы исследований

Оптические измерения в настоящее время играют большую роль ак в физическом эксперименте, так и в измерительной технике, истанционные, бесконтактные, неинвазивные и высокоточные птические методы позволяют решать задачи, недоступные другим одходам [1]. Наибольшее распространение получили интерферен-ионные и поляризационные методы измерения.

При совмещении когерентных неполяризованных световых пучков и пучков с одинаковым состоянием поляризации в области их аложения возникают интерференционные полосы, обработка которых озволяет решать такие задачи, как прецизионный контроль качества оверхностей, контроль малых смещений поверхности и др. [2] В изическом эксперименте интерферометрия позволяет с высокой очностью и чувствительностью измерять эффекты, приводящие к зменению оптических свойств среды (колебания давления, емпературы, показателя преломления и др.).

Поляризационные методы, основанные на интерференции оляризованного света, зачастую оказываются более чувствительными, добными и информативными, чем стандартные интерференционные 2]. Контроль состояния поляризации света, взаимодействующего с бъектом, позволяет измерять механические напряжения, исследовать лектро- и магнитооптические эффекты. Для исследования свойств оверхности и тонких пленок широкое распространение получила ллипсометрия [3].

По мере развития поляризационных методов исследования оявлялись различные способы описания состояния поляризации, а акже преобразования поляризации веществом. Наиболее известными вляются методы векторов и матриц Джонса и векторов Стокса и матриц юллера [4]. Однако для объектов со сложной анизотропией простое рименение данных методов может приводить к сложным и громоздким ычислениям. Исследование таких систем требует создания оретических и экспериментальных методов их разложения на простые ементы, преобразования их свойств, выделения отдельных ставляющих [5].

В большинстве случаев стандартные интерференционные и оляризационные методы используют для измерения фазовых задержек еньше длины волны используемого света, что обусловлено ериодичностью интерференционных полос. Для измерения фазовых

задержек, которые много больше длины волны, наиболее удобным оказываются методы низкокогерентной интерферометрии [6], которь также могут быть поляризационными. Особенностью низкокогерентнь методов является использование источников света с длин когерентности малой по сравнению с измеряемыми задержка (толщинами). Одним из перспективных применений низкокогерентн интерферометрии является измерение толщины удаленных объекто находящихся в агрессивной среде [7].

Таким образом, разработка новых теоретических и экспер ментальных методов описания и исследования сложных анизотропнь систем и развитие методов когерентной и низкокогерентн интерферометрии являются весьма актуальными задачами.

Цели работы

• создание теоретических методов описания сложных анизотропнь систем;

• развитие экспериментальных поляризационных и интерфере ционных методов измерения малых эффектов вынужденной оптическ анизотропии;

• развитие методов измерения толщины и температуры твердых т на основе тандемной низкокогерентной интерферометрии и применение в промышленных измерительных системах и систем мониторинга в технологиях формирования полупроводниковых микронаноструктур.

Для достижения поставленных целей решались следующие задач

1. Обобщение теоремы эквивалентности Пуанкаре на невзаимн фазовые анизотропные системы.

2. Теоретическая разработка метода преобразования свойс анизотропии невзаимных фазовых анизотропных элементов.

3. Экспериментальная демонстрация разработанных методов примере измерения эффектов вынужденной оптической анизотропии детектирования акустических волн на поверхности твердых тел.

4. Теоретическая и экспериментальная разработка метод повышения точности и надежности промышленных систем мониторин толщины на базе тандемной низкокогерентной интерферометрии.

5. Создание системы мониторинга температуры подложки толщины растущего слоя для технологий формирования микронаноструктур на основе тандемной низкокогерентной интерферометри

6. Проведение исследований ростовых процессов в реактор металлоорганической газофазной эпитаксии.

аучная новизна

1. Сформулирована и доказана обобщенная теорема квивалентности для произвольной фазосдвигающей невзаимной низотропной оптической системы: произвольный невзаимный фазовый низотропный оптический элемент может бьггь представлен как омбинация пяти элементов: взаимной линейной фазовой пластинки, евзаимной линейной фазовой пластинки, взаимного ротатора и двух арадеевских ротаторов.

2. Предложен оригинальный метод преобразования свойств птической анизотропии произвольных взаимных и невзаимных азовых анизотропных элементов. Теоретически доказано, что для реобразования произвольного типа фазовой анизотропии в другой роизвольный тип достаточно- четырех взаимных четвертьволновых инейных фазовых пластинок и набора фарадеевских ротаторов, оличество которых может быть равным двум, четырем или шести и пределяется типом исходной и требуемой анизотропии.

3. Впервые продемонстрирована возможность мониторинга лщины растущего слоя на начальных стадиях роста в условиях еталлоорганической газофазной эпитаксии (рост буферного слоя ваИ

подложке А^Оз.) непосредственно в реакторе в процессе роста.

аучная и практическая значимость работы

1. Разработан и экспериментально продемонстрирован макет ибора для оптического детектирования звуковых волн на поверхности ердого тела на базе двухлучевого поляризационного интерферометра,

котором использованы созданные в диссертации методы еобразования анизотропных свойств оптических элементов.

2. Разработана и экспериментально продемонстрирована система ониторинга температуры подложки и толщины растущего слоя для хнологий формирования полупроводниковых микро- и наноструктур, остигнуты параметры: абсолютная точность определения оптической лщины ±10 нм, чувствительность определения изменения толщины

нм, абсолютная точность определения температуры подложки ±1 К пределяется точностью калибровки).

3. Проведено исследование технологических параметров реакторов таллоорганической газофазной эпитаксии. Получены профили мпературы вдоль подложкодержателя, а также зависимость этих мпературных профилей от различных параметров в реакторе явление, поток газа, температура). Показано, что значения показаний

обычно применяемой термопары, закрепленной в подложкодержателе и реальной температуры подложки сильно различаются. Кроме того, показано, что изменения технологических параметров могут сильно влиять на температуру подложки, практически не сказываясь на показаниях термопары;

Результаты диссертации использованы при изготовлении нового поколения промышленных систем технологического контроля толщины ленты стекла, которые установлены на ряде предприятий России и СНГ; при изготовлении системы мониторинга толщины СУО алмазов в установке лазерного травления (установлена в ИОФ РАН), а также для оптимизации технологических процессов в реакторах метало-органической газофазной эпитаксии, установленных в ИФМ РАН.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Произвольный невзаимный фазовый анизотропный элемент может быть представлен как комбинация пяти элементов: взаимная линейная фазовая пластинка, невзаимная линейная фазовая пластинка, взаимный ротатор и два фарадеевских ротатора.

2. Для преобразования между произвольными типами взаимной и невзаимной фазовой анизотропии достаточно четырех взаимных четвертьволновых линейных фазовых пластинок и набора фарадеевских ротаторов, количество которых может быть равным двум, четырем или шести и определяется типом исходных и требуемых анизотропных свойств.

3. Используя методы преобразования фазовой анизотропии на базе, фарадеевских ротаторов, четвертьволновых пластинок и двухлучевого поляризационного интерферометра можно создать оптическую систему для детектирования звуковых волн на поверхности твердого тела.

4. Тандемная низкокогерентная , оптическая интерферометрия может быть использована для оперативного контроля температуры подложки и толщины растущего слоя на всех стадия металлоорганической газофазной эпитаксии.

Личный вклад автора

- Основной вклад в формулировку и доказательство теоремь эквивалентности, обобщенной на невзаимные фазовые анизотропны системы [А1] (совместно с Новиковым М.А.).

- Основной вклад в теоретическую разработку методо преобразования свойств анизотропии произвольных невзаимны фазовых анизотропных систем [А2, А14] (совместно с Новиковым М.А.)

- Равноценный вклад в разработку и экспериментальную демонстрацию методов измерения эффектов вынужденной оптической анизотропии с использованием кольцевых и двухпроходных схем [A3, A4] (совместно с Новиковым М.А., Хышовым A.A.).

- Равноценный вклад в создание экспериментального макета оптической схемы детектирования звуковых волн на поверхности твердого тела [Al5, А16] (совместно с Новиковым М.А., Хышовым A.A., Захаровым Ю.Н.).

- Основной вклад в теоретическую и экспериментальную разработку методов повышения точности и надежности промышленных систем мониторинга толщины на базе тандемной низкокогерентной интерферометрии [А5-А9] (совместно с Новиковым М.А., Тертышником А.Д, Горюновым A.B.).

- Равноценный вклад в разработку и создание макетов аппаратуры контроля лазерного травления алмазов и для мониторинга температуры

одложки и толщины растущего слоя для технологий формирования икро- и наноструктур [А11-А20] (Совместно с Новиковым М.А., укьяновым А.Ю., Тертышником А. Д., Горюновым A.B.)

- Основной вклад в проведение экспериментальных исследований хнологических параметров реакторов металлоорганической

азофазной эпитаксии и теоретическую разработку методов езависимого определения толщины и температуры образца в процессе оста полупроводниковых структур [А 13 -А2 0].

