Способ определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов
METHOD FOR DETERMINING OPTICAL CONSTANTS OF FILMS OF CHEMICALLY ACTIVE METALS OR THEIR ALLOYS

Изобретение относится к измерительной технике, к способам оптико-физических измерений, основанных на эллипсометрии, и предназначено для определения оптических констант пленок химически активных металлов и сплавов.
Известен способ определения оптических констант, авторы которого определяли оптические константы пленок Pr, Eu, Tm, полученных методом электронно-лучевого испарения. С использованием источника синхротронного излучения в видимом, ультрафиолетовом и мягком рентгеновском излучении были получены спектры пропускания и поглощения пленок РЗМ. Значения коэффициента поглощения k и показателя преломления n были рассчитаны с использованием закона Бугера-Ламберта-Бера и интегралов Крамерса-Кронига, соответственно. (M. Fernández-Perea , M. Vidal-Dasilva , J. A. Aznárez et al. Transmittance and optical constants of evaporated Pr, Eu and Tm films in the 4 − 1600 eV spectral range // Proc. SPIE, Advances in X-Ray/EUV Optics and Components III. 2008.Vol 7077, doi:10.1117/12.793740).
Однако недостатком известного способа является возможность исследования и измерения оптических свойств пленок только in-situ во избежание окисления образцов кислородом воздуха.
-9
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является способ измерения оптических констант металлического кальция с использованием эллипсометрии, который предварительно был напылен в вакууме на подложку в виде тонкой пленки (O. Hunderi “Optical properties of metallic calcium”, J/ Phys.F: Metal Phys., vol. 6, №6, 1976). При этом оптические исследования проводят в той же камере, что и напыление, в условиях сверхвысокого вакуума (Р~10Torr).
К недостаткам известного способа относится возможность измерения оптических параметров только в вакууме вследствие высокой химической активности металла, что значительно усложняет процесс измерения, при этом отдельную сложность составляет юстировка пучка поляризованного света относительно пленки и окон вакуумной камеры, а также оценка погрешностей измерения.
Таким образом, перед авторами была поставлена задача разработать способ определения оптических констант пленок химических активных металлов или их сплавов, позволяющий упростить процесс получения за счет осуществления возможности проводить оптические измерения на воздухе.
Поставленная задача решена в предлагаемом способе определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов, включающем измерения эллипсометрических параметров Δ и Ψ пленки соответствующего металла или его сплава, предварительно нанесенной путем вакуумного напыления на подложку с последующим расчетом значений констант, в котором пленку толщиной 0,5-0,6 мкм наносят на внешнюю поверхность нижней грани треугольной 45-градусной призмы, выполненной из оптического стекла, при этом на наружную и боковую поверхность пленки наносят путем вакуумного напыления слой алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм, а эллипсометрические параметры Δ и Ψ определяют по формулам:
;   (1)
,  (2)
Э
Э
m
Б
1
где Δ, ψ— экспериментально измеренные значения Δ и ψ, ψ — минимальная эллиптичность отраженного света при угле Брюстера φ=arctg n, выражаемая как
,  (3)
0
1
сл
сл
где  n =1 (воздух), n =1.51 (стекло), n, d– показатель преломления и толщина переходного слоя воздух-стекло.
В настоящее время из патентной и научно-технической литературы не известен способ определения оптических констант пленок химически активных металлов или их сплавов с использованием эллипсометрии путем нанесения пленки толщиной 0,5-0,6 мкм на внешнюю поверхность нижней грани треугольной 45-градусной призмы, выполненной из оптического стекла с нанесением  на наружную и боковую поверхности пленки  путем вакуумного напыления слоя алюминия толщиной 0,5-1,0 мкм, с последующим определением  эллипсометрических параметров Δ и Ψ  по предлагаемым формулам.
В предлагаемом способе авторы осуществляют измерения эллипсометрических параметров в соответствии с геометрией Кречмана, то есть для луча, отраженного от пленки химически активного металла или его сплава, прилегающей к нижней грани 45-градусной треугольной призмы (см. фиг.1). На фиг.1 представлена схема, где 1 - призма, 2- пленка химически активного металла или его сплава, 3 – защитный слой алюминия. В настоящее время известно использование геометрии Кречмана для исследования поверхностных плазмонных резонансов в тонких пленках серебра или золота, толщина d которых меньше глубины проникновения луча света δ (скин-слоя):
, где λ- длина волны, k-коэффициент поглощения пленки. В предлагаемом способе толщина слоев исследуемых химически активных металлов существенно больше скин-слоя d>>δ, что обусловливает использование модифицированных математических формул.  Использование призмы, в отличие от плоскопараллельного стекла, позволяет добиться большей точности измерений за счет того, что падающий луч света входит в верхнюю грань призмы при гораздо меньших углах, близких к нормали (см. фиг.1). Тем самым уменьшаются, в частности, погрешности, связанные с наличием переходного слоя на поверхности стекла, вызванного его обработкой (полировкой и т.д.). Таким образом, использование геометрии Кречмана позволяет повысить точность измерения эллипсометрических параметров за счет увеличения диапазона углов падения.
0
0
0
1
На Фиг.2 изображено прохождение падающего (под углом φ) и отраженного луча света через боковые грани 45-градусной призмы. При угле падения φ=45° эллипсометрические параметры Δ и ψ определяют на стандартном эллипсометре для модели: полубесконечная среда/стекло. В случае, если угол падения φ>45° (как на Фиг.2), истинный угол падения луча света на образец φ  определяют из закона Снеллиуса:
; ,
0
1
где n =1 - показатель преломления воздуха, n=1.51 – показатель преломления стекла, α -угол преломления луча.
