Оптические свойства композиционных углеродных покрытий

 

 

Рисунок 8 - Спектр пропускания однослойных пленок As₂S₃ и As₂Se₃

Спектрофотометр – это прибор для исследования спектрального состава по длинам волн электромагнитных излучений в оптическом диапазоне, нахождения спектральных характеристик излучателей и объектов, взаимодействовавших с излучением, а также для спектрального анализа.

 На рисунках 17-18 приведены две основные схемы спектрофотометров, измеряющих спектральный апертурный коэффициент отражения объекта относительно рабочего стандарта с известной спектральной характеристикой:

 

Рисунок 17 – Схема работы спектрофотометра

Измеряемый образец освещается белым светом. Монохроматор расположен в исходящем потоке. Для улучшения характеристик и точности измерений в современных спектрофотометрах также используются двойные монохроматоры.

 

Рисунок 18 – Схема работы спектрофотометра

Измеряемый образец освещается монохроматическим светом.

На рисунке 19 изображен спектрофотометр  Cary 50.

Рисунок 19 -  Спектрофотометр Cary 50

 

Оптические характеристики Cary 50:

- оптический диапазон от 190 до1100 нм; 
- ширина оптической щели <1,5 нм;  
- максимальная скорость сканирования до 24000 нм/мин;  
- шаг сбора данных от 0,15 до 5 нм;  
- частота сбора кинетических данных - 80 точек/сек;  
- величина рассеянного света <0,05%;  
- фотометрический шум <0,0001 A.

Данный  прибор Cary 50 работает в области спектрометрии УФ, видимого и ближнего ИК диапазона, сочетает в себе классическую оптику с сверхбыстрым монохроматором, стабильность двухлучевой схемы, высокую светосилу пульсирующей ксеноновой лампы и огромное кюветное отделение. Спектрофотометр идеально подходит для работ с волоконно-оптическими датчиками и обеспечивает возможность получения кинетических данных до 80 точек в секунду. Вся электроника прибора располагается в управляющем компьютере (стандартный IBM-совместимый ПК). Питание осуществляется от блока питания компьютера через стандартный внутренний разъем питания дисковода.

 

 

 

 

 

 

 

1.3.2 Эллипсометрические методы определения показателя преломления и коэффициента поглощения тонких покрытий: лазерная эллипсометрия, спектральная эллипсометрия.

 

 

Эллипсометрия известна ещё с конца XIII века, и по сей день она быстро развивается, охватывая всё более широкие области применения. Это объясняется рядом особенностей, присущих данному методу, например, неразрушающим характером контроля толщины и оптических параметров покрытия.

Вплоть до середины прошлого столетия методы эллипсометрии  оставались мало востребованными. Толчок в развитии эллипсометрии был  связан с потребностями интенсивно развивающейся в то время полупроводниковой  микроэлектроники. Потребовался простой, доступный и надежный метод прецизионного  контроля толщины диэлектрических  слоев  полупроводниковых структур, а эллипсометрия, как нельзя лучше, удовлетворяла всем этим требованиям. Более того, оказалось, что возможности, заложенные в физических принципах  метода, гораздо шире и позволяют  не только измерять толщины слоев, но и характеризовать их физико-химические свойства, а также исследовать  процессы на поверхности покрытия. Развитие метода происходило по нескольким взаимосвязанным направлениям.

Прежде  всего, разрабатывалось аппаратурное обеспечение метода: создавались  эллипсометры широкого спектрального  диапазона, быстродействующие эллипсометры пространственно-временнго разрешения, а также приборы с узкофункциональными  возможностями. Параллельно развивались  методические основы, разрабатывались  модели для интерпретации эллипсометрических измерений, создавались алгоритмы  и методы численного решения эллипсометрических задач. Эллипсометрии из микроэлектроники распространилась и на другие области  науки: физику твердого тела, физику поверхности, материаловедение, технологию оптических покрытий, химию полимеров и электрохимию, биологию, медицину и др.

Эллипсометрия — высокочувствительный и точный метод исследования поверхностей и границ раздела различных сред. В основе метода лежит изменение состояния поляризации света после его отражения от границы раздела сред. Падающий на поверхность плоскополяризованный свет при отражении и преломлении становится эллиптически поляризованным, что определяется оптическими свойствами отражающей поверхности, а также толщиной и показателем преломления плёнки, находящейся на ней.