пробация результатов работы

Основные результаты и положения диссертации докладывались а: III международной конференции «Оптика - 2003» (Санкт-Петербург, 0-24 октября, 2003), III международном оптическом конгрессе «Оптика XXI век», конференции «Прикладная оптика - 2004» (Санкт-Петербург, 9-21 октября, 2004), б-й международной молодежной конференции по птике и высокотехнологичным материалам «SPO 2005» (Киев, 27-30 ктября, 2005), 6 международной конференции по лазерам в роизводстве (Мюнхен, 24-26 июня, 2003), Симпозиумах «Нанофизика и аноэлектроника» (Нижний Новгород, 13-17 марта 2006, 2007), VIII оссийской конференции «Физика полупроводников» (Екатеринбург, 30 ентября - 5 октября, 2007) , 14 международной конференции по еталлорганической газофазной эпитаксии «ICMOVPE - XIV» (Метц, ранция, 1-6 июня, 2008), втором международном форуме по анотехнологиям «Роснанофорум» (Москва, 3-5 декабря, 2008). езультаты работы были представлены на школах и сессиях молодых

ученых, а также обсуждались на семинарах ИФМ РАН и ИПФ РАН. Публикации

Основные результаты диссертации отражены в 20 публикациях, том числе, 11 работ в реферируемых журналах, 7 публикаций сборниках тезисов докладов и трудов конференций и симпозиумо 2 патента на изобретение.

Структура и объём диссертации

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Объ диссертации составляет 154 страницы, включая 50 рисунков. Спис цитированной литературы включает 114 наименований, список раб автора по теме диссертации - 20 наименований.

Основное содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертаци сформулированы цели и задачи работы, научная новизна и практическ значимость полученных результатов, приведены основные положени выносимые на защиту и сведения об апробации основных результат диссертации.

Глава 1 представляет собой обзор имеющейся в литерату информации в рамках тематики вопросов и методов, развиваемых настоящей диссертации.

В первом параграфе приведен используемый в диссертации мет матриц Джонса описания поляризационных свойств анизотропн систем. Приведены известные свойства матриц Джонса анизотропн элементов без анизотропного оптического поглощения (дихроизма).

Во втором параграфе представлена современная формулиров теоремы взаимности в оптике. Показано, что для оптическ анизотропных элементов, удовлетворяющих теореме взаимное (взаимных элементов) матрицы Джонса для встречных направлен распространения света (М* и М~) связаны соотношением М- = (М*)1, г индекс Т обозначает операцию транспонирования. Приведен обз различных невзаимных эффектов в оптике и их роль в науке и технике.

Третий параграф посвящен обзору теорем эквивалентности методов построения фазовых анизотропных систем с заданны параметрами. Подробно рассмотрено современная трактовка извести теоремы эквивалентности Пуанкаре, обобщение которой рассмотрено настоящей диссертации.

В четвертом параграфе рассмотрены известные экспериментальн

методы исследования эффектов вынужденной оптической анизотропии с использованием кольцевых и двухпроходных схем.

В пятом параграфе приведен обзор современного состояния оптических методов контроля температуры и толщины твердых тел. Описаны принципы низкокогерентной интерферометрии.

Глава 2 диссертации посвящена методам анализа и синтеза сложных взаимных и невзаимных анизотропных систем.

В первом параграфе проведено обобщение теоремы квивалентности Пуанкаре на невзаимные фазовые анизотропные истемы. Показано, что произвольный невзаимный фазовый элемент квивалентен комбинации из пяти элементов: взаимной линейной ^ азовой пластинки, невзаимной линейной фазовой пластинки, заимного ротатора и двух фарадеевских ротаторов.

Во втором параграфе рассмотрен частный случай доказанной в редыдущем параграфе обобщенной теоремы эквивалентности для вухпроходной оптической фазовой анизотропной системы. Доказано, о при двойном прохождении света через невзаимный элемент, квивалентная схема сокращается до двух определенным образом риентированных линейных фазовых пластинок, разделенных отатором.

В третьем параграфе рассмотрено различие свойств взаимных и евзаимных элементов с точки зрения собственных поляризаций, оказано, что во взаимных элементах собственные волны и собственные исла (фазовый сдвиг) для встречных направлений распространения вета совпадают, а в невзаимных элементах различаются.

В четвертом параграфе рассмотрена задача преобразования свойств ниозтропии взаимных фазовых элементов. Задача формулировалась ледующим образом. Имеется некоторый произвольный взаимный азовый анизотропный элемент. Необходимо найти универсальный абор вспомогательных элементов, таких, чтобы система, состоящая из сходного элемента и полученного набора вспомогательных элементов, бладала заданными анизотропными свойствами. Для решения задачи спользовалось свойство унитарности матриц Джонса оптических низотропных систем без поглощения. Было показано, что для реобразования между произвольными фазовыми анизотропными лементами (при условии сохранения фазового сдвига между обственными поляризациями) достаточно набора из четырех четверть олновых пластинок.

В пятом параграфе разработанная выше методика преобразования войств анизотропии взаимных элементов обобщена на случай

невзаимных фазовых элементов. Показано, что для преобразования между произвольными взаимными и невзаимными фазовыми анизотропными элементами (также при условии сохранения фазового сдвига между собственными поляризациями) достаточно четырех взаимных четвертьволновых линейных фазовых пластинок и набора фарадеевских ротаторов, количество которых может быть равно двум, четырем или шести и определяется типом исходной и требуемой невзаимности.

В шестом параграфе разобраны частные случаи преобразования свойств анизотропии взаимных и невзаимных элементов. В частности показано, что для построения высокочастотной невзаимной линейной фазовой пластинки можно использовать взаимную линейную фазовую пластинку, помещенную между двух 45° фарадеевских ротаторов, что важно с практической точки зрения в оптической гироскопии и в кольцевых лазерах.

Глава 3 посвящена применению разработанных во второй главе методов анализа сложных анизотропных систем для экспериментального исследования эффектов вынужденной оптической анизотропии во внешних электрических и магнитных полях.

В первом параграфе рассмотрен кольцевой поляризационный интерферометр (рис.1). Показано, что выбор вспомогательного элемента А позволяет выделять различные компоненты матрицы Джонса исследуемого элемента М, что дает возможность измерять различные взаимные и невзаимные эффекты вынужденной анизотропии, а также их комбинации.

Рис. 1. Поляризационный кольцевой интерферометр. Ь - источник света, О -светоделитель, К -четвертьволновая пластинка,

- призма Волластона, А - вспомогательный анизотропный элемент, М -исследуемый анизотропный элемент

Предложенный метод экспериментально продемонстрирован на примере измерения эффекта невзаимного магнитного линейного двупреломления в кристалле иодата лития. Достигнута чувствительность по невзаимному сдвигу фазы линейно поляризованных волн

10'6 рад-Гц'1/2.

Во втором параграфе рассмотрено применение двухпроходных схем ис.2) для измерения эффектов вынужденной оптической анизотропии.

НШ-^ □ Ш-В

О _§2

Рис.2. Общий вид двух-проходной схемы. Ь - источник света, 18 - изолятор, Б - стеклянная пластинка,

01

-с

эз М

02

м СЛ - исследуемый кристалл, М - зеркало,

- призма Волластона, 01, 02 - фотодиоды, Б1, Б2, БЗ - вспомогательные элементы

Показано, что постановка различных вспомогательных элементов 8(, , Бз также позволяет выделять слабые эффекты на фоне сильных скирующих. Показано, что использование анизотропного делителя вместно с дифференциальной схемой регистрации поворота плоскости ляризации позволяет поднять чувствительность за счет подавления плитудных шумов источника. Для экспериментальной демонстрации еддоженных методов снова проведены измерения эффекта невзаимного агнитного линейного двупреломления в кристалле иодата лития. В честве анизотропного делителя использовалась стеклянная пластинка, ботающая на отражение, ориентированная под углом, близким к углу рюстера. В результате была достигнута чувствительность по взаимному сдвигу фазы 5-Ю"8 рад-Гц"ш.

Третий параграф посвящен созданию лабораторной установки для тического детектирования звуковых волн на поверхности твердого ла. Установка построена по схеме дифференциального ляризационного интерферометра (рис.3). В данной схеме линейно ляризованный свет расщепляется пластинкой Саварра Б на два тогонально поляризованных луча. Наличие звуковой волны на оверхности приводит к сдвигу фазы между лучами, который, за счет твертьволновой пластинки, преобразуется в поворот плоскости оляризации. Достигнута чувствительность 0,2 А в полосе 1 МГц.

Четвертая глава посвящена мониторингу технологических роцессов с применением тандемной низкокогерентной нтерферометрии.

РОЭ

Щ

]FR

Рис.3 Схема установки для детектирования звуковых волн на поверхности твердого тела. 1ЛЗ -лазерный диод, Р - поляризатор, О - светоделитель, - призма Волластона, в - поляризационный расщепитель Саварра, Х/4 -четверть волновая пластинка, РЛ-фарадеевский ротатор, РЭ1,2 -

ОО

TDS фотоприемники, DA -

- дифференциальный усилитель,

TDS - осциллограф TDS-2024

В первом параграфе предложен новый метод определения разности длин плеч интерферометра, не требующий, в отличие от традиционны методов, долговременной стабильности длины волны источника света.

Во втором параграфе рассмотрен предложенный автором метод одновременного измерения оптической и геометрической толщины плоских прозрачных объектов, в котором, в отличие от используемых ранее методов, не требуется значительное увеличение диапазона сканирования разности длин плеч интерферометра.

