mateltechИзвестия высших учебных заведений. Материалы электронной техникиIzvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii. Materialy Elektronnoi Tekhniki = Materials of Electronics Engineering1609-35772413-6387MISIS10.17073/1609-3577-2022-2-154-163mateltech-479Research ArticleФизические свойства и методы исследованияPHYSICAL CHARACTERISTICS AND THEIR STUDYВозможности многоугловой спектрофотометрии для определения параметров пленок на однослойных структурахThe possibilities of multi-angle spectrophotometry for determining the parameters of films on single-layer structureshttps://orcid.org/0000-0003-4057-9718КозловаН. С.KozlovaN. S.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Козлова Нина Семеновна — канд. физ.-мат. наук, ведущий эксперт

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Nina S. Kozlova — Сand. Sci. (Phys.-Math.), Leading Expert

kozlova_nina@mail.ruhttps://orcid.org/0000-0002-0623-0013ЛевашовЕ. А.LevashovE. A.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Левашов Евгений Александрович — докт. техн. наук, акад. РАЕН, профессор, зав. кафедрой порошковой металлургии и функциональных покрытий, директор Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза МИСиС–ИСМАН

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Evgeny A. Levashov — Dr. Sci. (Eng.), Acad. RANS, Professor, Head of Department of Powder Metallurgy and Coatings, Director of the Scientific-Educational Center of SHS (Self-Propagating High-Temperature Synthesis)

 

levashov@shs.misis.ruhttps://orcid.org/0000-0003-1635-4746Кирюханцев-КорнеевФ. В.Kiryukhantsev-KorneevPh. V.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Кирюханцев-Корнеев Филипп Владимирович — канд. техн. наук, доцент кафедры порошковой металлургии и функциональных покрытий, заведующий лабораторией «In situ диагностика структурных превращений» Научно-учебного центра самораспространяющегося высокотемпературного синтеза МИСиС–ИСМАН

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Philipp V. Kiryukhantsev-Korneev — Cand. Sci. (Eng.), Associate Professor of the Department of Powder Metallurgy and Functional Coatings, Head of the Laboratory “In situ Diagnosis of Structural Transformations” of the Scientific-Educational Center of SHS (Self-Propagating High-Temperature Synthesis)

kiruhancev-korneev@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-8668-5877СытченкоА. Д.SytchenkoA. D.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Сытченко Алина Дмитриевна — младший научный сотрудник, Научно-учебный центр самораспространяющегося высокотемпературного синтеза МИСиС–ИСМАН

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Alina D. Sytchenko — Junior Researcher, Scientific-Educational Center of SHS (Self-Propagating High-Temperature Synthesis)

 

alina-sytchenko@yandex.ruhttps://orcid.org/0000-0002-5844-5673ЗабелинаЕ. В.ZabelinaE. V.

Ленинский просп., д. 4, стр. 1, Москва, 119049

Забелина Евгения Викторовна — канд. физ.-мат. наук, научный сотрудник

4-1 Leninsky Ave., Moscow 119049

Evgenia V. Zabelina — Сand. Sci. (Phys.-Math.), Researcher

zabev@mail.ruНациональный исследовательский технологический университет «МИСиС»РоссияNational University of Science and Technology MISiSRussian Federation202221072022252154163Copyright © Козлова Н.С., Левашов Е.А., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Сытченко А.Д., Забелина Е.В., 20222022Козлова Н.С., Левашов Е.А., Кирюханцев-Корнеев Ф.В., Сытченко А.Д., Забелина Е.В.Kozlova N.S., Levashov E.A., Kiryukhantsev-Korneev P.V., Sytchenko A.D., Zabelina E.V.Данная работа распространяется под лицензией Creative Commons Attribution 4.0.This work is licensed under a Creative Commons Attribution 4.0 License.https://met.misis.ru/jour/article/view/479

