ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2008, том 105, № 3, с. 505-510

ФИЗИЧЕСКАЯ ^^^^^^^^^^^^^^^^ ОПТИКА

УДК 535.016,535.012.21,538.975

ПОКАЗАТЕЛЬ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ТОНКОЙ ОДНОРОДНОЙ ПЛЕНКИ SÍO2

© 2008 г. С. В. Мутилин*, Т. Хасанов**

*Новосибирский государственный университет, 630090 Новосибирск, Россия **Институт физики полупроводников Сибирского отделения РАН, 630090 Новосибирск, Россия

Поступила в редакцию 06.08.2007 г.

Представлены результаты исследования влияния неоднородности по толщине на показатель преломления пленок SiO2. Пленки SiO2, нанесенные методом пиролиза тетраэтоксисилана на плоскопараллельных подложках ориентированного кристаллического кварца и на пластине кремния, подвергались послойному травлению в растворе Плискина. Рассчитывались показатель преломления и геометрическая толщина пленок из измеренных эллипсометрических углов после каждого травления. Представлен численный анализ точности определения показателя преломления в зависимости от толщины пленки за счет экспериментальных ошибок измерений поляризационных углов и параметров подложки. Для пленок SiO2 толще 20 нм влияние неоднородности не обнаружено. При меньших толщинах наблюдалась зависимость показателей преломления от толщины. Обсуждены причины таких зависимостей.

ВВЕДЕНИЕ

К настоящему моменту имеется относительно небольшое количество экспериментальных работ, в которых проводились целенаправленные исследования влияния неоднородности и границ раздела на оптические свойства тонких пленок. Проблема заключается в том, что до сих пор нет однозначного ответа на вопрос, насколько меняются оптические свойства вещества и меняются ли вообще при уменьшении размеров структуры и насколько важен учет влияния переходного слоя. Многие работы противоречат друг другу. Более того, опубликовано большое количество работ, в которых этими эффектами просто пренебрегали. В подобных статьях используются объемные значения физических параметров очень тонких пленок, т.е. не учитывается взаимодействие слоев в пограничном пространстве . Получение структур без переходных областей является весьма проблематичным. Во многих работах сообщается об отличии показателя преломления тонких пленок БЮ2 от объемного значения. Однако однозначный ответ о причинах такого отличия отсутствует. Например, был проведен анализ возможности измерений при помощи эллип-сометрии показателя преломления для пленок тоньше 20 нм с одновременным определением оптических параметров подложки . В качестве подложки применялся анизотропный кристаллический кварц, вырезанный параллельно оптической оси. Из измерений для двух ориентаций подложки с использованием определенных алгоритмов решения обратной задачи эллипсометрии изотропной пленки на анизотропной подложке

были вычислены однозначно значения толщины и показателя преломления пленки. Так, при измерении пленок БЮ2 на кристаллическом кварце была выявлена зависимость показателя преломления от толщины пленки. При уменьшении толщины показатель преломления уменьшался. Эти эффекты проявлялись при толщинах, начиная с 40 нм и меньше. Для толщин порядка 10 нм показатель преломления падал от 1.46 (его объемное значение) до 1.44. Данный факт был отмечен, как один из непринципиальных выводов работы. Особого внимания данной зависимости уделено не было. Однозначное объяснение отсутствовало. Аналогичное явление (уменьшение показателя преломления для тонкой пленки) было обнаружено для системы Т1-ТЮ2 . Необходимо отметить, что в упомянутых работах не ставился вопрос об изучении отличных от объемного значения показателей преломления. Впервые этот вопрос целенаправленно исследовался для системы пленка БЮ2 на кремниевой подложке . Все измерения проводились на эллипсометре на длине волны 632.8 нм. Авторы провели тщательный анализ возможных ошибок в расчете оптических констант и многочисленные эксперименты. Показали, что определенные ими отличия выходят за границы допустимых ошибок измерений. Показатель преломления начинает расти при уменьшении толщин от 30 нм. В районе 10 нм он имеет значение, равное в среднем 1.65 для разных пленок. Более того, выявляется закономерная картина зависимости показателя преломления от толщины, не характерная для случайных ошибок. Это послужило поводом рассматривать обнаруженный эффект как фундаментальное явление.

Возможно, такое заключение (о фундаментальной природе зависимости) было дано авторами, поскольку ими же были проведены эксперименты с пленками Si3N4 также на кремниевой подложке . В этой работе тоже была выявлена зависимость показателя преломления от толщины пленки. Однако позже появилась работа, в которой пересматриваются результаты предыдущих публикаций . В работе исследуется все та же система: кремний-аморфный диоксид кремния. Были проведены новые эксперименты и показано, что в пленке имеется переходный слой, состоящий из смеси SiO2 + a-Si, с показателем преломления, характерно завышенным относительно SiO2. Именно это и вызывало зависимость показателя преломления от толщины.