В третьем параграфе описаны созданные в ходе работы над диссертацией и внедренные в производство оптические низкокогерентные системы промышленного мониторинга толщины (система контроля толщины ленты стекла в горячей зоне производства и система контроля толщины алмазов при их лазерной обработке), основанные на разработках, описанных в предыдущих параграфах четвертой главы.

Четвертый параграф посвящен применению низкокогерентной тандемной интерферометрии для контроля температуры подложки в микро- и нанотехнологиях. Для определения температуры используется зависимость оптической толщины подложки от температуры В (Г), которая может быть записана в виде В(Т) = п(Т)с1(Т) =Во(1 +/(Т)), где п -показатель преломления, Д> - толщина образца при некоторой температуре То, /(Т) - калибровочная функция. В работе получены калибровочные функции для трех материалов, наиболее широко используемых в современных полупроводниковых технологиях: кремния, арсенида галлия и сапфира (рис. 4).

Рис. 4. Графики зависимостей/(Т) для 81, ваАБ, А120з,

В пятом параграфе проведено исследование характеристик горизонтального реактора металлоорганической газофазной эпитаксии (МОГФЭ) ЕрК^шр. Используя полученные выше калибровочные кривые, исследовано влияние технологических параметров (давления газа, скорости потока газа, температуры) на расхождение показаний термопары и реальной температуры подложки. Показано, что показания термопары в большинстве случаев не соответствуют реальной температуре подложки (рис.5). Проведен мониторинг ростовых процессов гетероструктур на подложках ОаА8(рис. 6).

Рис. 5. Зависимости разности температуры подложек, расположенных в разных частях подложкодержателя, и показаний термопары от температуры подложки

Рис. 6. Процесс роста эпитаксиальной структуры (диод Шоттки с пониженным барьером) на подложке ваЛв.

В шестом параграфе проведено исследование характеристи вертикального МОГФЭ реактора. Получены зависимости расхожден показания термопары и реальной температуры подложки о технологических параметров, таких как давление газа, скорость поток газа, температура. Осуществлена запись роста ваИ на сапфирово подложке (рис.7.а). Впервые продемонстрирована возможност мониторинга роста зародышевого слоя (изображено на вставке н рис.7 .а). Одновременно контролировалась толщина зазора меж нижней поверхностью подложки и поверхностью подложкодержател (рис.7.б), что позволило определить изгиб подложки.

Рис.7. Запись технологического процесса роста плёнки ОаЛ на сапфире, а) зависимость оптической толщины подложки, б) изгиб подложки (толщина зазора между нижней поверхностью подложки и поверхностью подложкодержателя).

Точки на рис.7.а, обозначенные символом А, соответствует змерениям оптической толщины подложки с растущим слоем, пределенной по максимуму огибающей низкокогерентного нтврфервнционного сигнала. Точки, обозначенные символом о, ответствует измерениям приращения оптической толщины, существленным по фазе заполнения низкокогерентного нтерференционного сигнала.

В седьмом параграфе предложены два новых метода, позволяющих ри измерении оптической толщины образца отделить изменения вязанные с колебаниями температуры, от изменений, связанных с остом или травлением. Методы основаны на дисперсии показателя реломления материала подложки. В первом варианте предложено роводить измерения оптической толщины образца одновременно на вух длинах волн. При этом отношение оптических толщин на разных линах волн £)2 /£>, =и?(Я2,Г)/«^(Д1,Г) = ^(Г)зависит только от

емпературы. Во втором предложенном варианте измерения проводятся а одной длине волны. При этом одновременно измеряются сдвиг аксимума огибающей низкокогерентого сигнала (определяется . упповым показателем преломления) и сдвиг фазы заполнения АОр/, пределяется фазовым показателем преломления). В этом случае, как оказано в диссертации, отношение вида

А/)г ~АОр/1пё01прМ)1 = Г(Т), где пб0, прЬо - групповой и фазовый

оказатели преломления при исходной температуре Т0, также зависит олько от температуры и не зависит от толщины образца.

В Заключении приведены основные результаты работы.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Сформулирована и доказана обобщенная теорема эквивалентности для произвольной фазосдвигающей невзаимной анизотропной оптической системы: произвольный невзаимный фазовый анизотропный элемент может быть представлен как комбинация пяти элементов: взаимной линейной фазовой пластинки, невзаимной линейной фазовой пластинки, взаимного ротатора и двух фарадеевских ротаторов. Следствием теоремы является то, что двухпроходная схема с произвольным невзаимным фазовым элементом эквивалентна комбинации из двух определенным образом ориентированных линейных фазовых пластинок, разделенных ротатором.

2. Используя свойство унитарности матриц Джонса фазовых элементов, разработана методика преобразования свойств оптической анизотропии произвольных взаимных и невзаимных фазовых анизотропных элементов.. Теоретически доказано, что для преобразования произвольного типа фазовой анизотропии в другой произвольный тип достаточно четырех взаимных четвертьволновых линейных фазовых пластинок и набора фарадеевских ротаторов, количество которых может быть равным двум, четырем или шести и определяется типом исходной и требуемой анизотропии.

3. Достигнута чувствительность 5-10"8 рад-Гц1/2 при измерении взаимных и невзаимных эффектов вынужденной оптической анизотропии в кольцевых двухпроходных схемах. Благодаря этому, на базе поляризационного интерферометра осуществлено детектировние звуковых волн на поверхности твердого тела с амплитудой 0.2 А в полосе 0-1 МГц.

4. Предложена новая схема непрерывной калибровки модулятора для тандемной низкокогерентной интерферометрии, точность которой не зависит от диапазона сканирования разности длин плеч интерферометра и долговременнной стабильности длины волны опорного лазера. Предложен метод одновременного измерения оптической и геометрической толщины образца с помощью тандемной низкокогерентной интерферометрии без увеличения диапазона сканирования интерферометра. Эти разработки позволили создать и внедрить в производство системы промышленного мониторинга толщины ленты стекла.

5. Используя разработанный тандемный низкокогерентный интерферометр, осуществлен мониторинг температуры подложки и толщины растущего слоя на всех стадиях металлоорганической газофазной эпитаксии. Благодаря применению новой схемы непрерывной калибровки модулятора достигнуты: абсолютная точность

определения толщины ±10 нм, разрешение измерения толщины ±2 нм, абсолютная точность определения температуры подложки ±1 К. Список цитированной литературы

1. Кульчин, Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы / Ю.Н. Кульчин // М.: ФИЗМАТЛИТ. - 2001. -272 с.

2. Шрёдер, Г. Техническая оптика / Г. Шрёдер, X. Трайбер // М.: Техносфера. - 2006. - 424 с.

3. Азам, Р. Эллипсометрия и поляризованный свет / Р. Аззам, Н. Башара // М.: Мир. - 1981. - 584 с.

4. Джерард, А. Введение в матричную оптику / А. Джерард, Дж.М. Берч // М.: Мир. - 1978. -341 с.

5. Алексеев, Э.И. О теоремах эквивалентности поляризационной оптики и оптики одномодовых световодов / Э.И. Алексеев, E.H. Базаров, В.Г. Израелян//Квантовая электроника. - 1984. — т.11. Вып.2. -С.397-400.

6. Sonn, W.V. Fiber optic sensing using low-coherence interferometiy / W.V. Sorin // Proc. SPIE. - 1996. - V. 2872. - P.40-47.

7. Rao, Y J. Recent progress in fibre optic low-coherence interferometry // YJ. Rao, D. Jackson // Measurement science and technology. - 1996. -V.7.-P. 981-999.

Список работ автора по теме диссертации

[Al] Волков, П.В. Поляризационные трансформаторы анизо-тропии. I. Невзаимные оптические системы и теорема эквивалентности / П.В. Волков, М.А. Новиков // Оптика и спектроскопия. - 2006. - т. 100. Вып.5.-С. 864-867.

[А2] Волков, П.В. Поляризационные трансформаторы анизо-тропии. II. Преобразование свойств оптической анизотропии взаимных и невзаимных элементов / П.В. Волков, Новиков М.А. // Оптика и спектроскопия. - 2006. - т.ЮО. Вып.5. - С.868-871. [A3] Хышов, A.A. Поляризационные кольцевые интерферометры и их использование для исследования невзаимных оптических эффектов / A.A. Хышов, П.В. Волков, М.А. Новиков // Изв. Вузов. Радиофизика, -2007. - Т.50. Вып.5. - С.441-452.

[A4] Волков, П.В. Двухпроходный метод исследования эффектов индуцированного двупреломления / П.В. Волков, A.A. Хышов, М.А. Новиков // Изв. Вузов. Радиофизика. - 2008. - Т.51. Вып.6, с.536-544. [А5] Волков, П.В Интерферометрическое измерительное устройство (варианты) / П.В. Волков, A.B. Горюнов, А.Д. Тертышник // . Патент RU2307318C 1.-2007.