Методом магнетронного распыления постоянного тока изготовлены однослойные пленки Ta—Si—C—N на подложках из плавленого кварца. Структурное совершенство пленок исследовано методами рентгеноструктурного анализа, сканирующей электронной микроскопии и оптической эмиссионной спектроскопии тлеющего разряда. Оптические параметры пленок определены методом многоугловой спектрофотомерии. Получены спектральные зависимости коэффициентов пропускания подложек и структур при нормальном падении света в диапазоне длин волн 200—2500 нм. Показано, что спектр коэффициентов пропускания образца имеет осциллирующий характер, который обусловлен интерференционными явлениями, характерными для слоистых структур. Измерены спектральные зависимости коэффициентов отражения пленок и подложек в диапазоне длин волн 200—2500 нм при малых углах падения света. По величине разницы между коэффициентом отражения в максимуме интерференции пленки и соответствующим коэффициентом отражения подложки при этой же длине волны показано, что поглощение в пленке мало. Получена формула для определения коэффициента поглощения пленки по измеренным параметрам. На основании экспериментальных и расчетных данных построены спектральные зависимости коэффициентов поглощения подложки, структуры и пленки. Методом отражения при двух углах падения, основанном на определении положения интерференционных экстремумов на спектральных зависимостях коэффициентов отражения, рассчитаны дискретные значения коэффициентов преломления в диапазоне длин волн 400—1200 нм. Полученные величины аппроксимированы уравнением Коши. Рассчитана толщина пленки, которая составила dпл. = 1046 нм ± 13 %. Построены спектральные зависимости показателей ослабления пленки с учетом и без учета отражения. Представлена сводная таблица с полученными значениями коэффициентов преломления и показателей поглощения с учетом и без учета отражения.

Single-layer Ta-Si-C-N films on fused quartz substrates were made by direct current magnetron sputtering. The structural perfection of the film was investigated by X-ray diffraction analysis, scanning electron microscopy and optical emission spectroscopy of glow discharge. The optical parameters of the films were determined by the method of multi-angle spectrophotometry. Spectral dependences of the transmission coefficients of substrates and structures at normal light incidence in the wavelength range of 200—2500 nm are obtained. It is shown that the transmission spectrum of the sample has an oscillating character, which is caused by interference phenomena characteristic of layered structures. Spectral dependences of the reflection coefficients of films and substrates in the wavelength range of 200—2500 nm at small angles of incidence of light are obtained. By the magnitude of the difference between the reflection coefficient at the maximum of the interference of the film and the corresponding reflection coefficient of the substrate at the same wavelength, it is shown that the absorption in the film is low. A formula is obtained for determining the absorption coefficient of a film from the measured parameters. Based on the experimental data obtained, spectral dependences of the absorption coefficients of the substrate, structure and film are constructed. The method of reflection at two angles of incidence, based on the determination of the position of the interference extremes on the spectral dependences of the reflection coefficients, calculated discrete values of the refractive coefficients in the wavelength range 400—1200 nm. The obtained values are approximated by the Cauchy equation. The film thickness was calculated, which was d = 1046 nm ± 13%. Spectral dependences of the film attenuation indices with and without reflection are constructed. A summary table is presented with the obtained values of the refractive coefficients and absorption indices with and without reflection.