Наличие переходного слоя, состоящего из смеси двуокиси кремния, аморфного и кристаллического кремния, и нечеткость границы (наличие шероховатости) были доказаны при исследовании границы раздела Si-SiO2 . В некоторых работах предлагается, не вдаваясь в природу переходного слоя, использовать эффективные показатели преломления для определения оптических параметров пленки .

Одним словом, все вышеперечисленные исследования касались либо границы раздела, либо выявленная зависимость упоминалась лишь вскользь. Интересно комплексное исследование данного явления. Важно установить степень влияния возможной неоднородности пленки и наличия переходного слоя на границе раздела на получаемые оптические результаты. Для этого в настоящем сообщении исследованы пленки SiO2, выращенные на различных подложках. Проводились целенаправленные эксперименты на классической системе Si-SiO2. Чтобы исключить влияние взаимодействия Si-SiO2 на границе раздела с образованием каких-либо переходных фаз (смеси a-Si + SiO^ + SiO2), необходимо найти подложку с химически устойчивыми свойствами и минимальным влиянием на пленку SiO2. Кристаллический кварц является материалом, стабильным к внешним воздействиям, поэтому можно предположить, что подложка не будет взаимодействовать с пленкой. Более того, плавленый кварц на кристаллическом кварце - это фактически система SiO2-SiO2. И не стоит ожидать переходного слоя, обусловленного наличием непредельного оксида кремния, что минимизирует влияние переходного слоя на результаты одновременного определения показателя преломления и толщины пленки SiO2. Кроме того, кристаллический кварц, так же как и плавленый, является хорошо изученным и прозрачным в области зондируемых длин волн, коэффициент поглощения практически равен нулю.

ЭЛЛИПСОМЕТРИЯ

Как известно, при взаимодействии света с объектом исследования происходит зеркальное отражение, преломление, рассеяние и изменение состояния поляризации. Последнее весьма чувствительно к изменениям оптических параметров исследуемого объекта, что и является основой эл-липсометрии. В эллипсометрии сравниваются эллипсы поляризации до и после взаимодействия света с исследуемой системой. Закон взаимодействия падающей волны с оптической системой можно представить в виде простого линейного преобразования вектора Джонса этой волны

где Еп, Евых - комплексные амплитуды до и после взаимодействия световой волны с оптической системой, Т - матрица Джонса для оптической системы:

Элементы Ту матрицы Джонса являются в общем случае комплексными числами, и выражение (1) характеризует изменение состояния поляризации при взаимодействии света с любыми многослойными анизотропными или изотропными оптическими системами. Для отражающей системы матрицу Джонса Т можно поменять на матрицу отражения Я

Здесь Ярр, - комплексные коэффициенты отражения для света, поляризованного в плоскости падения (р-направление) и перпендикулярно ей (5-направление); Яр5, Я5р - недиагональные элементы матрицы Джонса, обусловленные анизотропией отражающей системы. При отражении от любой многослойной изотропной отражающей системы недиагональные элементы матрицы Джонса отражения Яр5, Я5р равняются нулю. Заметим, что параметр

р = Rpp/Rss = tg Т е

представляет собой ту величину, которая описывает поляризацию света после отражения от изотропной, в общем случае многослойной системы. Углы Т и А, характеризующие относительный коэффициент отражения, обычно называют поляризационными углами отражающей системы или эллипсометрическими параметрами, а уравнение (2) - основным уравнением эллипсометрии . При одном угле падения света на образец, измеряя углы у, А и решая уравнение (2), можно

определить два любых неизвестных параметра отражающей системы. Более подробную информацию можно найти в монографиях .

ПОДГОТОВКА ОБРАЗЦОВ И ПРИБОРОВ ДЛЯ ЭКСПЕРИМЕНТА

Пленки БЮ2 толщиной около 100 нм были нанесены в одной камере на несколько плоскопараллельных подложек из кристаллического кварца, вырезанных параллельно оптической оси, и на пластину кремния. Подложки из кристаллического кварца предварительно были полированы и по-разному химически обработаны. Один из образцов из кристаллического кварца (образец № 1) был изготовлен тщательным образом. Пластинка была строго плоскопараллельной. Результаты измерения показали, что клиновидность для этого образца не превышает 10"". Проверка ориентации оси X (ориентация оптической оси относительно поверхности) была осуществлена на дифракционной рентгенографической установке "Дрон", угол наклона составил менее 3". До нанесения пленки поверхность была отчищена от абразивного материала в специальном растворе. Другие два образца (№ 2, № 3) имели клиновидность порядка 1°, а наклон оптической оси относительно поверхности составил несколько градусов. У этих образцов после полировки была проведена химическая обработка, однако в отличие от образца № 1 до нанесения пленки поверхность не была отчищена от абразивного материала в специал

БАТУРИН А.С., БОРМАШОВ В.С., ГАВРИЛЕНКО В.П., ЗАБЛОЦКИЙ А.В., ЗАЙЦЕВ С.А., КУЗИН А.Ю., ТОДУА П.А., ФИЛИППОВ М.Н. - 2013 г.

