Оптические свойства композиционных углеродных покрытий

Для нанесения  алмазоподобных покрытий в данной работе использовалась установка УВНИПА-1-001.

Установка содержит:

• газовый ионный источник типа «АИДА», с помощью которого производится очистка и нагрев подложек и, что особенно важно, введение в состав растущего покрытия азота;
• источник плазмы стационарного катодно-дугового разряда с металлическим катодом,
• источник плазмы импульсного катодно-дугового разряда с катодом из графита, используемого для нанесения углеродных покрытий.

Легированные  металлами и азотом углеродные покрытия (C:Ме, C:Ме₁:Ме₂, C:N₂, C:Ме:N₂) формируются следующими основными методами:

1. покрытия формируются одновременным нанесением углерода из источника плазмы импульсного катодно-дугового разряда с графитовым катодом и металла с помощью электродугового испарения металличесого катода;
2. покрытия формируются из плазмы импульсного катодно-дугового разряда с помощью устройства, имеющего составной катод из графита и легирующего металла;
3. покрытия формируются одновременным осаждением углерода из импульсной катодной плазмы, металла из потока, генерируемого электродуговым испарением, и одновременной имплантацией атомов азота с помощью ионного источника;
4. покрытия формируются одновременным осаждением углерода из импульсной катодной плазмы, металла из потока, генерируемого электродуговым испарением, и в условиях введения азота путём его напуска в камеру.

Схема устройства для осаждения легированных покрытий представлена на рисунке 13.

 

1 – магнитные катушки; 2 – электродуговой  испаритель; 3 – источник плазмы  импульсного катодно-дугового разряда  с катодом из графита; 4 – поток  углеродной плазмы; 5 – ионный  источник; 6 – предметный стол; 7 –  смотровое окно; 8 – поток  металла; 9 – вакуумная камера

Рисунок 13 – Схема вакуумной  установки, предназначенной для  получения многослойных и легированных металл-углеродных покрытий

 

При реализации схемы, представленной на рисунке 13, формируются легированные системы. Использование в качестве материала катода сплавов, механической смеси металлов позволяет осаждать углеродные покрытия, легированные несколькими металлами.  Концентрация легирующих элементов определяется составом распыляемой мишени  и режимом испарения.

Нанесение покрытия осуществляется с помощью источника плазмы импульсного катодно-дугового разряда с центральным электродом из высокочистого графита марки МПГ-6 (99,999%) с плотностью 1,8 г/см3, являющимся катодом, который испаряется в процессе сильноточного дугового импульсного разряда. Этот разряд между анодом и катодом возбуждается с помощью специального устройства, которое обеспечивает стабильный поджиг основного разряда и задает частоту повторения инициирующих импульсов.

В результате пробоя вакуумного промежутка между  анодом и катодом развивается  сильноточный дуговой разряд в промежутке катод–анод, приводящий к испарению  центрального электрода, созданию плазменного  сгустка, переносу и конденсации  последнего на подложке.

Формирование  покрытий производится путем последовательного осуществления следующих операций:

• Производится откачка вакуумной камеры до остаточного давления 5 ·10^-3  Па.
• Осуществляются очистка и нагрев подложки с помощью ионного источника АИДА.
• Наносится подслой Тi или TiN дуговым методом с сепарацией капельной фазы для улучшения адгезии
• Наносятся легированные углеродные покрытия.

В качестве материала подложек для покрытий использовался кремний.

Следует отметить, что предложенные варианты формирования легированных АПП позволяют реализовать  различные условия и режимы протекающих  на стадии генерации газовой фазы физико-химических процессов и, как  следствие этого,- формировать слои с отличающимися составом, структурой и свойствами.

 

 

 

2.2. Эллипсометрические методы определения основных оптических характеристик композиционных углеродных покрытий.

 

 

Эллипсометр  представляет  собой  поляризационный  гониометр,  на подвижных  плечах  которого  расположены  поляризационные  элементы: поляризатор,  анализатор  и  компенсатор,  а  также  источник  света  и фотодетектор. [56] Лимб  гониометра  обеспечивает  установку  заданного угла  падения.  Поляризационные  элементы  помещаются  в  собственные 

лимбы, и могут свободно вращаться.

Источник  света должен обеспечивать получение  рабочего светового пучка  с  высокой  степенью  монохроматичности  и  узкой  диаграммой направленности  с  тем,  чтобы  можно  было  считать  волновой  фронт плоским.