многоугловые методы спектрофотомерииспектральный коэффициент пропусканияспектральный коэффициент отражениепоказатель поглощениякоэффициент преломленияmulti-angle spectrophotometry methodsspectral transmission coefficientspectral reflection coefficientabsorption indexrefractive indexИсследования проводились при финансовой поддержке госзадания FSME-2020-0031 (0718-2020-0031). Измерения проведены в МУИЛ Полупроводниковых материалов и диэлектриков «Монокристаллы и заготовки на их основе» (ИЛМЗ) НИТУ «МИСиС».The studies were carried out with financial support within State Assignment FSME-2020-0031 (0718-2020-0031) at the Accredited Test Laboratory of Single Crystals and Stock on their Base of National University of Science and Technology MISiS.ReferencesКондрашин В.И. Определение толщины тонких оптически прозрачных пленок SnO2 конвертным методом. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Технические науки. 2016; 38(2): 93—101. https://izvuz_tn.pnzgu.ru/tn8216Kondrashin V.I. Determination of SnO2 thin optically transparent films’ thickness by the envelope method. University Proceedings. Volga Region. Engineering Sciences. 2016; 38(2): 93—101. (In Russ.). https://izvuz_tn.pnzgu.ru/tn8216Усанов Д.А., Скрипаль Ал.В., Скрипаль Ан.В., Абрамов А.В., Боголюбов А.С., Бакуи А. Измерение параметров нанометровых пленок оптическими и радиоволновыми методами. Известия высших учебных заведений. Электроника. 2010; 83(3(83)): 44—50. https://elibrary.ru/mngzfdUsanov D.A., Skripal Al.V., Skripal An.V., Abramov A.V., Bogolyubov A.S., Bakui A. Measurement of parameters of nanometer films by optical and radio wave methods. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Elektronika = Proceedings of Universities. Electronics. 2010; 83(3(83)): 44—50. (In Russ.). https://elibrary.ru/mngzfdКиселев Д.А., Жуков Р.Н., Быков А.С., Малинкович М.Д., Пархоменко Ю.Н., Выговская Е.А. Инициирование поляризованного состояния в тонких пленках ниобата лития, синтезированных на изолированные кремниевые подложки. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2012; (2): 25—29. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2012-2-25-29Kiselev D.A., Zhukov R.N., Bykov A.S., Malinkovich M.D., Parkhomenko Yu.N., Vygovskaya E.A. Initiation of polarized state in lithium niobate thin films synthesized on isolated silicon substrates. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Materialy elektronnoi tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2012; (2): 25—29. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2012-2-25-29Журавлева П.Л., Щур П.А., Мельников А.А. Изучение структурных параметров тонких пленок аналитическими методами. Труды ВИАМ. 2019; 78(6): 104—113. https://dx.doi.org/10.18577/2307-6046-2019-0-6-104-113Zhuravleva P.L., Shchur P.A., Melnikov A.A. Study of the structural parameters of thin films by analytical methods. Trudy VIAM. 2019; 78(6): 104—113. https://dx.doi.org/10.18577/2307-6046-2019-0-6-104-113Шаяпов В.Р. Комплексный подход к определению физических свойств тонких пленок. В сб. материалов: «Третий междисциплинарный молодежный научный форум с международным участием «Новые материалы». Москва, 21–24 ноября 2017 г. М.: ООО «Буки Веди»; 2017: 386. https://elibrary.ru/xnvfytShayapov V.R. An integrated approach to the determination of the physical properties of thin films. In: Third interdisciplinary youth scientific forum with international participation “New Materials”. Moscow; 2017. 386 p. (In Russ). https://elibrary.ru/xnvfytБрус В.В., Ковалюк З.Д., Марьянчук П.Д. Оптические свойства тонких пленок TiO2−MnO2, изготовленных по методу электронно-лучевого испарения. Журнал технической физики. 2012; 82(8): 110—113. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/10683Brus V.V., Kovalyuk Z.D., Maryanchuk P.D. Optical properties of TiO2–MnO2 thin films fabricated by electron-beam evaporation. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki. 2012; 82(8): 110—113. (In Russ). https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/10683Бобровников Ю.А., Козарь А.В., Попов К.В., Тихонов А.Н., Тихонравов А.В., Трубецков М.К. Исследование неоднородности тонких пленок спектрофотометрическими методами. Вестник Московского университета. Серия 3. Физика, Астрономия. 1997; (4): 24—27. http://vmu.phys.msu.ru/file/1997/4/97-4-24.pdfBobrovnikov Yu.A., Kozar’ A.V., Popov K.V., Tikhonov A.N., Tikhonravov A.V., Trubetskov M.K. Investigation of the inhomogeneity of thin films by spectrophotometric methods. Vestnik Moskovskogo universiteta. Seriya 3. Fizika, Astronomiya. 1997; (4): 24—27. (In Russ.). http://vmu.phys.msu.ru/file/1997/4/97-4-24.pdfСоколов В.И., Марусин Н.В., Панченко В.Я., Савельев А.Г., Семиногов В.