2.1.

Тонкая пленка на поверхности линзы дает минимум в отраженном свете для зеленого цвета. Чтобы минимум достигался для фиолетового цвета, можно …

А. Увеличить толщину пленки при неизменном показателе преломления.

В. Уменьшить толщину пленки при неизменном показателе преломления.

С. Увеличить показатель преломления пленки при той же ее толщине.

D. Уменьшить показатель преломления пленки при той же ее толщине

В или D

На стеклянной линзе нанесена тонкая пленка, дающая минимум в отраженном свете (просветление оптики). Какие параметры влияют на эффект просветления?

А. Толщина пленки.

В. Показатель преломления пленки.

С. Длина волны падающего света.

Только А и В

Если тонкая мыльная пленка освещается светом с длиной волны 0,6 мкм, то разность хода двух отраженных волн для светлой и следующей за ней темной интерференционных полос отличаются на … (в нм)

300 ;

Если разность фаз двух интерферирующих световых волн равна 5p, а разность хода между ними равна м, то эти волны имеют длину

(в нм), равную

4) 500

Формула связи разность хода с разностью фаз имеет вид:

2)

Тонкая стеклянная пластинка с показателем преломления и толщиной помещена между двумя средами с показателями преломления и , причем . На пластинку нормально падает свет с длиной волны . Оптическая разность хода интерферирующих отраженных лучей равна…

Тонкая стеклянная пластинка с показателем преломления и толщиной помещена между двумя средами с показателями преломления и , причем . На пластинку нормально падает свет с длиной волны . Оптическая разность хода интерферирующих отраженных лучей равна…

Тонкая стеклянная пластинка с показателем преломления и толщиной помещена между двумя средами с показателями преломления и , причем . На пластинку нормально падает свет с длиной волны . Оптическая разность хода интерферирующих отраженных лучей равна…

Появление цветных масляных полос на лужах связано с…

1) интерференцией 2) дисперсией 3) аберрацией 4) окрашенностью масла

Дифракция света

Половина дифракционной решетки перекрывается с одного конца непрозрачной преградой, в результате чего число штрихов уменьшается. Что изменится при этом?

А. Расстояние между главными максимумами.

В. Постоянная решетки.

С. Яркость максимумов.

2) только С

Наибольший порядок спектра для длины волны 400 нм, если период дифракционной решетки равен 2 мкм, равняется

5

3.3.

Одна и та же дифракционная решетка освещается различными монохроматическими излучениями. Какой рисунок соответствует освещению светом наибольшей длины волны? (Здесь J

Имеются 4 решетки с различными периодами, освещаемые одним и тем же монохроматическим излучением. Какой рисунок иллюстрирует положение главных максимумов, создаваемых дифракционной решеткой с наименьшим периодом d ? (Здесь J – интенсивность света, j – угол дифракции).

Период дифракционной решеткиd = 5 мкм. Число наблюдаемых главных максимумов в спектре дифракционной решетки для = 760 нм равно:

13 или 6(?)

3.6.

Между точечным источником и точкой наблюдения устанавливают непрозрачный экран, в котором сделано отверстие радиусом равным радиусу первой зоны Френеля. Как изменится интенсивность света в центре экрана?

1) увеличится в 4 раза

Между точечным источником и точкой наблюдения устанавливают непрозрачный экран, в котором сделано отверстие радиусом равным радиусу половины первой зоны Френеля. Как изменится интенсивность света в центре экрана?

3) увеличится в 2 раза

Между точечным источником и точкой наблюдения устанавливают непрозрачный экран, в котором сделано отверстие радиусом равным радиусу двум первым зонам Френеля. Как изменится интенсивность света в центре экрана?

Уменьшится почти до нуля

Действие зонной пластинки Френеля эквивалентно…

1) собирающей линзе

Лазер излучает свет с длиной волны 600 нм. Свет лазера делят на два пучка, которые затем направляют на экран. Определите оптическую разность хода пучков, при которой на экране наблюдается максимум освещенности. 1,2 мкм

Поляризация света

Свет, в котором направления колебаний упорядочены каким-либо образом, называется

1) поляризованным

При падении света под углом Брюстера, отражённый свет имеет следующие свойства:

3) плоско-поляризованный, вектор которого колеблется перпендикулярно плоскости падения

Интенсивность I поляризованного света, прошедшего через идеальный поляризатор, (α – угол между плоскостью колебаний падающего света и плоскостью поляризации):

5)

Для естественного света степень поляризации равна:

2) 0

Степень поляризации Р частично поляризованного света равна 0,5.

