Возможности многоугловой спектрофотометрии для определения параметров пленок на однослойных структурах

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 d_пл. = 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.

1. Кондрашин 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/tn8216

2. Усанов 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/mngzfd

3. Киселев 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/10.17073/1609-3577-2012-2-25-29

4. Журавлева 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/10.18577/2307-6046-2019-0-6-104-113

5. Шаяпов 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/xnvfyt

6. Брус 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/10683

7. Бобровников 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.pdf

8. Соколов 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=rus

9. Ванюхин 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/10.17073/1609-3577-2013-2-60-64

10. Абгарян 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/10.17073/1609-3577-2015-1-48-51

11. Хомченко 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/8584

12. Сахбиев 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/xxxsbv

13. Tikhonravov 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.50.000C75

14. Tikhonravov 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.51.000245

15. Аюпов 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/tpoocz

16. Шмидт В. Оптическая спектроскопия для химиков и биологов. М.: Техносфера; 2007. 362 с.

17. Кларк Э.Р., Эберхардт К.Н. Микроскопические методы исследования материалов. М.: Техносфера; 2007. 376 с.

18. Бёккер Ю. Спектроскопия. М.: Техносфера; 2009. 528 с.

19. Ландсберг Г.С. Оптика: учеб. пособие. 6-е изд. М.: Физмалит; 2006. 848 с.

20. Константинова А.Ф., Гречушников Б.Н., Бокуть Б.В., Валяшко Е.Г. Оптические свойства кристаллов. Минск: Навука i тэхнiка;1995. 302 с.

21. 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/42276

22. Аюпов 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/msqeaj

23. Manifacier 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/10.1088/0022-3735/9/11/032

24. Swanepoel 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/10.1088/0022-3735/16/12/023

25. Kiryukhantsev-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.2022.128141

26. Борн М., Вольф Э. Основы оптики. М.: Наука; 1970. 855 с.

27. 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/oxoqwf

28. Шалимова К.В. Физика полупроводников: учебник. М.: Энергия; 1971. 400 с.

29. Ефимов А.М. Оптические свойства материалов и механизмы их формирования: учеб. пособие. СПб.: СПбГУИТМО; 2008. 103 с.

30. Борен К., Хафмен Д. Поглощение и рассеяние света малыми частицами / пер. с англ. М.: Мир; 1986. 664 с.