[А6] Волков, П.В. Интерферометрический способ измерения толщины показателя преломления прозрачных объектов / П.В. Волков, А.В Горюнов, А.Д. Тертышник // Патент RU2313066С1. - 2007. [А7] Новиков, М.А. Оптическая интерференционная систем технологического контроля толщины ленты флоат-стекла на горячи стадиях производства / М.А. Новиков, А.Д. Тертышник, В.В. Иванов В.А. Маркелов, А.В. Горюнов, П.В. Волков, А.П. Морозов, В.Н Чуплыгин, А.И. Гранек, С.Ю. Князев, Ю.А. Мишулин, В.П. Песков / Стекло и керамика. - 2004. - вып.2. - С.5-9.

[А8] Волков, П.В. Автоматизированная пятиканальная систем технологического контроля толщины ленты флоат-стекла в режим реального времени в горячей зоне печи отжига / П.В. Волков, А.В Горюнов, А.Д. Тертышник // Стекло и керамика. - 2006. - Вып.5. - С.6-9. [А9] Волков, П.В. Автоматизированная многоканальная систем технологического контроля толщины ленты флоат-стекла в режим реального времени в горячей зоне печи отжига / П.В. Волков, А.В Горюнов, А.Ю. Лукьянов, А.Д. Тертышник // Стекло и керамика. - 2008 -Вып.5. -С.8-11.

[А10] Ivanov, V.V. Multichannel temperature sensing by differentia coherence multiplexing / V.V. Ivanov, V.A. Markelov, M.A. Novikov, S.S Ustavshikov, P.V. Volkov, I.-B. Kwon // IEEE Sensors Journal. - 2006. V.6. P. 982-985.

[A11] Кононенко, В.В. Контроль лазерной обработ1 поликристаллических алмазных пластин методом низкокогерентно оптической интерферометрии / В.В. Кононенко, В.И. Конов, С.М Пименов, П.В. Волков, А.В. Горюнов, В.В. Иванов, М.А. Новиков, В.А Маркелов, А.Д. Тертышник, С.С. Уставщиков // Квантовая Электроника - 2005. - Т.35. Вып.7, - С. 622-626.

[А 12] Volkov, P.V. Novel technique for monitoring of MOVPE processes P.V. Volkov, A.V. Goryunov, V.M. Daniltsev, A.Yu. Luk'yanov, D.A Piyakhin, A.D. Tertyshnik, O.I. Khiykin, V.I. Shashkin // Journal of Crysta Growth. -2008. V. 310. - P. 4724-4726.

[A13] Волков, П.В. Оптический мониторинг параметро технологических процессов в условиях металлоорганической газофазно эпитаксии / П.В. Волков, А.В. Горюнов, В.М. Данильцев, А.Ю Лукьянов, Д.А. Пряхин, А.Д. Тертышник, О.И. Хрыкин, В.И. Шашкин / Поверхность: Рентгеновские, синхротронные и нейтронны исследования. - 2008. - Вып. 8. - С.5-10.

[А14] Volkov, P.V. The new method for optical anisotropic element designing / P.V. Volkov, M.A. Novikov // Applied 0ptics-2004: Proceeding

f conference, Saint-Petersburg, Russia, October 19-21,2004 P. 97-101. A15] Volkov, P.V. Polarization optical interferometers for detection of urface acoustic waves / P.V. Volkov, M.A. Novikov, A.A. Khyshov, Yu. N. akharov // 6-th international young scientists conference of optics and high echnology material science SPO 2005: Scientific works, Kiev, Ukraine, ctober 27-30, 2005.-P.133.

A16] Volkov, P.V. Short surface acoustic pulses registration with olarization interference method / P.V. Volkov, Optics 2003: Proceedings of opical meetings, Saint-Petersburg, Russia, October 20-23,2003. - P. 16. A17] Волков, П.В. Оптический мониторинг параметров ехнологических процессов в условиях металлорганической газофазной питаксии / П.В. Волков, А. В. Горюнов, В. М. Данильцев, А. Ю. укьянов, Д. А. Пряхин, А. Д. Тертышник, О. И. Хрыкин, В. И. Шашкин / XI международный симпозиум «Нанофизика и электроника»: труды онференции, Нижний Новгород, Россия, 10-14 марта, 2007. - С. 514-515. А18] Волков, П.В. Оптический мониторинг процессов формирования етероструктур на основе широкозонных нитридов / П.В. Волков, А. В. орюнов, В. М. Данильцев, А. Ю. Лукьянов, Д. А. Пряхин, А. Д. ертышник, О. И. Хрыкин, В. И. Шашкин // XII международный импозиум «Нанофизика и электроника»: труды конференции, Нижний овгород, Россия, 10-14 марта, 2008. - С. 327-328. А19] Волков, П.В. Измерение температуры в условиях еталлорганической газофазной эпитаксии с помощью изкокогерентного оптического интерферометра / П.В. Волков, А. В. орюнов, В. М. Данильцев, А. Ю. Лукьянов, Д. А. Пряхин, А. Д. ертышник, О. И. Хрыкин, В. И. Шашкин // VIII Российская онференция по физике полупроводников: тезисы докладов, катеринбург, Россия, 30 сентября - 5 октября, 2007. - С.422. А20] Волков, П.В. Аппаратура для прецизионного оптического ониторинга в нанотехнологиях / П.В. Волков, А.В. Горюнов, В.М. анильцев, А.Ю. Лукьянов, Д.А. Пряхин, А.Д. Тертышник, О. И. рыкин, В.И. Шашкин // Второй международный форум по анотехнологиям «Роснанофорум»: сборник тезисов докладов научно-ехнологических секций, Москва, Россия, 3-5 декабря, 2008. - Т.1. -237-239.

ВОЛКОВ Петр Витальевич

РАЗВИТИЕ ИНТЕРФЕРЕНЦИОННЫХ И ПОЛЯРИЗАЦИОННЫХ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ПАРАМЕТРОВ ТВЕРДЫХ ТЕЛ

Автореферат

Подписано к печати 26.12.2008 г. Тираж 100 экз. Отпечатано в Институте физики микроструктур РАН 603950, Нижний Новгород, ГСП-105

Введение

Глава 1. Оптические методы измерения физических параметров твердых тел - состояние проблемы.

§1.1. Метод матриц Джонса описания анизотропных свойств оптических элементов

§1.2. Теорема взаимности и метод матриц Джонса. Взаимные и невзаимные оптические фазовые анизотропные системы.

§ 1.3. Теорема эквивалентности Пуанкаре и метод матриц Джонса.

§1.4. Экспериментальные методы исследования оптических анизотропных свойств.

§1.5. Оптические методы контроля температуры и толщины твердых тел. 34.

Глава 2. Теорема эквивалентности для невзаимных оптических систем и преобразование свойств анизотропии оптических элементов.

§2.1. Теорема эквивалентности в невзаимных системах.

§2.2. Теорема эквивалентности в двухпроходных оптических схемах с невзаимными элементами.

§2.3. Невзаимные эллиптические базисы.

§2.4. Преобразование свойств анизотропии взаимных поляризационных элементов.

§2.5. Преобразование анизотропных свойств невзаимных элементов.

§2.6. Примеры преобразования базовых типов анизотропии. б

Выводы к главе

Глава 3. Методы измерения эффектов вынужденной оптической анизотропии в кольцевых и двухпроходных схемах

§3.1. Кольцевые схемы измерения.

§ 3.2. Измерение эффектов вынужденной оптической анизотропии в двухпроходной схеме.

§3.3. Детектирование поверхностных звуковых волн в твердом теле с применением двухпроходной схемы.

Выводы к главе

Глава 4. Мониторинг технологических процессов с применением методов низкокогерентной тандемной интерферометрии.

§4.1. Метод контроля положения модулятора разности хода интерферометра.

§4.2. Метод измерения геометрической толщины и показателя преломления образца.

§4.3. Системы промышленного мониторинга толщины.

§4.4. Система контроля толщины и температуры в полупроводниковых микро- и нанотехнологиях.

§ 4.5. Исследование технологических параметров горизонтального

МОГФЭ реактора.

§ 4.6. Исследование технологических параметров вертикального

МОГФЭ реактора.

§ 4.7. Методики определения толщины и температуры образца в процессе роста полупроводниковых структур.

Выводы к главе

Актуальность темы исследований

Оптические измерения в настоящее время играют большую роль как в физическом эксперименте, так и в измерительной технике. Дистанционные, бесконтактные, неинвазивные и высокоточные оптические методы позволяют решать задачи, недоступные другим подходам [1]. Наибольшее распространение получили интерференционные и поляризационные методы измерения.

При интерференции неполяризованных световых пучков или пучков с одинаковым состоянием поляризации, в области их наложения возникают интерференционные полосы, обработка которых позволяет решать такие задачи, как прецизионный контроль качества поверхностей, контроль малых смещений поверхности и др [2]. В физическом эксперименте интерферометрия позволяет с высокой точностью и чувствительностью измерять эффекты, приводящие к изменению оптических свойств среды (колебания давления, температуры, показателя преломления и др.).

При интерференции поляризованных пучков света происходит изменение состояния поляризации света. Основанные на этом поляризационные методы зачастую оказываются более чувствительными, удобными и информативными, чем стандартные интерференционные [2]. Контроль состояния поляризации света, взаимодействующего с объектом, позволяет измерять механические напряжения, исследовать электро- и магнитооптические эффекты. Для исследования свойств поверхности и тонких пленок широкое распространение получила эллипсометрия [3].