Во сколько раз отличается максимальная интенсивность света,

пропущенного через анализатор, от минимальной?

Ответ: 3

Естественный свет падает на поверхность стекла под углом Брюстера.

Чему равна степень поляризации отраженных лучей?

1

Совокупность явлений волновой оптики, в которых проявляется поперечность световых волн, называется явлением…

Поляризации

Условие максимума при дифракции на узкой щели определяется выражением:

1)

Какое из приведенных выражений определяет положения минимумов интенсивности в дифракционной картине от узкой щели.

2)

Условие максимума при дифракции на дифракционной решетке определяется выражением:

Б)

Г)

Оптические свойства тонких плёнок (значения n,k)

Показатель преломления является одной из основных оптических характеристик. Он определяет скорость распространения световой волны в веществе. Знание его необходимо для материалов, используемых в оптике.

В отличие от диэлектриков и полупроводников в металлах большое число электронов слабо связано с атомами металла, и эти электроны считают свободными. Наличием свободных электронов объясняются особенности отражения света от металлической поверхности. Вторичные волны, вызванные вынужденными колебаниями свободных электронов, порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95% (и даже больше) интенсивности падающей, и сравнительно слабую волну, идущую внутрь металла. Так как плотность свободных электронов весьма значительна (~ 10 22 в 1 см 3), то даже очень тонкие слои металла отражают большую часть падающего на них света. Та часть световой энергии, которая проникает внутрь металла, испытывает в нем поглощение.

Какая доля света не пропускается металлом, вследствие отражения и какая задерживается в нем благодаря поглощению, зависит от его проводимости. В идеальном проводнике поглощение равно нулю, так что падающий свет полностью отражается. К такому идеалу приближаются серебряные пленки. В металлах хуже проводящих, например, в железе отражение может составлять всего лишь 30-40%, так что непрозрачная пленка железа толщиной не более доли микрона поглощает около 60% падающего на нее света.

Таким образом, характерная особенность металла, состоящая в его высокой отражательной способности и проявляющаяся в наличии особого "металлического" блеска чистой поверхности, связана с его электропроводностью. Чем больше коэффициент электропроводности, тем, в общем случае, выше отражательная способность металлов.

Экспериментально полученная таблица отражательной способности металлов была измерена с помощью гелий-неонового лазера на длине волны 600 нм:

Но высокие значения коэффициента отражения можно получить лишь для пленок, полученных в оптимальных условиях. Факторами, влияющими на коэффициент отражения, являются: скорость напыления, давление во время напыления, толщина напылённой пленки, температура подложки, угол падения вещества, степень чистоты испаряемого материала и, наконец, старение полученного покрытия на воздухе.

1

Исследованы спектры ИК поглощения пленок сплавов а-nk-Si:H (а – аморфные, nk – нанокристаллические) в диапазоне энергии 0,03÷3,0 эВ. Определены оптические коэффициенты поглощения (α) пленок для слабо и сильно поглощающих областей спектра. Определены также коэффициенты преломления (n) и ослабления (к0) для различных прозрачных и непрозрачных подложек.

аморфные и нанокристаллические пленки

оптические коэффициенты поглощения

отражения

преломления и ослабления

1. Физика гидрогенизированного аморфного кремния. Под ред. Дж. Джоунпулоса, Дж. Люковски. – М.: Мир, 1988. – вып. 2. – 447 с.

2. Наджафов Б.А., Исаков Г.И. Оптические свойства аморфных пленок твердого раствора а-Si1-xGex:H с различной концентрацией водорода. // ЖПС. – 2005. – v. 72. № 3. – С. 371–376.

3. Tsu R., Howard W.E., and Esaki Z. Optical and electrical properties and band structure of GeTe and SnTe. Phys. Rev. 15 August 1968. – v. 172, № 3. – Р. 779–788.

4. Brodsky M.H., Cardona M. Infrared and Raman spectra of the silicon-hydrogen bands in amorphous silicon prepared by glow discharge and sputtering. // Phys. Rev. B. – 1977. – v. 16, № 8. – Р. 3556–3571.

5. Наджафов Б.А. Оптические свойства тонких пленок a-Si1-xGex:H(x = 0÷1) // International journal of applied and fundamental research, 2017. – № 1. – Р. 20–26.

В мировой науке проводилось достаточное исследование в направлении измерения и изучения тонких пленок. Однако в направлении измерения интерференции и расчета оптического поглощения не получены конкретные формулы, которые могли бы упростить результаты экспериментальных работ. В этой статье проводились расчеты и получены результаты, улучшающие работы исследователей.

Пленки Si и их сплава характеризуется различными структурными фазами. Наиболее интересными из них являются кристаллические зерна, находящиеся в аморфной матрице.