В  качестве  поляризатора  и  анализатора  в  исследовательских эллипсометрах  используются  призмы  из  исландского  шпата  типа  Глана-Фуко  или  Глана-Томпсона.  Нулевому  отсчету  азимута  этих  элементов соответствует  плоскость с наибольшей степенью поляризации.

Компенсатор  представляет  собой  пластину  из двулучепреломляющего  кристалла,  вырезанную  и  подобранную  по толщине  так, чтобы  сдвиг  фаз  между  необыкновенным  и  обыкновенным лучами  составлял 90°.  Нулевому  отсчету  азимута  компенсатора соответствует  плоскость,  вдоль  которой  свет  распространяется  с наибольшей  скоростью – так  называемая  быстрая  ось  компенсатора. Следует  заметить,  что  для  кристаллического  компенсатора  значения коэффициентов  пропускания  вдоль  быстрой  и  медленной  осей  не совпадают,  поэтому  реальный  компенсатор  характеризуется,  по  крайней  мере,  двумя  параметрами:  сдвигом  фаз  δ_с  и отношением  коэффициентов пропускания вдоль быстрой и медленной осей р_с

 Образец   устанавливается  так,  чтобы   ось  вращения  плеч  проходила  через  отражающую  поверхность,  а  плоскость  падения   была  ей перпендикулярна.  Угол  падения  отсчитывается  от  перпендикуляра  к отражающей  поверхности;  положительное   направление  углов  поворота  поляризационных  элементов   определяется  правилом  винта;  отсчет начинается от плоскости падения.

Условная  схема эллипсометра ЛЭФ-3М представлена на рисунке 14.

1 – источник излучения; 2 – модулятор; 3 – зеркальная диафрагма; 4 – экран;  5 – предметный столик; 6 – регистрирующие устройство

Рисунок 14 - Схема эллипсометра ЛЭФ-3М

 

Внешний вид  эллипсометра ЛЭФ-3М-1 представлен на рисунке 15.

Рисунок 15 – Внешний вид эллипсометра ЛЭФ-3М-1

 

Принцип  проведения  эллипсометрического  измерения  состоит  в следующем:  поворотом  поляризатора  добиваются  такой  эллиптической поляризации  при  выходе  компенсатора,  т.е.  в  падающем  на  образец световом  пучке,  чтобы  после  отражения  свет  стал  линейно поляризованным.  В  этом  случае  он  может  быть  погашен  путем соответствующего  поворота  анализатора  и  на  выходе  эллипсометра (на фотодетекторе)  будет  наблюдаться  нулевая  и(ли  минимальная) интенсивность излучения. На отражающую поверхность подается линейно поляризованный  свет  с  такой  ориентацией  плоскости  поляризации,  при которой после  отражения свет стал так эллиптически поляризован, чтобы, пройдя компенсатор, он имел бы линейную поляризацию. Следовательно, и в этом случае отраженное излучение  может быть погашено с помощью  поворота анализатора. В силу этого  обстоятельства описанная выше схема  получила  название  нулевой  эллипсометрической  схемы.  Ее  главное достоинство  состоит в том, что с помощью  фотодетектора определяются положения  поляризатора  и  анализатора,  приводящие  к  минимуму интенсивности  света  на  выходе  прибора;  сама  по  себе  величина  этой интенсивности не представляет интереса.

Как  показал  сравнительный  анализ,  нулевой  метод  обладает наивысшими метрологическими характеристиками.

Наибольшая  точность  метода  обеспечивается  при  ориентации быстрой  оси  компенсатора ±45°.  Именно  так  его  устанавливают  на эллипсометре. Изготовить идеальный компенсатор не удается; у реального компенсатора δ_с≠90о и р_с≠1,0.

Обозначим  азимуты  поляризатора  и  анализатора  в  информативном положении (положение  гашения) через Р и А. Если повернуть  поляризатор или  анализатор  на 180°,  то  вновь  достигается  положение  гашения.  Все возможные  положения  поляризационных  элементов,  приводящие  к гашению  света  на  выходе  эллипсометра,  образует  так  называемые эллипсометрические  зоны.  Если  такие  положения  разбить  по  угловым интервалам, в которые попадают азимуты поляризационных  элементов, то образуется 8 зон, каждая из которых состоит из 4 подзон.

Наиболее  важными  выводами  из  такого  рассмотрения  является следующее:  если  измерены  Р  и  А  в  какой  либо  подзоне  то  состояние  поляризации  отраженного  света  может  быть  однозначно  определено только  в  том  случае,  если  известны  параметры  компенсатора  δ_с  и р_с .