По мере развития поляризационных методов исследования появлялись различные методы описания состояния поляризации, а также преобразования поляризации веществом. Наиболее известными являются методы векторов и матриц Джонса и векторов Стокса и матриц Мюллера [4]. Однако для объектов со сложной анизотропией простое применение данных методов может приводить к сложным и громоздким вычислениям. Исследование 4 таких систем требует создания теоретических и экспериментальных методов их разложения на простые компоненты, преобразования их свойств, выделения отдельных компонентов [5].

В большинстве случаев, стандартные интерференционные и поляризационные методы используются для измерения фазовых задержек меньше длины волны используемого света, что обусловлено периодичностью интерференционных полос. Для измерения фазовых задержек, которые много больше длины волны наиболее удобными оказываются методы низкокогерентной интерферометрии [6], которые также могут быть поляризационными. Особенностью низкокогерентных методов является использование источников света с длиной когерентности малой по сравнению с измеряемыми задержками (толщинами). Одной из разновидностей низкокогерентной интерферометрии является тандемная низкокогерентная интерферометрия. Изначально она появилась как метод мультиплексирования в оптических линиях связи, однако вскоре стало понятно, что данная методика является многообещающей для измерения геометрических размеров, показателя преломления, смещений, температуры и других оптических параметров, которые могут быть получены из измерений оптической разности хода. Одно из основных достоинств тандемной низкокогерентной интерферометрии состоит в возможности измерения параметров объектов, находящихся в условиях агрессивной окружающей среды [7].

Таким образом, разработка новых теоретических и экспериментальных методов описания и исследования сложных анизотропных систем и развитие методов когерентной и низкокогерентной интерферометрии являются весьма актуальными задачами.

Цели работы:

• создание теоретических методов описания сложных анизотропных систем;

• развитие экспериментальных поляризационных и интерферен-ционных методов измерения малых эффектов вынужденной оптической анизотропии;

• развитие методов измерения толщины и температуры твердых тел на основе тандемной низкокогерентной интерферометрии и их применение в промышленных измерительных системах и системах мониторинга в технологиях формирования полупроводниковых микро- и наноструктур.

Для достижения поставленной цели решались следующие задачи:

1. обобщение теоремы эквивалентности Пуанкаре на невзаимные фазовые анизотропные системы;

2. теоретическая разработка метода преобразования свойств анизотропии невзаимных фазовых анизотропных элементов;

3. экспериментальная демонстрация разработанных методов на примере измерения эффектов вынужденной оптической анизотропии и детектирования акустических волн на поверхности твердых тел;

4. теоретическая и экспериментальная разработка методов повышения точности и надежности промышленных систем мониторинга толщины на базе тандемной низкокогерентной интерферометрии;

5. создание системы мониторинга температуры подложки и толщины растущего слоя для технологий формирования микро- и наноструктур на основе тандемной низкокогерентной интерферометрии;

6. проведение исследований ростовых процессов в реакторах металлоорганической газофазной эпитаксии.

Научная новизна:

1. Сформулирована и доказана обобщенная теорема эквивалентности для произвольной фазосдвигающей невзаимной анизотропной оптической системы: произвольный невзаимный фазовый анизотропный оптический элемент может быть представлен как комбинация пяти элементов: взаимной линейной фазовой пластинки, невзаимной линейной фазовой пластинки, взаимного ротатора и двух фарадеевских ротаторов.

2. Предложен оригинальный метод преобразования свойств оптической анизотропии произвольных взаимных и невзаимных фазовых анизотропных элементов. Теоретически доказано, что для преобразования произвольного типа фазовой анизотропии в другой произвольный тип достаточно четырех взаимных четвертьволновых линейных фазовых пластинок и набора фарадеевских ротаторов, количество которых может быть равным двум, четырем или шести и определяется типом исходной и требуемой анизотропии.

3. Впервые продемонстрирована возможность мониторинга толщины растущего слоя на начальных стадиях роста в условиях металлоорганической газофазной эпитаксии (рост буферного слоя ОаК на подложке А1203.) непосредственно в реакторе в процессе роста.

Практическая значимость работы:

1. Разработан и экспериментально продемонстрирован макет прибора для оптического детектирования звуковых волн на поверхности твердого тела на базе двухлучевого поляризационного интерферометра, в котором использованы созданные в диссертации методы преобразования анизотропных свойств оптических элементов.

2. Разработана и экспериментально продемонстрирована система мониторинга температуры подложки и толщины растущего слоя для технологий формирования полупроводниковых микро- и наноструктур. Достигнуты параметры: абсолютная точность определения оптической толщины ±10 нм, чуствительность определения изменения толщины ±2 нм, абсолютная точность определения температуры подложки ±1 К (определяется точностью калибровки).

3. Проведено исследование технологических параметров реакторов металлоорганической газофазной эпитаксии. Получены профили температуры вдоль подложкодержателя, а также зависимость этих температурных профилей от различных параметров в реакторе (давление, поток газа, температура). Показано, что значения показаний обычно применяемой термопары, закрепленной в подложкодержателе и реальной температуры подложки сильно различаются. Кроме того, показано, что изменения технологических параметров могут сильно влиять на температуру подложки, практически не сказываясь на показаниях термопары;

Результаты диссертации использованы при изготовлении нового поколения промышленных систем технологического контроля толщины ленты стекла, которые установлены на ряде предприятий России и СНГ, при изготовлении системы мониторинга толщины СУБ алмазов в установке лазерного травления (установлена в ИОФ РАН), а также для оптимизации технологических процессов в реакторах метало-органической газофазной эпитаксии, установленных в ИФМ РАН.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Произвольный невзаимный фазовый анизотропный элемент может быть представлен как комбинация пяти элементов: взаимная линейная фазовая пластинка, невзаимная линейная фазовая пластинка, взаимный ротатор и два фарадеевских ротатора.

2. Для преобразования между произвольными типами взаимной и невзаимной фазовой анизотропии достаточно четырех взаимных четвертьволновых линейных фазовых пластинок и набора фарадеевских ротаторов, количество которых может быть равным двум, четырем или шести и определяется типом исходных и требуемых анизотропных свойств.

3. Используя методы преобразования фазовой анизотропии на базе, фарадеевских ротаторов, четвертьволновых пластинок и двухлучевого поляризационного интерферометра можно создать оптическую систему для детектирования звуковых волн на поверхности твердого тела.

4. Тандемная низкокогерентная оптическая интерферометрия может быть использована для оперативного контроля температуры подложки и толщины растущего слоя на всех стадиях металлоорганической газофазной эпитаксии.

Личный вклад автора в получение результатов

- Основной вклад в формулировку и доказательство теоремы эквивалентности, обобщенной на невзаимные фазовые анизотропные системы [AI] (совместно с Новиковым М.А.).

- Основной вклад в теоретическую разработку методов преобразования свойств анизотропии произвольных невзаимных фазовых анизотропных систем [А2, А14] (совместно с Новиковым М.А.).

- Равноценный вклад в разработку и экспериментальную демонстрацию методов измерения эффектов вынужденной оптической анизотропии с использованием кольцевых и двухпроходных схем [A3, A4] (совместно с Новиковым М.А., Хышовым A.A.).

- Равноценный вклад в создание экспериментального макета оптической схемы детектирования звуковых волн на поверхности твердого тела [AI5, AI 6] (совместно с Новиковым М.А., Хышовым A.A., Захаровым Ю.Н.).

- Основной вклад в теоретическую и экспериментальную разработку методов повышения точности и надежности промышленных систем мониторинга толщины на базе тандемной низкокогерентной интерферометрии [А5-А9] (совместно с Новиковым М.А., Тертышником А.Д, Горюновым A.B.).

- Равноценный вклад в разработку и создание макетов аппаратуры контроля лазерного травления алмазов и для мониторинга температуры подложки и толщины растущего слоя для технологий формирования микро-и наноструктур [А11-А20] (Совместно с Новиковым М.А., Лукьяновым А.Ю., Тертышником А.Д., Горюновым A.B.)

- Основной вклад в проведение экспериментальных исследований технологических параметров реакторов металлоорганической газофазной эпитаксии и теоретическую разработку методов независимого определения толщины и температуры образца в процессе роста полупроводниковых структур [А13-А20].

Публикации и апробация результатов

Основные результаты диссертации отражены в 20 публикациях, в том числе, 11 работ в рецензируемых журналах, 7 публикаций в сборниках тезисов докладов и трудов конференций и симпозиумов; 2 патента на изобретение.

Основные результаты и положения диссертации докладывались на: III международной конференции «Оптика - 2003» (Санкт-Петербург, 20-24 октября, 2003), III международном оптическом конгрессе «Оптика - XXI век», конференции «Прикладная оптика - 2004» (Санкт-Петербург, 19-21 октября, 2004), 6-й международной молодежной конференции по оптике и высокотехнологичным материалам «БРО 2005» (Киев, 27-30 октября, 2005), 6 международной конференции по лазерам в производстве (Мюнхен, 24-26 июня, 2003), Симпозиумах «Нанофизика и наноэлектроника» (Нижний Новгород, 13-17 марта 2006, 2007), VIII Российской конференции «Физика полупроводников» (Екатеринбург, 30 сентября - 5 октября, 2007) , 14 международной конференции по металлорганической газофазной эпитаксии «1СМОУРЕ - XIV» (Метц, Франция, 1-6 июня, 2008), втором международном форуме по нанотехнологиям «Роснанофорум» (Москва, 3-5 декабря, 2008). Результаты работы были представлены на школах и сессиях молодых ученых, а таюке обсуждались на семинарах ИФМ РАН и ИПФ РАН.