Наноразмерные эффекты тонких пленок сопровождаются образованием нанотрубок, нанопроволок, наночастиц, фуллеренов, эндофуллеренов, графитов, графанов, кластеров и др. Образование этих наноматериалов обычно связано структурными дефектами, наличием и ролью водорода в их составе. В литературе оптические свойства наноматериалов изучены недостаточно.

Поэтому измерение оптических параметров - коэффициентов поглощения (a), отражения (R), пропускания (Т), преломления (n), коэффициент ослабления (к0), толщины (d) тонких пленок и определение на их основе ширины запрещенной зоны (Е0) представляются интересными .

Используя условие сохранения энергии, можно найти коэффициент поглощения α:

Из-за многократных отражений в подложке и пленке задача установления связи между R и Т и оптическими константами не тривиальна. Обычно делается несколько упрощающих предположений для получения связи измеряемых величин R, Т, α, n и к0. При прохождении светом границы раздела двух сред падающий луч разбивается на отраженный и преломленный. Направления этих лучей определяются законами геометрической оптики - законами отражения и преломления. Однако полное описание происходящих при этом явлений требует определения интенсивности и состояния поляризации отраженного и преломленного лучей. Для плоской границы раздела двух изотропных не поглощающих сред интенсивность и состояние поляризации отраженного и преломленного лучей определяется формулами Френеля. Полученные формулы для границы раздела двух непоглощенных сред могут быть обобщенные для случая, когда световая волна падает на границу с поглощающей средой. Из электродинамики известно, что поглощающие среды в отличие от диэлектриков характеризуются комплексным значением диэлектрической проницаемости, следовательно, и комплексным показателем преломления:

Действительная часть комплексного показателя преломления определяет скорость распространения волны в веществе, а его мнимая часть характеризует затухание волны при ее распространении в поглощающей среде и называется показателем поглощения. Величины n и к0 определяют оптические свойства вещества, и их часто называют оптическими константами данного вещества. При падении света на плоскую поверхность поглощающей среды формулы Френеля сохраняют свой вид, с той только разницей, что действительный показатель преломления заменяется комплексной величиной .

На практике всегда имеют дело с толстой подложкой (). В этом случае интерференционные явления не наблюдаются, поскольку измерение производится не для одной длины волны λ, а для некоторого участка спектра Δλ = λ2 - λ1, пропускаемого монохроматором.

Анализ достаточно подробных обзоров работ, в которых обсуждается формула для определения Т, позволяет нам воспользоваться конкретным известным соотношением .

Тогда для слабо поглощающих областей света . Отметим, что к0 - показывает ослабление света в системе пленка - подложка, толщина пленки d определяется в этом случае из соответствующих экстремумов пропускания или отражения из интерференционных полос.

Это уравнение хорошо согласуется с уравнением для прозрачной подложки в сильно и слабо поглощающих областях спектра. Подложка обычно выбирается NaCl, кварц, стекло, KBr, CsJ и т.д.

Здесь R1, R2, R3 соответственно отражение света пленка - воздух, пленка - подложка, подложка - воздух. α - коэффициент поглощения данной плени, d - толщина пленки, Т - пропускание пленки, n - коэффициент преломления и к0 - коэффициент ослабление света в системе пленка - подложка, n1 - коэффициенты преломления подложки.

,

. (2)

Уравнением (2) определяется коэффициент ослабления (к0) в пленках сплавов а-nк-Si:Н. Отметим, что полученные результаты также можно использовать и для других полупроводниковых материалов, в том числе GeTe, SnTe, PbTe, а-nк-Si:Н:B, а-nк-Si:Н:P, мк-Si:Н, мк-Si:Н:Р, мк-Si:Н:В, мк-Si:С:Н, Si1-хОх, а-Si1-хNх:Н :

,

Значит коэффициенты поглощения (α) можно определить с помощью уравнения (3). А что касается определения толщины пленок, то ее значение определяется из следующих соотношений:

Это уравнение используется для определения толщины пленок, если коэффициент преломления известен.

Соответственно, коэффициенты преломления определяются при помощи следующего уравнения из общих кривых поглощения (α) следующим образом :

здесь ν - частота соответствующих длин волн, с - скорость света. - длины волны соответствующих экстремумов.