Н., Хайдуков Е.В. Определение показателя преломления, коэффициента экстинкции и толщины тонких пленок методом возбуждения волноводных. Квантовая электроника. 2013; 43(12): 1149—1153. http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=qe&paperid=15272&option_lang=rusSokolov V.I., Marusin N.V., Panchenko V.Ya., Savelyev A.G., Seminogov V.N., Khaidukov E.V. Determination of refractive index, extinction coefficient and thickness of thin films by the method of waveguide mode excitation. Kvantovaya elektronika. 2013; 43(12): 1149—1153. (In Russ.). http://www.mathnet.ru/php/archive.phtml?wshow=paper&jrnid=qe&paperid=15272&option_lang=engВанюхин К.Д., Захарченко Р.В., Каргин Н.И., Сейдман Л.А. Технологические особенности формирования прозрачных проводящих контактов из пленки ITO для светодиодов на основе нитрида галлия. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2013; (2): 60—64. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2013-2-60-64Vanyukhin K.D., Zakharchenko R.V., Kargin N.I., Seidman L.A. Peculiarity of forming transparent conducting films on basis of oxides indium-tin for contacts on GaN-based light emitting diodes. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Materialy elektronnoi tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2013; (2): 60—64. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2013-2-60-64Абгарян К.К., Бажанов Д.И., Мутигуллин И.В. Теоретическое исследование электронных и геометрических характеристик тонких пленок AlN. Известия высших учебных заведений. Материалы электронной техники. 2015; 18(1): 48—51. https://doi.org/10.17073/1609-3577-2015-1-48-51Abgaryan K.K., Bazhanov D.I., Mutigullin I.V. Theoretical investigation of electronic and structural properties of AlN thin films. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedenii. Materialy elektronnoi tekhniki = Materials of Electronics Engineering. 2015; 18(1): 48—51. (In Russ.). https://doi.org/10.17073/1609-3577-2015-1-48-51Хомченко А.В., Сотский А.Б., Романенко А.А., Глазунов Е.В., Шульга А.В. Волноводный метод измерения параметров тонких пленок. Журнал технической физики. 2005; 75(6): 98—106. https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/8584Khomchenko A.V., Sotsky A.B., Romanenko A.A., Glazunov E.V., Shulga A.V. Waveguide method for measuring the parameters of thin films. Zhurnal tekhnicheskoy fiziki. 2005; 75(6): 98—106. (In Russ.). https://journals.ioffe.ru/articles/viewPDF/8584Сахбиев Т.Р. Двухчастотные методы определения толщины и диэлектрических параметров тонких пленок. Новое слово в науке: перспективы развития. 2015; 4(6): 171—172. https://elibrary.ru/xxxsbvSakhbiev T.R. Two-frequency methods for determining the thickness and dielectric parameters of thin films. Novoye slovo v nauke: perspektivy razvitiya. 2015; 4(6): 171–172. (In Russ.). https://elibrary.ru/xxxsbvTikhonravov A.V., Trubetskov M.K., Amotchkina T.V., DeBell G., Pervak V., Krasilnikova-Sytchkova A., Grilli M.L., Ristau D. Optical parameters of oxide films typically used in optical coating production. Applied Optics. 2011; 50(9): C75—C85. https://doi.org/10.1364/AO.50.000C75Tikhonravov A.V., Trubetskov M.K., Amotchkina T.V., DeBell G., Pervak V., Krasilnikova-Sytchkova A., Grilli M.L., Ristau D. Optical parameters of oxide films typically used in optical coating production. Applied Optics. 2011; 50(9): C75—C85. https://doi.org/10.1364/AO.50.000C75Tikhonravov A.V., Amotchkina T.V., Trubetskov M.K., Francis R.J., Janicki V., Sancho-Parramon J., Zorc H., Pervak V. Optical characterization and reverse engineering based on multiangle spectroscopy. Applied Optics. 2012; 51(2): 245—254. https://doi.org/10.1364/AO.51.000245Tikhonravov A.V., Amotchkina T.V., Trubetskov M.K., Francis R.J., Janicki V., Sancho-Parramon J., Zorc H., Pervak V. Optical characterization and reverse engineering based on multiangle spectroscopy. Applied Optics. 2012; 51(2): 245—254. https://doi.org/10.1364/AO.51.000245Аюпов Б.М., Зарубин И.А., Лабусов В.А., Суляева В.С., Шаяпов В.Р. Поиск начального приближения при решении обратных задач в эллипсометрии и спектрофотометрии. Оптический журнал. 2011; 78(6): 3—9. https://elibrary.ru/tpooczAyupov B.M., Zarubin I.A., Labusov V.A., Sulyaeva V.S., Shayapov V.R. Searching for the starting approximation when solving inverse problems in ellipsometry and spectrophotometry. Journal of Optical Technology. 2011; 78(6): 350—354. https://doi.org/10.1364/jot.78.000350Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов. М.: Техносфера; 2007. 362 с.Shmidt V. Optical spectroscopy for chemists and biologists. Moscow: Tekhnosfera; 2007. 362 p. (In Russ.)Кларк Э.Р., Эберхардт К.Н. Микроскопические методы исследования материалов. М.: Техносфера; 2007. 