Структура и объем диссертации.

Диссертация состоит из введения, 4 глав и заключения. Объем диссертации составляет 154 страницы, включая 50 рисунков. Список цитированной литературы включает 114 наименований, список работ автора по теме диссертации — 20 наименований.

Основные результаты диссертации могут быть сформулированы следующим образом:

1. Сформулирована и доказана обобщенная теорема эквивалентности для произвольной фазосдвигающей невзаимной анизотропной оптической системы: произвольный невзаимный фазовый анизотропный элемент может быть представлен как комбинация пяти элементов: взаимной линейной фазовой пластинки, невзаимной линейной фазовой пластинки, взаимного ротатора и двух фарадеевских ротаторов. Следствием теоремы является то, что двухпроходная схема с произвольным невзаимным фазовым элементом эквивалентна комбинации из двух определенным образом ориентированных линейных фазовых пластинок, разделенных ротатором.

2. Используя свойство унитарности матриц Джонса фазовых элементов, разработана методика преобразования свойств оптической анизотропии произвольных взаимных и невзаимных фазовых анизотропных элементов. Теоретически доказано, что для преобразования произвольного типа фазовой анизотропии в другой произвольный тип достаточно четырех взаимных четвертьволновых линейных фазовых пластинок и набора фарадеевских ротаторов, количество которых может быть равным двум, четырем или шести и определяется типом исходной и требуемой анизотропии.

3. Достигнута чувствительность 5-10"8 радТц"ш при измерении взаимных и невзаимных эффектов вынужденной оптической анизотропии в кольцевых двухпроходных схемах. Благодаря этому, на базе поляризационного интерферометра осуществлено детектировние звуковых волн на поверхности твердого тела с амплитудой 0.2 А в полосе 0-1 МГц.

4. Предложена новая схема непрерывной калибровки модулятора для тандемной низкокогерентной интерферометрии, точность которой не зависит от диапазона сканирования разности длин плеч интерферометра и долговременнной стабильности длины волны опорного лазера. Предложен метод одновременного измерения оптической и геометрической толщины образца с помощью тандемной низкокогерентной интерферометрии без увеличения диапазона сканирования интерферометра. Эти разработки позволили создать и внедрить в производство системы промышленного мониторинга толщины ленты стекла.

5. Используя разработанный тандемный низкокогерентный интерферометр, осуществлен мониторинг температуры подложки и толщины растущего слоя на всех стадиях металлоорганической газофазной эпитаксии. Благодаря применению новой схемы непрерывной калибровки модулятора достигнуты: абсолютная точность определения толщины ±10 нм, разрешение измерения толщины ±2 нм, абсолютная точность определения температуры подложки ±1 К.

Заключение

1. Кульчин, Ю.Н. Распределенные волоконно-оптические измерительные системы / Ю.Н. Кульчин // М.: ФИЗМАТЛИТ. 2001. - 272 с.

2. Шрёдер, Г. Техническая оптика / Г. Шрёдер, X. Трайбер // М.: Техносфера. 2006. - 424 с.

3. Азам, Р. Эллипсометрия и поляризованный свет / Р. Аззам, Н. Башара // М.: Мир. 1981.-584 с.

4. Джерард, А. Введение в матричную оптику / А. Джерард, Дж.М. Берч // М.: Мир. 1978. -341 с.

5. Алексеев, Э.И. О теоремах эквивалентности поляризационной оптики и оптики одномодовых световодов / Э.И. Алексеев, Е.Н. Базаров, В.Г. Израелян // Квантовая электроника. 1984. Т.П. Вып.2. - С.397-400.

6. Sorin, W.V. Fiber optic sensing using low-coherence interferometry / W.V. Sorin // Proc. SPIE. 1996. - V. 2872. - P.40-47.

7. Rao, Y.J. Recent progress in fibre optic low-coherence interferometry // Y.J. Rao, D. Jackson // Measurement science and technology. 1996. - V.7. -P. 981-999.

8. Jones, R.C. A new calculus for the treatment of optical systems. I. Description and discussion of the calculus / R.C. Jones // JOS A. 1941. - V. 31. -P.488-493.

9. Poirson J. Jones matrices of a quarter-wave plate for Gaussian beams / J. Poirson, T. Lanternier, J. Cotteverte, A. L. Floch, F. Bretenaker // Appl. Opt. -1995. V.34. — P.6806-6818.

10. Смоленский, Двойное лучепреломление света в магнитоупорядоченных кристаллах / Г.А. Смоленский, Р.В. Писарев, И.Г. Синий // УФН. 1975. -Т.116. Вып.2.-С. 231-270.

11. Ахмадуллин, И.Ш. Магнитное двулучепреломление света в гематите / И.Ш.Ахмадуллин, В.А.Голенищев-Кутузов, С.А.Мигачев, М.Ф.Садыков // ФТТ. 2002. - Т.44. - Вып.2. - С.321-324.

12. Новиков, М.А. Анизотропия эффекта Фарадея в кристаллическом кварце / М.А. Новиков, А.А. Хышов // ФТТ. 1998. - Т. 40. Вып. 11.- С.2035-2036.

13. Savenkov, S.N. Eigenanalysis of dichroic, birefringent, and degenerate poraization elements: a Jones-calculus study / S.N. Savenkov, O.I. Sydoruk, R.S. Muttiah // Applied optics. 2007. - V.46. - P.6700-6709.

14. Bretenaker, F. Laser eigenstates in the framework of a spatially generalized Jones matrix formalism / F. Bretenaker, A. Le. Floch // JOSA B. 1991. -V.8. -P.230-238.

15. Graham, G. Light propagation in cubic and other anisotropic crystals / G. Graham, R.E. Raab //Proc. R. Soc. London Ser. A. 1990. -V. 430. - P. 593-614.

16. Graham, G. Eigenvector approach to the evaluation of the Jones N matrices of nonabsorbing crystalline media / G. Graham, R.E. Raab // JOSA. 1994. - V.l 1. -P. 2137-2144.

17. Fymat, A.L. Jones's matrix representation of optical instruments. I: Beam splitters / A.L. Fymat // Applied optics. 1971. - V.l0. - P.2499-2505.

18. Fymat, A.L. Jones's matrix representation of optical instruments. 2: Fourier interferometers (spectrometers and spectropolarimeters) / A.L. Fymat // Applied optics. 1971. - V. 10. -P.2711-2716.

19. Moreno, I. Jones matrix for image-rotation prisms / I. Moreno // Applied optics. 2004. -V.43. -P.3373-3381.

20. Azzam, R.M.A. Measurement of the Jones Matrix of an optical system by return-path null ellipsometry / R.M.A. Azzam // J. Mod. Opt. 1981. - V.28. -P.795-800.

21. Jones, R.C. A new calculus for the treatment of optical systems. IV. Experimental determination of the matrix / R.C. Jones // JOS A. 1947. - V.37. -P.l 10-112.

22. Борн, M. Основы оптики / M. Борн, Э. Вольф // М.: Наука. 1970. -720 с.

23. Dehoop, А.Т. Time domain reciprocity of the electromagnetic fields in dispersive media / A.T. Dehoop // Radio. Sci. 1987. - V.22. - P.l 171-1178.

24. Brosseu, C. Time reversal symmetry-induced restrictions in polarization optics / C. Brosseu // Pure Appl. Opt. 1996. - V.5. - P. 755-759.

25. Новиков, M.A. Невзаимные оптические эффекты во внешнем магнитном поле / М.А. Новиков // Кристаллография. 1979. - Т.24. Вып.4. - Р.666-671.

26. Bhandari, R. Transpose symmetry of the Jones matrix and topological phases / R. Bhandari // Opt. Let. 2008. - V.33. - P.854-856.

27. Ландау, Л.Д., Электродинамика сплошных сред / Л.Д. Ландау, Е.М. Лифшиц // М.: Наука. 1982. - 620 с.

28. Vansteenkistie, N Optical reversibility theorems for polarization: application to remote control of polarization / N. Vansteenkiste, P. Vignolo, A. Aspect // JOS A. — V.10. -P.2240-2245.

29. Кравцов, H.B. Невзаимные эффекты в кольцевых лазерах / Н.В. Кравцов, Н.Н. Кравцов // Квантовая электроникаю 1999, Т.27. - Вып.2. - С.98-120.

30. Андронова, И.А. Физические проблемы волоконной гироскопии на эффекте Саньяка / И.А. Андронова, Г.Б. Малыкин // УФН. 2002. - Т. 172. Вып.8. -Р.849-873.

31. Кринчик, Г.С. Физика магнитных явлений / Г.С. Кринчик // М.: Изд-во МГУ. 1985.-368 с.