Другим способом коэффициент поглощения (α), при слабо поглощаемых областях спектра, определяется используя формулам (1):

и ,

Отражение и пропускание в системе пленки и подложки слабо поглощаемых областях спектра, на непрозрачный подложке имеет вид :

здесь Т23 - пропускание света пленки и подложки:

. (10)

Это значение показывает пропускание пленки на непрозрачной подложке. Соответственно отражение пленки на непрозрачной подложке определяется в следующем виде:

, (11)

. (12)

Также отметим, что из уравнения (11) коэффициенты поглощения определяются по нижеследующим формулам. Если сделаем замену , то:

(13)

. (14)

В уравнении (10), проведя замену R2 на R1, а также R12 на R23 и подставив в уравнение (12), получаем следующую формулу:

. (15)

Используя коэффициент пропускания из уравнения (10), находим α следующим образом. Если сделаем замену , то

Если t > 0, то

Частные случаи:

Если , тогда из уравнения (11):

. (17)

Из уравнения (12):

. (18)

Из уравнения (10):

. (19)

При использовании различных прозрачных подложек, которые пропускают свет в области 0,03÷3,0 эВ, коэффициенты оптического поглощения определяются по следующей формуле:

, (20)

где ξ может равняться единице, а также при толщине пленок d = 0,01÷1,0 мкм ее значение составляет ξ = 0,3÷0,8. При поглощении в области длинных волн, интерференция рассчитывается с помощью ξ. Уравнение (20) можно переписать в следующем виде:

Для аморфных и нанокристаллических (а-нк-Si:H) пленок Si:H, оптическую ширину зоны определяют из данных по поглощению, которые описываются соотношением в следующем виде:

, (22)

здесь α - коэффициент поглощения, E0 - ширина запрещенной зоны, которая определяется из наклона зависимости .

Зависимость параметров Rf + Tf от энергии фотона

На рисунке показана зависимость изменения параметров (Rf + Tf) от энергии фотона. Видно, что выше 2,0 эВ параметры не изменяются. Основные изменения наблюдаются в области 0,5÷1,5 эВ, что соответствует краю поглощения. Отметим, что для аморфных и нанокристаллических пленок сплавов Si:C: H край поглощения составляет (1,8÷3,0 эВ). Параметры Rf и Tf, можно аппроксимировать по следующей формуле:

Здесь параметры х и у соответственно модифицируются значениями α и n.

Параметр Rf + Tf = 1, при энергии 1,4 эВ. Основные изменения наблюдаются при 0,6÷1,2 эВ.

С изменением толщины плёнок от 1000 до , Δα - уменьшается до 102 cm-1. n и к0 уменьшаются от 5,35 до 4,15 и от 3,0 до 2,2 соответственно.

Коэффициенты пропускания и отражения (Rf + Tf) для пленок а-Si:H,
а также параметры, α, n, к0, ζ

Длина волны

В таблице показаны коэффициенты пропускания и отражения (Rf + Tf) для пленок а-Si:H, а также параметры, α, n, к0, ζ. Была выбрана кварцевая подложка.

Заключение

Результаты, полученные в данной работе, дают возможность определить коэффициенты поглощения (α), пропускания (Т), отражения (R), преломления (n) и ослабления (к0), ширину запрещенной зоны (Е0) и толщину пленок (d) во время и после осаждения сплавов а-nk-Si:H.

Данные параметры можно также определить с помощью спектрометров ИКС-22, ИКС-29, Specord 75 IR, Фурье-ИК (Varian 640 JR) в области энергий 0,03 ÷ 3,0 эВ и более.

Библиографическая ссылка

Наджафов Б.А., Абдуллаев Х.Ш. СПЕКТРОФОТОМЕТРИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ТОНКИХ ПЛЕНОК СПЛАВОВ А -SI:H А-NK-C:H // Международный журнал прикладных и фундаментальных исследований. – 2017. – № 8-2. – С. 203-208;
URL: https://applied-research.ru/ru/article/view?id=11786 (дата обращения: 06.04.2019). Предлагаем вашему вниманию журналы, издающиеся в издательстве «Академия Естествознания»

В лаборатории для исследования оптических свойств прозрачных пленок используется спектрофотометр "Specord UV-VIS", предназначенный для работы в ультрафиолетовой и видимой областях спектра и фотометр ЛМФ-72М. Рассмотрим конкретные задачи, которые можно решить, используя фотометрические приборы.

1. Определение показателя преломления прозрачной подложки

Показатель преломления является одной из основных оптических характеристик. Он определяет скорость распространения световой волны в веществе. Знание его необходимо для материалов, используемых в оптике.

При падении излучения интенсивностью I 0 на прозрачную подложку одна часть пучка отражается (I R), другая проходит через нее (I T) (рис.17). Не учитывая поглощения излучения внутри подложки, отметим, что доля прошедшего и отраженного излучения зависит от показателя преломления:

Рис. 17. Схематический ход лучей при падении света на прозрачную подложку

Коэффициент пропускания (Т) и коэффициент отражения подложки (R) на длине волны l могут быть рассчитаны следующим образом:

где

n п - показатель преломления подложки на длине волны l.

Таким образом, измерив коэффициент пропускания на нужной длине волны, из этого выражения можно получить показатель преломления подложки. Падение света на подложку должно быть близким к нормальному.

2. Определение толщины прозрачной пленки на прозрачной подложке

Для прозрачных тонких диэлектрических и полупроводниковых пленок при падении на них света характерны интерференционные явления (рис.18).