Истинные значения эллипсометрических параметров Δ и Ψ определяются по формулам (1) и (2).
2
3
Нанесение слоем большей площади и толщиной 0,5-1,0 мкм алюминия (см. фиг.1) обеспечивает защиту исследуемой пленки от окисления кислородом воздуха, поскольку при попадании  на воздух алюминий покрывается плотной пассивирующей пленкой оксида AlO.
Предлагаемый способ заключается в следующем.
2
3
Пленку толщиной 0,5-0,6 мкм химически активного металла или его сплава наносят способом вакуумного напыления, например, методом термического вакуумного испарения на чистую обезжиренную нижнюю грань треугольной 45-градусной призмы из оптического стекла. Далее, таким же образом, то есть путем вакуумного напыления, наносят второй слой большей площади и толщиной 0,5 – 1,0 мкм на внешнюю (не контактирующую с поверхностью призмы) и боковые поверхности пленки химически активного металла или его сплава алюминия (см. фиг.1). При попадании на воздух алюминий покрывается плотной пассивирующей пленкой оксида AlO, которая обеспечивает защиту первого слоя от окисления кислородом воздуха. Измерения эллипсометрических параметров проводят по геометрии Кречмана.  Эллипсометрические параметры Δ и ψ при этом определяют по формулам, выведенным на основе соотношений, представленных в работе (Мардежов А.С., Свиташев К.К., Швец В.А. «Учет пленки на границе воздух-жидкость при проведении иммерсионных измерений через плоскопараллельный слой жидкости» Украинский физический журнал. -1986. т.31, №1. –С.48-50):
;   (1)
,   (2)
Э
Э
m
Б
1
где Δ, ψ— экспериментально измеренные значения Δ и ψ, ψ — минимальная эллиптичность отраженного света при угле Брюстера φ=arctg n, выражаемая как
,    (3)
0
1
сл
сл
где  n =1 (воздух), n =1.51 (стекло), n, d– показатель преломления и толщина переходного слоя воздух-стекло.
Предлагаемый способ иллюстрируется следующими примерами.
-6
0
Пример 1. На вакуумной установке ВУП-5М (давление около p=10Торр) методом термического испарения на нижнюю грань 45-градусной призмы из оптического стекла K8 сначала была нанесена пленка лантана, толщиной 0.5мкм и покрыта слоем алюминия толщиной  0,5 мкм. Измерение эллипсометрических параметров Δ и ψ проводилось на эллипсометре ЛЭФ-3М (длина волны 0,6328 мкм, угол падения φ=82°), по схеме, показанной на фиг.2.
0
0
1
1
Э
Э
Согласно соотношению (1), если φ=82°, n =1 (воздух), n =1.51 (стекло К8), то sin α= 0,39855 => α=23,48°, φ=68.48°. Измеренные значения Δ и ψ при длине волны λ=0.6328 мкм равны ψ=33°, Δ=92.2°. Согласно формулам (1-3):
;
Поскольку поправка для Δ, вычисленная по формулам (2,3) как правило очень мала (), то ею можно пренебречь.
Используя уравнения однородной полубесконечной среды :
La
La
были вычислены показатель преломления и коэффициент поглощения пленки лантана при длине волны λ=0,6328мкм, равные n=1.8, k=3.05. Полученные значения хорошо согласуются с результатами, приведенными в работе (Князев Ю.В., Кузьмин Ю.И., Кириллова М.М. Оптическое поглощение в легких редкоземельных металлах (La, Ce, Pr, Nd) // Физика металлов и металловедение. 1995. Т.79, c.60-69).
-6
0
Пример 2. На вакуумной установке ВУП-5М (давление около p=10Торр) методом термического испарения на нижнюю грань 45-градусной призмы из оптического стекла K8 сначала была нанесена пленка неодима, толщиной 0.5мкм и покрыта слоем алюминия толщиной около 0,5 мкм. Измерение эллипсометрических параметров Δ и ψ проводилось на эллипсометре ЛЭФ-3М (длина волны 0,6328 мкм, угол падения φ=82°), по схеме, показанной на Фиг.2.
0
0
1
1
Э
Э
Согласно соотношению (1), если φ=82°, n =1 (воздух), n =1.51 (стекло К8), то sin α= 0,39855 => α=23,48°, φ=68.48°. Измеренные значения Δ и ψ при длине волны λ=0.6328 мкм равны ψ=31.66, Δ=89.91. Согласно формулам (1-3):
;
Поскольку поправка для Δ, вычисленная по формулам (2, 3), как правило, очень мала (), то ею можно пренебречь.
Используя уравнения однородной полубесконечной среды:
Nd
Nd
были вычислены показатель преломления и коэффициент поглощения пленки неодима при длине волны λ=0,6328мкм, равные n=1.9, k=2.85. Полученные значения хорошо согласуются с результатами, приведенными в работе (Князев Ю.В., Кузьмин Ю.И., Кириллова М.М. Оптическое поглощение в легких редкоземельных металлах (La, Ce, Pr, Nd) // Физика металлов и металловедение. 1995. Т.79, c.60-69).
Таким образом, авторами предлагается высокоточный способ определения оптических постоянных тонких пленок химически активных металлов и сплавов с использованием метода эллипсометрии на воздухе.