В качестве источника света в эллипсометрии используется монохроматическое или лазерное излучение. Также существует направление спектральной эллипсометрии в широком интервале длин волн (от ближнего ИК до УФ), которое используется при исследованиях атомного состава неоднородных и анизотропных поверхностей и плёнок. Эллипсометры используются для исследования физико-химических свойств поверхности, ее морфологии, для измерения толщин многослойных структур и характеризации оптических свойств тонких пленок.

Используя эллипсометрию, можно характеризовать состав композиционных соединений, плотность инородных  нановключений, структурное совершенство материала, качество границ раздела; регистрировать изменения, обусловленные изменением температуры или воздействием электрических, магнитных, механических полей. Помимо этого, преимуществом метода является неразрушающее и невозмущающее воздействие измерений. Метод относится к экспресс-методам, позволяющим использовать эллипсометрию для контроля непосредственно в процессе создания структур или при изучении различного рода физических воздействий. Метод находит широкое применение в производстве и исследовании полупроводниковых материалов и приборов, кристаллофизике, электронике, оптике, медицине.

Применение:

• Измерение оптических постоянных и толщины тонких пленок материалов, диагностика слоев с градиентными свойствами, исследование энергетической зонной структуры материалов.
• Характеризация механических, структурных, физико-химических свойств материалов, измерение микропористости и плотности микровключений, рельефа поверхности.
• Контроль остаточных поверхностных слоев и степени очистки поверхности, механических напряжений в слоях.
• Исследования пьезо-, электро-, магнитооптических свойств материалов [55].

Для получения  данных с помощью вышеупомянутого  метода сущеcтвуют специальные установки - эллипсометры. На рисунке 9 представлен один из таких приборов.

                             

Рисунок 9 – Эллипсометр

 

В основе всех эллипсометрических измерений лежит  преобразование поляризации света  оптическими линейными элементами - поляризационными призмами и фазосдвигающими  устройствами. Суть измерений можно  пояснить с помощью схемы на рисунке 10.

Рисунок 10 - Схема эллипсометрических измерений. Р - поляризатор, S - отражающая поверхность, С - компенсатор (фазосдвигающий элемент), А - анализатор

Пучок света, излучаемый источником, проходит через  поляризационную призму (поляризатор  Р) и приобретает линейную поляризацию. После отражения от исследуемой  поверхности S поляризация света  становится эллиптической. Параметры  этого эллипса анализируются  с помощью фазосдвигающей пластинки (компенсатора С) и второй поляризационной  призмы (анализатора А). При некоторых  азимутальных положениях оптических элементов  световой пучок полностью гасится, и фотоприемник регистрирует нулевой  сигнал. Определяя экспериментально эти положения, измеряют эллипсометрические параметры. Можно зафиксировать  два из этих элементов, а третий вращать  с постоянной угловой скоростью (например, анализатор). Амплитуды Фурье-компонент  сигнала, снимаемого с фотоприемника, также позволяют рассчитать эллипсометрические параметры Ψ и ∆. Это принцип  работы фотометрического эллипсометра.

 

Параметры эллипса  поляризации, т.е. ориентация его осей и эксцентриситет, определяются оптическими  свойствами отражающей структуры и  углом падения света. В эксперименте измеряется отношение комплексных  коэффициентов отражения для  двух типов поляризации световой волны: в плоскости падения (p) и  перпендикулярно к ней (s). Это  отношение принято выражать через  эллипсометрические параметры Ψ  и ∆, которые характеризуют относительное  изменение амплитуд для p- и s-поляризаций  и сдвиг фаз между ними:

                                                               (11)

Эллипсометрические  измерения оказываются более  информативными, чем фотометрические, так как одновременно измеряются сразу две величины: амплитудный  параметр Ψ и фазовый - ∆. Поэтому из уравнения (11) можно определить любые два параметра модели, описывающей коэффициенты отражения R_p и R_s. Последние зависят от оптических свойств исследуемой структуры, а также от угла падения света и длины волны.