Рис.18. Схематический ход лучей через систему прозрачные пленка-подложка

При определенных условиях при сложении отраженных или прошедших пучков будет наблюдаться интерференция с усилением или с ослаблением интенсивности, и спектр пропускания (отражения) будет выглядеть следующим образом (рис.19).

Рис.19. Спектр пропускания системы пленка-подложка

Не рассматривая математического вывода формул, отметим, что на спектре пропускания системы пленка-подложка при нормальном падении излучения экстремальные значения наблюдаются при условии n пл ·d=m·l/4,

где n пл -показатель преломления пленки;

d-толщина пленки;

m - порядок интерференции;

l длина волны в экстремуме.

Максимальные значения коэффициента пропускания соответствуют четным m, минимальные - нечетным. Для двух соседних экстремумов с четным m можно записать:

n пл ·d = m·l m /4=(m+2)· l m+2 /4,

l m и l m+2 - длины волн, соответствующие соседним экстремумам с четным m.

Отсюда

Если показатель преломления пленки неизвестен, то его находят из выражения:

где Т-коэффициент пропускания системы пленка-подложка для нечетного m; n пл - показатель преломления пленки;

n п - показатель преломления подложки;

Определив m, n п, n пл, определяют толщину пленки d.

3. Измерение коэффициента пропускания металлических пленок

В отличие от диэлектриков и полупроводников в металлах большое число электронов слабо связано с атомами металла, и эти электроны считают свободными. Наличием свободных электронов объясняются особенности отражения света от металлической поверхности. Вторичные волны, вызванные вынужденными колебаниями свободных электронов, порождают сильную отраженную волну, интенсивность которой может достигать 95% (и даже больше) интенсивности падающей, и сравнительно слабую волну, идущую внутрь металла. Так как плотность свободных электронов весьма значительна (~ 10 22 в 1 см 3), то даже очень тонкие слои металла отражают большую часть падающего на них света. Та часть световой энергии, которая проникает внутрь металла, испытывает в нем поглощение.

Какая доля света не пропускается металлом вследствие отражения и какая задерживается в нем благодаря поглощению, зависит от его проводимости. В идеальном проводнике поглощение равно нулю, так что падающий свет полностью отражается. К такому идеалу приближаются серебряные пленки. В металлах хуже проводящих, например, в железе отражение может составлять всего лишь 30-40%, так что непрозрачная пленка железа толщиной не более доли микрона поглощает около 60% падающего на нее света.

Таким образом, характерная особенность металла, состоящая в его высокой отражательной способности и проявляющаяся в наличии особого "металлического" блеска чистой поверхности, связана с его электропроводностью. Чем больше коэффициент электропроводности, тем, в общем случае, выше отражательная способность металлов.

В нашей лаборатории отражательная способность металлов может быть измерена с помощью гелий-неонового лазера на длине волны 630 нм. Литературные данные для близкой длины волны дают следующую связь коэффициента отражения металлической пленки на длине волны 600 нм и удельного сопротивления:

Но высокие значения коэффициента отражения можно получить лишь для пленок, полученных в оптимальных условиях. Факторами, влияющими на коэффициент отражения, являются: скорость напыления, давление во время напыления, толщина напыленной пленки, температура подложки, угол падения вещества, степень чистоты испаряемого материала и, наконец, старение полученного покрытия на воздухе.

Поглощение света металлами может быть использовано для оценки толщины металлической пленки. Прохождение света через проводящие вещества определяется соотношением:

I=I 0 exp(-4πnkd/l),

где d-толщина поглощающего слоя;

n - показатель преломления для длины волны l;

k - показатель поглощения для длины волны l;

I 0 - интенсивность падающего излучения;

I - интенсивность прошедшего излучения.

Измерение коэффициента пропускания полупрозрачной металлической пленки (I/I 0) позволит оценить ее толщину по приведенной выше формуле.

Таблица 2.1

Определение коэффициента пропускания на фотометре ЛМФ-72М

Фотометр типа ЛМФ-72 предназначен для измерения коэффициента пропускания и оптической плотности в спектральном диапазоне от 365 до 750 нм и определения концентрации растворов по градуировочным графикам, а также как индикатор при проведении нефелометрического и флуориметрического анализа. Оптическая схема фотометра приведена на рис.20.

Рис.20. Оптическая схема фотометра ЛМФ-72М

1-лампа накаливания;

2-конденсор;

3-объектив;

4-щелевая диафрагма;

5-модулятор;

6-сменный интерференционный или абсорбционный светофильтр;

7-тепловой светофильтр;

8-измеряемый образец;

9-абсорбционный светофильтр; "

10-защитное стекло;

11-фотоумножитель.