Немонотонный  характер  измерения  δс  и  рс    указывает  на существование  нескольких  причин  нестабильности:  кроме  собственного изменения  температуры  в  результате  прогрева  прибора,  возможно, происходит  незначительный  поворот компенсатора  из-за  неравномерного нагревания  плеч  эллипсометра.  Эти  результаты  показывают,  что использование  однозонной  методики  возможно  только  при  условии тщательной  температурной  стабильности  компенсатора  и,  по-видимому, всего  прибора  в  целом.  В  противном  случае  необходимо  измерять положение  гашения в двух разных зонах.

Спектральный эллипсометр ESM-512 с бинарной модуляцией состояния поляризации (БМСП) используется для определения оптических параметров материалов, толщины оптически прозрачных и  полупрозрачных слоев в многослойных структурах, качества обработки и шероховатости поверхностей. В приборе используются оригинальные поляризационные устройства и экспрессные алгоритмы измерений. Отсутствие движущихся поляризационных элементов в спектральном эллипсометре ESM-512 позволяет улучшить достоверность и прецизионность измеряемых параметров.

Спектральный эллипсометр ESM-512 состоит из блока питания, оптико-механической части эллипсометра с встроенным в нее источником света на 8 светодиодах, малогабаритным дифракционным монохроматором, линейкой фотодиодов, и электронной системы управления, сопряжения и регистрации эллипсометрических параметров с комплектом программного обеспечения на языке Visual С. Принцип действия спектрального эллипсометра ESM-512 основан на переключении состояния поляризации, при этом на исследуемый образец попеременно направляется пучок белого света, преобразующийся в последовательность ортогонально поляризованных пучков с азимутами линейной поляризации Р и Р+90 градусов. Отраженное от образца излучение с каждым состоянием поляризации попеременно разделяется в последовательность ортогонально поляризованных пучков с азимутами линейной поляризации A и A+90 градусов, попадает на монохроматор, формирующий спектр на линейке 512 фотодиодов, который анализируется электронной системой регистрации эллипсометрических параметров.

 

 

Рисунок 16 - Внешний вид спектрального эллипсометра ESM-512 c источником питания

 

В эллипсометрии  измеряется относительный фазовый  сдвиг двух ортогонально поляризованных компонент и их относительное  изменение при взаимодействии пучка  с образцом. Для эллипсометрии  с конфигурацией поляризатор- образец- анализатор  интенсивность света  на фотодетекторе определяется формулой:

       (14)

 

  где P и A – азимуты поляризатора и анализатора; I ₀ - коэффициент, не зависящий от P и A;   Ψ   и Δ  - эллипсометрические углы, определяющие отношение комплексных амплитудных коэффициентов отражения r_p и r_s для p и s поляризаций:     

                                                                                       (15)

  

    В данной модели спектрального эллипсометра используется оригинальный метод поляризационно-оптических измерений с переключением состояния поляризации, в котором на исследуемый образец попеременно направляется излучение с двумя ортогональными состояниями поляризации с азимутами P  и P + 90⁰ и анализируются сигналы на фотоприемниках для азимутов анализатора A и A + 90⁰:

(A,P)

 

(A+90, P)

 (16)

(A, P+90)

 

(A+90, P+90)

 h_a -  коэффициент, характеризующий отношение чувствительностей 2-х каналов в анализаторе.

Для каждого из азимутов P  и P + 90⁰ измеряется отношение сигналов на фотоприемниках  при азимутах анализатора А и А+ 90⁰.  По измеренным отношениям и определяются эллипсометрические параметры Ψ и Δ из соотношений:

                                                (17)

(4)

  здесь

 

 ; ; ;

Для выбранной модели образца по измеренным величинам Ψ  и Δ  параметры слоев могут быть рассчитаны из известных эллипсометрических уравнений.

2.2.1 Методика проведения измерений оптических параметров и толщин композиционных покрытий методом лазерной эллипсометрии   В СОДЕРЖАНИЕ

 

Важная черта эллипсометрических методов состоит в том, что измеряемыми величинами являются углы, разности фаз и отношения амплитуд компонент световой волны. Вид эллипсометра ЛЭФ-3М-1, на котором проводились измерения оптических параметров полученных при различном давлении азота алмазоподобных пленок, легированных азотом, представлен на рисунке 17.