32. Гриднев, В.Н. Эффекты пространственной дисперсии в магнитооптике /

33. B.Н. Гриднев, Б.Б. Кривчевцов, В.В. Павлов, Р.В. Писарев, A.A. Ржевский // ФТТ. 1998. - Т.40. Вып.5. - С.946-948.

34. XI9 Novikov, М.А. New magneto-optical effects in anisotropic crystals and methods for their experimental study / M.A. Novikov, A.A. Khyshov, V. V. Ivanov, D.V. Shabanov / Proc. SPIE. 1999. - V.3733. - P.31-37.

35. Маркелов, B.A. Экспериментальное наблюдение нового невзаимного магнито-оптического эффекта / В.А. Маркелов, М.А. Новиков, A.A. Туркин // Письма в ЖЭТФ. 1977. - Т.25. Вып.9. - С.404-407.

36. Новиков, М.А. Эффекты вынужденной оптической анизотропии в кристаллах. III. Эффект Фарадея в оптически активных кристаллах / М.А. Новиков //Кристаллография. ~ 1989. Т.34. Вып.6. - С.666-671.

37. Новиков М.А., Геликонов Г.В. // Опт. и спектр. — 1993. т.75. - Вып.4.1. C. 854-860.

38. Х8 Киян, Р.В. Двунаправленный кольцевой волоконный лазер с 90° фарадеевским вращателем в качестве фазового невзаимного элемента. I. Теория / Р.В. Киян, A.A. Фотиади, О.В. Шакин // Письма в ЖТФ. 2003. -Т.29. Вып.9. - С.24-28.

39. Х9 Бойко, Д.Л. Амплитудная и фазовая невзаимности резонаторов монолитных твердотельных кольцевых лазеров / Д.Л. Бойко, Ю.Д. Голяев, Д.Г. Леженин // Квантовая электроника. 1997. - Т.24. Вып.З. - С.235-239.

40. XI0 Киян, Р.В. Двунаправленный кольцевой волоконный лазер с 90° фарадеевским вращателем в качестве фазового невзаимного элемента. II.

41. Эксперимент У Р.В. Киян, А.А. Фотиади, О.В. Шакин // Письма в ЖТФ. -2003. Т.29. Вып.11. -С.20-29.

42. Potton, R.J. Reciprocity in optics / R.J. Potton // Rep. Prog. Phys. 2004. -V.67.-P. 717-754.

43. Ярив, А Оптические волны в кристаллах / А. Ярив, П. Юх // М.: Мир. — 1987.-616 с.

44. Chandrasekharam, V. Birefringence of Sapphire, Magnesium Fluoride, and Quartz in the Vacuum Ultraviolet, and Retardation Plates / V. Chandrasekharam, H. Damany // Applied optics. 1968. - V.7. - P.939-941.

45. Hale, P.D. Stability of birefringent linear retarders (waveplates) / P.D. Hale, G.W. Day// Applied optics. 1988. -V.27. -P.5146-5153.

46. Ландсберг, Г.С. Основы оптики / Г.С. Ландсберг // М.: Физматлит. -2003.-848 с.

47. Jones, R.C. A new calculus for the treatment of optical systems. II. Proof of three general equivalence theorems / R.C. Jones // JOS A. 1941. - V.31. -P. 493-499.

48. Hammer, H. Characteristic parameters in integrated photoelasticity: an application of Poincare's equivalence theorem / H. Hammer // J. Mod. Opt. — 2004. V.51. -P.597-618.

49. Войтович, А.П. Лазеры с анизотропными резонаторами / А. П. Войтович, В.Н. Севериков // Минск.: Наука и техника. 1988. - 270 с.

50. Алексеев, Э.И. О подстройке поляризации в волоконном кольцевом интерферометре / Э.И. Алексеев, Е.Н. Базаров, В.Г. Израелян // Квантовая электроника. 1984.-T.il. Вып. 1. С. 171 -173.

51. Savenkov, S.N.Generalized matrix equivalence theorem for polarization theory / S. N. Savenkov, V. V. Marienko, E. A. Oberemok, O. Sydoruk // Phys. Rev. E. 2006. - V.74. - P.1-8.

52. Moreno, I. S. Polarization eigenvectors for reflective twisted nematic liquid crystal displays / I. S. Moreno, C. Femandez-Pousa, J. A. Davis, D.J. Franich // Opt. Eng. -2001.- V.40. P.2220-2226.

53. Гольцер, И.В. Оптически активный аналог четвертьволновой пластинки / И.В. Гольцер, М.Я. Даршт, Б.Я. Зельдович, Н.Д. Кундикова // Квантовая электроника. 1993. -Т.20. Вып.8 - С.916-918.

54. Goltser, I.V. An adjustable quarter-wave plate / I.V. Goltser, M. Ya. Darsht, N.D. Kundikova, B.Ya. Zel'dovich // Opt. Comm. 1993. - V.97. - 291.

55. Гольцер, И.В. Четвертьволновая пластинка, перестраиваемая в некотором диапазоне длин волн / И.В. Гольцер, М.Я. Даршт, Б.Я. Зельдович, Н.Д. Кундикова, Л.Ф. Рогачева // Квантовая электроника. 1995. - Т.22. Вып.2.-С,201-204.

56. Бибикова, Э.А. Преобразование поляризации когерентного света составной фазосдвигающей системой / Э.А. Бибикова, Н.Д. Кундикова, Л.Ф. Рогачева // Изв. Челябинского научного центра. — 2004. Вып.З. С.21-25.

57. Кундикова Н.Д. Метод определения параметров фазовых пластинок / Н.Д. Кундикова, Л.Ф. Рогачева, В.В. Чирков // Изв. Челябинского научного центра. 2000. Вып.1. -С.1-5.

58. Darsht, M.Ya. An adjustable half-wave plate / M. Ya. Darsht, I.V. Goltser, N.D. Kundikova, B. Ya. Zel'dovich // Appl. Opt. 1995. - V.34. - P.3658-3661.

59. Jones R.C. A new calculus for the treatment of optical systems. III. The Sohncke theory of optical activity / R.C. Jones // JOSA. 1941. - V.31. -P.500-503.

60. Fox, A.G. An adjustable waveguide phase changer / A.G. Fox // Proc. SPIE. -1947. — V.35. — P.1489-1498.

61. Pancharatnam, S. Achromatic combinations of birefringent plates / S. Pancharatnam // Proc. Indian Acad. Sci. A. 1955. - V.41. - P. 137-144.

62. Freeman, M.O. Quantized complexferroelectric liquid crystal spatial light modulators / M.O. Freeman, T.A. Brown, D.M. Walba // Appl. Opt. 1992. -V.31. -P.3917-3929.

63. Bhandari, R. Halfwave retarder for all polarization states / R. Bhandari // Appl. Opt 1997.- V.36.-P.2799-2801.

64. Bhandari R., Polarization of light and topological phases // Phys. Reports, 1997,281, 1-64.

65. Stedman, G.E. Sideband analysis and seismic detection in a large ring laser / G. E. Stedman, Z. Li, H. R. Bilger // Applied Optics. 1995. - V.34. -P.5375-5385.

66. Новиков, M.A. Поляризационный кольцевой интерферометр-эллипсометр / M.A. Новиков // Оптика и спектроскопия. 1986. - т.61. Вып. 2. - С.24-27.

67. Новиков, М.А. Анизотропия невзаимного линейного двупреломления в кристаллах / М.А. Новиков, А.А. Хышов // Письма в ЖТФ. 1998. - Т.24. Вып.4. - С.13-18.

68. Андронова, И.А. Особенности измерения невзаимных эффектов с помощью волоконного интерферометра Саньяка / И.А. Андронова, Ю.А. Мамаев // Опт. и спектроскопияю 1996. - Т.80. Вып.1. - С. 108-110.

69. Малыкин, Г.Б., Анализ возможности измерения невзаимного линейного двулучепреломления в кварцевом волокне с помощью поляризационного кольцевого интерферометра / Г.Б. Малыкин // Опт. и спектроскопия. 1996. -Т.80. Вып.2. - С. 280-283.

70. Новиков, М.А. Дисперсия невзаимного линейного двупреломления в кристаллах / М.А. Новиков, А.А. Хышов // Опт. и спектроскопия. 1999. -Т.87. Вып.3.-С. 416-419.

71. Bhandari, R. Cancellation of simple optical anisotropics without use of a Faraday mirror / R. Bhandari // Opt. Letters/ 2008. - V.33. P. 1839-1841.

72. Геликонов, В.M. О компенсации двупреломления в одномодовых волоконных световодах / В.М. Геликонов, Д.Д. Гусовский, В.И. Леонов, М.А. Новиков // Письма в ЖТФ. 1987. - Т. 13. Вып. 13. - С.775-779.

73. Martinelli, M. A universal compensator for polarization changes induced by birefringence on a retracing beam / M. Martinelli // Opt. Comm. 1989. - V.72. -P.341-343.

74. Kersey A.D. Polarisation-insensitive fibre optic Michelson interferometer /

75. A.D. Kersey, M.J. Marrone, M.A. Davis // Electron. Lett. 1991. - V.27. -P.518-520.

76. Duling N. Single-polarisation fibre amplifier / N. Duling, R.D. Esman // Electron. Lett. 1992. - V.28. - P.l 126-1128.