Лабораторный фотометр выполнен по однолучевой схеме с модуляцией светового потока и непосредственным отсчетом. При измерении коэффициента пропускания световой поток от лампы накаливания (1), сформированный конденсором, состоящим из линз (2), и объективом (3) в параллельный пучок, через плавно регулируемую щель диафрагмы (4), модулятор светового потока (5), интерференционный светофильтр (6) проходит сквозь измеряемый образец и попадает на фотокатод светоприемника.

Порядок работы

1. Включить фотометр в сеть. Время прогрева прибора 10-15 мин.

2. Произвести калибровку шкалы Т. Для этого в гнездо "фильтр" вставьте интерференционный светофильтр с необходимой длиной волны в максимуме пропускания, кюветодержатель в положение "0". Нажмите кнопку "У" и, вращая ручку "0-точно", совместите стрелку показывающего прибора с отметкой "0" шкалы. Установите кюветодержатель в положение "100", ручкой "диафрагма" подведите стрелку прибора к отметке "100" шкалы, затем ручкой "100-точно" совместите стрелку с отметкой "100".

3. Измерение коэффициента пропускания. Установите кюветодержатель в положение "0". Снимите крышку и вставьте измеряемый образец в держатель. Закройте крышку, переведите кюветодержатель в положение "100" и произведите отсчет по шкале измерительного прибора (коэффициент пропускания в процентах).

4. Выключите фотометр.

При работе на фотометре запрещается:

Производить смену светофильтров в положении "100".

Выполнять измерения при открытой измерительной камере.

Исследование спектров пропускания и поглощения в ультрафиолетовой и видимой области спектра на приборе "Specord UV-VIS"

"Specord UV-VIS" - автоматический двухлучевой спектрофотометр, регистрирующий линейно пропускание или экстинкции проб как функцию волнового числа. Представление спектров через волновое число является удобным, так как по соотношению E = hν = hc/l = hc , где

Е-энергия;

h - постоянная Планка;

с - скорость света;

ν - частота;

l - длина волны;

Волновое число,

энергия прямопропорциональна волновому числу.

Принципиальная оптическая схема спектрофотометра "Specord UV-VIS" приведена на рис.21.

В качестве источника света в ультрафиолетовой области спектра используется дейтериевая лампа, в видимой - лампа накаливания. Световой пучок попадает на входную щель монохроматора, откуда монохроматический пучок направляется на зеркальный прерыватель, где он разделяется на два потока, образующие канал измерения и канал сравнения. На приемник излучения, в качестве которого используется сурьмяно-цезиевый фотоумножитель, падает свет то из канала образца, то из канала сравнения. Регистрация спектров производится пером на специальном бланке.

В конструкции спектрофотометра предусмотрены различные параметры регистрации. В настоящий момент на приборе установлены: масштаб волнового числа-12.5мм/1000 см -1 ; время регистрации спектра - 4.4 мин/лист; скорость регистрации-5000 см -1 /мин.

Рис.21. Оптическая схема спектрофотометра "Specord UV-VIS"

Отсчет волнового числа осуществляется по нониусу. При работе используются следующие масштабы ординат:

0 – 100 %-коэффициент пропускания, стандартная область;

0 – 20 %-коэффициент пропускания, растяжение ординат для образцов с малой проницаемостью;

0,1 - +1,4-экстинкция.

Порядок работы на спектрофотометре "Specord UV VIS"

1. Включить вилку прибора в сеть. Нажать кнопку "Сеть".

2. Включить лампу (источник света) для соответствующего участка спектра.

3. Вставить перо самописца.

4. Используя кнопки "Быстро вперед" и "Быстро назад", по нониусу против нуля установить целое число (например, 21000 см -1). Положить регистрационный лист на каретку самописца так, чтобы при закрытом канале измерения перо самописца находилось в точке пересечения горизонтальной нулевой линии и вертикальной черты.

5. Проверить положение нуля и правильность установки регистрационного листа, проведя пробную регистрацию (нажать кнопку "Пуск").

6. Установить 100%-ю линию. Открыть канал измерения и провести пробную регистрацию. Если регистрируемая линия проходит параллельно 100%, то она выводится на 100% - ю ручкой 100%-й коррекции.

7. Нажать кнопку "Быстро назад". Каретка быстро движется вправо, а регистрирующее устройство занимает левое крайнее положение.

8. Поместить измеряемый образец в кюветный отсек в ближний канал.

9. Нажать клавишу "Пуск". Начатая таким образом регистрация может быть прервана в любом месте нажатием клавиши "Стоп".

10. Вынуть регистрационный лист, выключить лампу, отжать кнопку "Сеть".

Кнопочное управление на лицевой панели

Быстро вперед. Каретка быстро двигается влево, одновременно происходит прогон волнового числа.

Быстро назад. Каретка быстро двигается вправо.

Регистрация с автоматическим возвратом каретки.

Пуск. Начало записи спектра.

Стоп. Регистрирующее устройство останавливается.

Источник излучения.