376 с.Klark E.R., Eberkhardt K.N. Microscopic methods for studying materials. Moscow: Tekhnosfera; 2007. 376 p. (In Russ.)Бёккер Ю. Спектроскопия. М.: Техносфера; 2009. 528 с.Bokker U. Spectroscopy. Moscow: Tekhnosfera; 2009. 528 p. (In Russ.)Ландсберг Г.С. Оптика: учеб. пособие. 6-е изд. М.: Физмалит; 2006. 848 с.Landsberg G.S. Optics: textbook for universities. Moscow: Fizmalit; 2006. 848 p. (In Russ.)Константинова А.Ф., Гречушников Б.Н., Бокуть Б.В., Валяшко Е.Г. Оптические свойства кристаллов. Минск: Навука i тэхнiка;1995. 302 с.Konstantinova A.F., Grechushnikov B.N., Bokut B.V., Valyashko E.G. Optical properties of crystals. Minsk: Navuka i tekhnika; 1995. 303 p. (In Russ.)Толмачев Г.Н., Ковтун А.П., Захарченко И.Н., Алиев И.М., Павленко А.В., Резниченко Л.А., Вербенко И.А. Синтез, структура и оптические характеристики тонких пленок ниобата бария-стронция. Физика твердого тела. 2015; 57(10): 2050—2055. http://journals.ioffe.ru/articles/42276Tolmachev G.N., Kovtun A.P., Pavlenko A.V., Zakharchenko I.N., Aliev I.M., Reznichenko L.A., Verbenko I.A. Synthesis, structure, and optical characteristics of barium-strontium niobate thin films. Physics of the Solid State. 2015; 57(10): 2106—2111. https://doi.org/10.1134/S1063783415100339Аюпов Б.М., Румянцев Ю.М., Шаяпов В.Р. Особенности определения толщины диэлектрических пленок, полученных в поисковых экспериментах. Поверхность. Рентгеновские, синхротронные и нейтронные исследования. 2010; (5): 100—105. https://elibrary.ru/msqeajAyupov B.M., Rumyantsev Yu.M., Shayapov V.R. Particular features of determination of the thickness of dielectric films obtained in researches. Poverkhnost’. rentgenovskiye, sinkhrotronnyye i neytronnyye issledovaniy. 2010; (5): 100—105. (In Russ.). https://elibrary.ru/msqeajManifacier J.C., Gasiot J., Fillard J.P. А simple method for the determination of the optical constants n, h and the thickness of a weakly absorbing thin film. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1976; 9(11): 1002—1004. https://doi.org/10.1088/0022-3735/9/11/032Manifacier J.C., Gasiot J., Fillard J.P. А simple method for the determination of the optical constants n, h and the thickness of a weakly absorbing thin film. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1976; 9(11): 1002—1004. https://doi.org/10.1088/0022-3735/9/11/032Swanepoel R. Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1983; 16(12): 1214—1223. https://doi.org/10.1088/0022-3735/16/12/023Swanepoel R. Determination of the thickness and optical constants of amorphous silicon. Journal of Physics E: Scientific Instruments. 1983; 16(12): 1214—1223. https://doi.org/10.1088/0022-3735/16/12/023Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sytchenko A.D., Sviridov T.A., Sidorenko D.A., Andreev N.V., Klechkovskay V.V., Polčak J., Levashov E.A. Effects of doping with Zr and Hf on the structure and properties of Mo-Si-B coatings obtained by magnetron sputtering of composite targets. Surface and Coatings Technology. 2022: 128141. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128141Kiryukhantsev-Korneev Ph.V., Sytchenko A.D., Sviridov T.A., Sidorenko D.A., Andreev N.V., Klechkovskay V.V., Polčak J., Levashov E.A. Effects of doping with Zr and Hf on the structure and properties of Mo-Si-B coatings obtained by magnetron sputtering of composite targets. Surface and Coatings Technology. 2022: 128141. https://doi.org/10.1016/j.surfcoat.2022.128141Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука; 1970. 855 с.Born M., Vol’f E. Fundamentals of optics. Moscow: Nauka; 1970. 855 p. (In Russ.)Карамалиев Р.А., Каджар Ч.О. Оптические свойства композитных тонких пленок, содержащих наночастицы серебра. Журнал прикладной спектроскопии. 2012; 79(3): 424—429. https://elibrary.ru/oxoqwfKaramaliyev R.A., Qajar C.O. Optical properties of composite thin films containing silver nanoparticles. Journal of Applied Spectroscopy. 2012; 79(3): 404—409. https://doi.org/10.1007/s10812-012-9615-1Шалимова К.В. Физика полупроводников: учебник. М.: Энергия; 1971. 400 с.Shalimova K.V. Physics of semiconductors. Moscow: Energiya; 1971. 400 p. (In Russ.)Ефимов А.М. Оптические свойства материалов и механизмы их формирования: учеб. пособие. СПб.: СПбГУИТМО; 2008. 103 с.Efimov A.M. Optical properties of materials and mechanisms of their formation: textbook. Saint Petersburg: SPbGUITMO; 2008. 103 p. (In Russ.)Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами / пер. с англ. М.: Мир; 1986. 664 с.Bohren C.F., Huffman D.R. Absorption and scattering of light by small particles. John Wiley & Sons, Inc.; 1983. 545 p.

The authors declare that there are no conflicts of interest present.