77. Giles C.R. Suppression of polarisation holeburning-induced gain anisotropy in reflective EDFAs / C.R. Giles // Electron. Lett. 1994. - V.30. - P.:976-977.

78. Геликонов, В.М. Фарадеевский компенсатор взаимной анизотропии на основе поляризационного кольцевого интерферометра / В.М. Геликонов, Г.

79. B. Геликонов, В.В. Иванов, М.А. Новиков // Письма в ЖТФ. 1999. - Т.25. -Вып. 10. - С.57-63.

80. Khazanov, E.A. Investigation of self-induced depolarization of laser radiation in terbium gallium garnet / E.A. Khazanov, O.V. Kulagin, S. Yoshida, D. Tanner, D. Reitze // IEEE J. Quantum Electron. 1999. - V.3 5. - P. 1116-1122.

81. Хазанов, E.A. Компенсация термонаведенных поляризационных искажений в вентилях Фарадея / Е.А. Хазанов // Квантовая электроника. -1999. Т.26. Вып. 1. - С.59-64.

82. Aspnes, D.E. Optical approaches to the determination of composition of semiconductor alloys during epitaxy / D.E. Aspnes // IEEE J. Sel. Top. Quantum Electron. 1995. V.l. - P. 1054.

83. Stringfellow, G.B. OrganometallicVapor-Phase Epitaxy / G.B. Stringflow // San Diego.: Academic Press. 1999. - P. 373-378.

84. Thompson, G. A. In-situ controls for MOVPE manufacturing / Alan G. Thompson, R. Karlicek, E. Armour, W. Kroll, P. Zawadzki, R. A. Stall // III-V Review. 1995. - V.9. - P. 12.

85. Haberland, K. Spectroscopic process sensors in MOVPE device production / K. Haberland, P. Kurpas, M. Pristovsek, J.-T. Zettler, M. Weyers, W. Richter // Appl.Phys. A. 1999. - V.68. - P.309.

86. Sankur, H. Noncontact, highly sensitive, optical substrate temperature measurement technique / H. Sankur, W. Gunning // Appl. Phys. Lett. 1990. -V.56. - P.2651-2653.

87. Магунов, A.H. Лазерная термометрия твёрдых тел / А.Н. Магунов // М.: Физматлит. 2001. - 224 с.

88. Лукьянов, А.Ю. Бесконтактный оптический контроль скорости роста и температуры в процессе металлорганической газофазной эпитаксии / А.Ю. Лукьянов, М.А. Новиков, О.В. Сколотов, В.И. Шашкин // Письма в ЖТФ. -1993. Т.19. Вып.1. - С.7-9.

89. Habchi, М.М. Laser reflectometry in situ monitoring of InGaAs grown by atmospheric pressure metalorganic vapour phase epitaxy / M.M. Habchi, A. Rebey, A. Fouzri, B. El Jani // Applied Surface Science. 2006. - V. 253. - 2006. P.275-278.

90. Harris, J.J. Evaluation of sapphire substrate heating behaviour using GaN band-gap thermometry / J.J. Harris, R. Thomson, C. Taylor, D. Barlett, R.P. Campion, V.A. Grant, C.T. Foxon, M.J. Kappers // J. Crystal Growth. 2007. -V.300. - P.194-198.

91. Ivanov V.V. et. all. Remote gauging with fibre optic low coherence tandem interferometry: new industrial applications. // Proc. SPIE, 2002, vol. 4900, P.548-555.

92. Федоров, Б.Ф. Оптический квантовый гироскоп / Б.Ф. Федоров, А.Г. Шереметьев, В.Н. Умников // М.: Машиностроение. 1973. - 222 с.

93. Корн, Г. Справочник по математике/ Г. Корн, Т. Корн // М.: Наука. -1970.-720 с.

94. Шабанов, Д.В. Использование интерферометра Саньяка для измерения невзаимного двулучепреломления в поперечном магнитном поле / Д.В. Шабанов, М.А. Новиков // Письма в ЖТФ. 1997. - Т.23. Вып.19. - С.30-34.

95. Yurek, A. Quantum noise in superluminescent diodes / A. Yurek, H. Taylor, L. Goldberg, J. Weller, A. Dandridge // IEEE J. of Q. Electronics. 1986. V.22. - P.522-527.

96. Геликонов, B.M. О взаимосвязи НЧ флуктуаций интенсивности излучения и флуктуаций напряжения в полупроводниковых лазерах / В.М. Геликонов, Ю.М. Миронов, Я.И. Ханин // Квантовая электроника. 1988. -Т.15. - Вып. 10. - С. 1999-2008.

97. Yamamoto, Y. AM and FM quantum noise in semicondactor lasers — part I: theoretical analysis / Y. Yamamoto // IEEE J. of Q. Electronics. 1983. - V.19. -P.34-46.

98. Yamamoto, Y. AM and FM quantum noise insemicondactor lasers part II: comparison of theoretical and experimental results for AlGaAs lasers / Y. Yamamoto, S. Saito, T. Mukai // IEEE J. of Q. Electronics. - 1983. - V.19. -P.47-58.

99. ЮЗ.Запасский, B.C. Методы высокочувствительных поляриметрических измерений / B.C. Запасский // Журнал прикладной спектроскопии. 1982. -Т.37. - Вып.2. - С.181-196.

100. Wong, Y.H. Subsurface structures of solids by scanning photoacoustic microscopy / Y.H. Wong, R.L. Thomas, G.F. Hawkins // Appl. Phys. Lett. 1979. - V.35. — P.368-369.

101. Куксенко, B.C. Прогнозирование потери устойчивости нагруженных элементов конструкций методом акустической эмиссии / B.C. Куксенко, Н.Г. Томилин, Х.Ф. Махмудов, А.В. Бенин // Письма в ЖТФ. 2007. - Т.ЗЗ. Вып.2.-С.31-35.

102. Rosencwaig, A. High-resolution photoacoustic thermal-wave microscopy / A. Rosencwaig, G. Busse I I Appl. Phys. Lett. 1980. - V.36. - P.725-727.

103. Бондаренко, A.H. Лазерные методы возбуждения и регистрации акустических сигналов / А.Н. Бондаренко // М.: Изд-во стандартов. 1989. -115 с.

104. Базылев, П.В. Двухканальный лазерный приемник ультразвуковых колебаний / П.В. Базылев // Приборы pi техника эксперимента. 2003. -Вып.1 С.110-111.

105. Alcoz, J.J. Embedded fiber-optic Fabry-Perot ultrasound sensors / J.J. Alcoz, C.E. Lee, H.F. Taylor // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. 1990. -V.37. - P.302-306.

106. Pierce, S.G. Surface-bonded and embedded optical fibers as ultrasonic sensors / S.G. Pierce, W.R. Philp, A. Gachagan, A. McNab, G. Hayward, B. Culshaw 11 Appl. Opt. 1996. - V.35. - P.5191-5197.

107. Jang, T.S. Noncontact detection of ultrasonic waves using fiber optic sagnac interferometer /T.S. Jang, S.S. Lee, I.B. Kwon, W.J. Lee, J.J. Lee // IEEE Trans. Ultrason., Ferroelect., Freq. Contr. 2002. - V.49. - P.767-775.

108. Морозов, A.H. Основы Фурье-спектрорадиометрии. / А.Н. Морозов, С.И. Светличный // М.: Наука. 2006. - 280 с.

109. Venkatesh S. System for determining the thickness and index of refraction of a film / S. Venkatesh, B. Heffner, W. Sorin // Patent EP0762078. 1997.114.3айдель, A.H. Погрешности измерений физических величин / А.Н. Зайдель // Л.: Наука. 1985. - 112 с

110. Список работ автора по теме диссертации.

111. A3. Хышов, A.A. Поляризационные кольцевые интерферометры и их использование для исследования невзаимных оптических эффектов / A.A. Хышов, П.В. Волков, М.А. Новиков // Изв. Вузов. Радиофизика, 2007. -Т.50. Вып.5. - С.441-452.

112. А6. Волков, П.В. Интерферометрический способ , измерения толщины и показателя преломления прозрачных объектов / П.В. Волков, A.B. Горюнов, А.Д. Тертышник // Патент RU2313066С1. 2007.

113. A.Ю. Лукьянов, А.Д. Тертышник // Стекло и керамика. 2008. - Вып.5. -С.8-11.

114. А10. Volkov, P.V. Novel technique for monitoring of MOVPE processes / P.V. Volkov, A.V. Goryunov, V.M. Daniltsev, A.Yu. Luk'yanov, D.A. Pryakhin, A.D. Tertyshnik, O.I. Khrykin, V.I. Shashkin // Journal of Crystal Growth. 2008. V. 310.-P. 4724-4726.

115. B.В. Кононенко, В.И. Конов, С.М. Пименов, П.В. Волков, А.В. Горюнов, В.В. Иванов, М.А. Новиков, В.А. Маркелов, А.Д. Тертышник, С.С. Уставщиков // Квантовая Электроника. 2005. - Т.35. Вып.7. - С. 622-626.

116. A16. Volkov, P.V. Short surface acoustic pulses registration with polarization interference method / P.V. Volkov, Optics 2003: Proceedings of topical meetings, Saint-Petersburg, Russia, October 20-23, 2003. P. 16.