Жидкие кристаллы в голографии

Голография — способ записи и восстановления волнового поля, основанный на регистрации интерференционной картины. Как мы помним, интерференционная картина — это результат интерференции двух лучей. Какие же лучи интерферируют здесь? Монохроматический и когерентный луч лазера разделяют на два луча.

Один направляем на предмет, изображение которого мы хотим получить, и он отражается от предмета. Второй луч является опорным. Оба луча попадают на прозрачную фотопластинку и интерферируют между собой. Результат интерференции фиксируется пластинкой и называется голограммой (рис. 40).

Информация о предмете на голограмме «зашифрована» в виде интерференционной картины, причем каждый участок голограммы несет в себе информацию об объекте. Это означает, что, отрезав часть пластинки, мы все равно получим изображение всего предмета, правда, качество будет хуже.

Голограмма обладает замечательным свойством. С нее можно получить изображение, облучая пластинку лучом лазера не обязательно той же длины волны, что при записи.

Создатели оптических вычислительных машин, которых с нетерпением ждут инженеры, расчетчики, ученые, ибо такая машина будет обладать огромным быстродействием, малыми габаритами и другими преимуществами, обратили пристальное внимание на голограммы. А что, если использовать голограмму в качестве оперативной памяти? Ведь на голографическую пластинку можно записать очень большую информацию.

К примеру, пластинка размером 10 х 10 см может вместить в себя свыше миллиарда байт информации. (Для справки: один байт — это восьмизначное число, записанное в двоичном коде.) Для сравнения отметим, что оперативная память наиболее совершенных сейчас электронных вычислительных машин серии ЕС, выполненная на интегральных схемах, представляет собой «чемоданчик» размером 66 х 44,5 х 98,5 см. Масса «чемоданчика» около 25 кг, он содержит 64 000 байт информации.

Сомнений нет, применять голограмму для создания оптической памяти просто необходимо! Исследования показали, что и здесь не обойтись без жидкого кристалла в виде бутерброда с фотополупроводником. Несомненный интерес представляет запись информации с машины на голограмму непосредственно с электронно-лучевой трубки. Ведь информация заносится на голограмму в виде плоской картины, матрицы чисел, графиков.

Но с экрана трубки записать голограмму невозможно: излучение немонохроматическое и некогерентное. Жидкий кристалл и здесь выручил. Идея очень простая. Картина с экрана трубки с помощью линзы проецируется на оптическую ячейку, содержащую жидкий кристалл и слой фотополупроводника. Дальнейший процесс, происходящий в нематике, ясен, мы его уже разбирали — информация получается в виде совокупности точек разной прозрачности. Ну а дальше — дело техники записи голограмм.

Нематик-контролер. Микроминиатюризация! Это понятие надолго определило основное направление развития электроники. Интенсивные работы физиков, химиков, электронщиков, технологов в течение трех последних десятилетий привели к тому, что размеры электронных приборов уменьшились в сотни и тысячи раз.

В настоящее время большое распространение получили интегральные схемы. Для создания целых блоков и узлов интегральных схем, связанных между собой электрически, используются различные свойства твердого тела, особенно полупроводников. Кроме того, все элементы, из которых состоит интегральная схема, связаны конструкционно и технологически.

Это означает, что процесс изготовления интегральной схемы является единым технологическим процессом. За счет различной обработки отдельных участков им придаются свойства различных элементов (диодов, транзисторов и др.). Арсенал методов создания таких элементов велик, велико и число стадий, которые проходит исходная пластинка, прежде чем стать интегральной схемой. Вполне естественно, что после каждой стадии производства возможно появление тех или иных дефектов. Вовремя обнаруженный дефект позволяет его исправить.

Поэтому необходимо контролировать качество изделий после каждой стадии изготовления интегральных схем. Требования к методу контроля весьма высокие: он должен быть очень чувствительным, ведь размеры элементов бывают очень малыми. В современных интегральных схемах на каждый 1 мм² приходится около 10⁵ элементов. Несложный подсчет показывает, что размер элемента, а следовательно, и возможного дефекта составляет около 1 мкм.

Нематический жидкий кристалл оказался пригодным для контроля качества изготовления интегральных схем на разных стадиях. С помощью нематиков можно определить дефектность слоя двуоксида кремния SiО₂ или других оксидов, слоя фотосопротивления. Принцип действия нематика основан на В-эффекте. В-эффектом называется электрооптический эффект перехода гомеотропной текстуры нематика с отрицательной диэлектрической анизотропией в планарную под действием электрического поля (см. рис. 26).

На исследуемый слой SiО₂ наносится нематик, который накрывается стеклянной пластинкой с токопроводящим слоем. Текстура нематика гомеотропная. Вторым электродом служит кремниевая пластина, которая покрыта SiО₂ (рис. 41, а).

Удельное сопротивление двуоксида кремния значительно больше, чем у нематика. Поэтому приложенное к такой ячейке напряжение подается на слой SiО₂ и молекулы нематика не изменят ориентации. В скрещенных поляроидах микроскопа поле зрения будет темным. Если же в слое SiО₂ будет дефект, например пора, то напряжение будет подаваться на слой нематика. Это приведет к тому, что, как только это напряжение станет больше порогового В-эффекта, начнется разориентация молекул (рис. 41, 6).

Их длинные оси образуют конус, и в скрещенных поляроидах это место будет видно под микроскопом. Размер изображения гораздо больше самого дефекта. Это позволяет визуализировать очень малые дефекты. Без нематического жидкого кристалла такие дефекты можно было обнаружить только с помощью электронного растрового микроскопа. Например, пора размером 2 мкм визуализирована с помощью электронного микроскопа с увеличением 10 000 раз.

С помощью нематика ее можно обнаружить при напряжении на ячейке 5 В (увеличение микроскопа 120). Поры размером 0,2 мкм с помощью нематика наблюдаются при напряжении 15,4 В. С ростом напряжения на жидкокристаллической ячейке число выявленных дефектов увеличивается и все меньшие по размеру дефекты можно обнаружить. Чувствительность этого метода 0,05 мкм при U = 45 В.

Нематик-контролер позволяет определить не только размер дефекта, но и его характер: сквозная, несквозная пора или выступ на поверхности.

Для создания системы контактов в пленке оксида делаются сквозные окна. Если в окне остается оксид, то это является причиной брака интегральной схемы. Нематик в районе окна, как мы уже видели, при определенном напряжении начинает светиться. Оказалось, что напряжение, при котором появляется светящийся крест при скрещенных поляроидах, зависит от толщины остаточного слоя оксида d. Если иметь график зависимости напряжения от толщины, то по напряжению высвечивания на исследуемой интегральной схеме можно определить толщину оставшегося в окне оксида.

С помощью нематика можно определить имеющиеся обрывы металлизированного слоя, т. е. наш контролер позволяет довольно быстро и наглядно проверить работоспособность схемы.