 

Рисунок 11 - Эллипс

 

Если на плоскую  поверхность исследуемой среды  падает линейно поляризованная плоская  волна, имеющая электрический вектор E (составляющая Ер лежит в плоскости  падения, а перпендикулярная ей - Es), то при зеркальном отражении возникает  плоская волна Er с компонентами

 

 

                                                       (12)

 

 

В результате вектор E_r будет описывать эллипс.

(2), где a,b- полуоси эллипса.

Эти параметры можно связать с помощью соотношений:

;

;

;                                                                                   (13)

.

Значения  Rp и Rs определяются углом падения f и оптическими свойствами (коэффициентом преломления n и показателем поглощения Ψ). Tаким образом, зная f и измеряя a и b, можно определить указанные оптические свойства. (Знак " + " в (2) и (3) соответствует левому вращению, если смотреть навстречу лучу, знак "-" - правому.)

Можно разделить  световой пучок, отраженный от образца, на отдельные поляризованные компоненты и измерять интенсивность каждой из них. Тогда вообще не потребуется  азимутального вращения элементов, и можно добиться высокого быстродействия. Это - статическая фотометрическая  схема измерений. Другой класс аппаратуры - лазерные быстродействующие эллипсометры. Эти приборы используются не только в научных исследованиях, но и  в высокотехнологичном производстве в качестве инструмента контроля.

Для проведения локальных измерений на поверхности  и исследования микрообъектов изготавливается  аппаратура, с размером зондирующего пятна несколько микрон.

 

2 Синтез композиционных углеродных покрытий и исследование их оптических характеристик

 

2.1 Синтез углеродных алмазоподобных покрытий импульсным катодно-дуговым распылением и с помощью углеродной плазмы.

 

 

Промышленное  использование современных вакуумно-дуговых  технологий берёт своё начало в СССР.

Метод получения углеродных пленок из плазмы импульсного катодно-дугового разряда основывается на создании импульсного  катодно-дугового разряда в вакууме  в ускорителях плазмы с эродирующим  катодом из графита, формировании направленного  к подложке потока плазмы и конденсации  ее на подложку. Данный метод был  реализован на вакуумной установке типа УВНИПА-1-001, изображенной на рисунке 12.

Центральный электрод, являющийся катодом, в данной конструкции изготавливается  из плазмообразующего материала, испаряющегося  в процессе сильноточного дугового импульсного разряда. Этот разряд между  анодом и катодом возбуждается с  помощью специального инициирующего  устройства, которое должно обеспечивать стабильный поджиг основного разряда, иметь длительный ресурс работы и  задаваемую частоту повторения инициирующих импульсов. В результате пробоя вакуумного промежутка между анодом и катодом  развивается сильноточный дуговой  разряд в промежутке катод-анод за счет накопленной энергии основной батареи  конденсаторов С1, приводящий к испарению  центрального электрода, созданию плазменного  сгустка, переносу и конденсации  последнего на подложке. Цилиндрические катоды источников плазмы были изготовлены  из высокочистого графита марок  МПГ-6, МПГ-7 (99,999%) с измеренной плотностью 1,8 г/см³. Диаметр катода составляет 28-32 мм.

Анодный узел источников состоит из медного анода с графитовой кольцевой  вставкой и соленоида, фокусирующего  поток плазмы и обеспечивающего  формирование необходимой диаграммы  направленности.

 

1 – анод; 2 – поджигающий электрод; 3 –  анод; 4 – соленоид; 5 – катод

Рисунок 12 – Схема источника плазмы импульсного  катодно-дугового разряда

 

Соленоид включен в цепь анода  и величина магнитного поля, создаваемого им, определяется током импульсного  дугового разряда.

Коммутация разрядов осуществляется с тиристором V1 с помощью которого через проводящую графитовую пленку на поджигающем электроде разряжается  конденсатор С4 емкостью 5-10 мкФ. Для  поддержания начальной стадии и  дальнейшего развития импульсного  катодно-дугового разряда служат конденсаторы С2 и С3, емкость которых около 100 и 150 мкФ соответственно. Основной импульсный дуговой разряд происходит за счет разряда конденсатора С1, емкость  которого можно было менять в диапазоне 450-2150 мкФ.

Вследствие разряда батареи  конденсаторов С1 формируется сгусток  плазмы, который осаждается на расположенную  в вакуумной камере подложку. Частоту  следования разрядных импульсов  можно варьировать в диапазоне 1-30 Гц.