книги из ГПНТБ / Крылова Т.Н. Интерференционные покрытия. Оптические свойства и методы исследования

В коротковолновой части пленка обладает заметным поглощением (максимум пропускания ниже пропускания пластины без пленки). Кривая 3 получена для той же пленки после прогрева при 400° С, после чего прозрачность в области 400 нм возросла (максимумы со­ впадают с кривой / ) . При получении пленок Т Ю 2 из растворов боль­ шую роль играет термообработка. Недостаточно высокая темпера­ тура прогрева дает ряд промежуточных соединений более низкого показателя преломления, снижающих светопропускание в коротко­ волновой области [4, 69].

Определить дисперсию показателя преломления вещества пленок можно также измерением коэффициента отражения на образцах

ГА,%

,

Ч

1/

В упомянутой работе на подложку из стекла была нанесена клино­ видная пленка и измерение коэффициента отражения производилось на определенных расстояниях х от одного края образца до другого, например, через каждые 5 мм. Полученная зависимость R от х,

обычно в той или иной степени неоднородны. Наиболее частый вид неоднородности — это более низкое значение показателя преломления пленки на границе с воздухом, и более высокое на границе с под­ ложкой. У пленок, подвергнутых быстрой термообработке при высо­

показателя преломления. Неоднородность, представляющую собой постепенное изменение показателя преломления от одной границы к другой, можно охарактеризовать двумя значениями показателя преломления пленки щ — на границе с воздухом и пі — на гра­

*,2

о

Рис. VI 1.6. Отражение света неоднородной плен­ кой с низким показателем преломления

отражение в минимумах равно отражению от подложки. Наблю­ даемые отступления от этой закономерности вызваны неоднород­ ностью пленок по показателю преломления. Если у пленок с низким показателем преломления значение последнего уменьшается к гра­ нице раздела с воздухом (п'1 >• nl), то отражение в максимуме будет ниже, чем отражение от подложки. При обратном направлении изме­ нения показателя преломления (п'1 < п2) оно будет выше. При

случаях равно отражению от подложки (4,2%). У неоднородной плен-

Когда (3 = kn (k — целое число),

(VII.7)

V « 2 + "3Д 2 /

С помощью выражений (VII.5) и (VII.6), если не учитывать диспер­ сии п2 , можно определить п'2 и п2', а также оптическую толщину, которая входит в р\ поскольку у неоднородных пленок при отсутствии поглощения положение экстремумов сохраняется. Описанный метод дает возможность учесть неоднородность пленки, что очень важно при определении показателя преломления по максимальному зна­ чению Rv

В настоящее время многие исследователи [121], считают, что структура пленки может быть значительно сложнее. Есть основания предполагать, что на границах раздела с воздухом или подложкой, или одновременно на той и другой возможно образование переходных слоев в результате взаимодействия окружающей среды с поверх­ ностью подложки и пленки. Природа переходного слоя неясна, но совершенно очевидно, что возможность его образования и его тол­ щина зависят от условий нанесения и подготовки подложки. Можно назвать не менее 12 факторов, определяющих структуру образую­ щейся пленки: влажность окружающей среды, условия вакуума, скорость осаждения слоя, температура подложки в процессе оса­ ждения слоя, температура и способ последующей термообработки и др. Наличие переходного слоя на границе с воздухом сильно из­ меняет отражение света под углом Брюстера. Это может служить чувствительным методом его определения. Однако надо быть осто­ рожным при интерпретации результатов', чтобы не придти к ошибоч­ ным выводам [118, 119, 120, 121, 123].

Электронно-микроскопические исследования и применение ме­ тодов дифракции электронов дали возможность обнаружить кристал­ лическую структуру многих слоев и установить их анизотропию. Если кристаллики одноосны и их оси направлены по нормали к огра­ ничивающим плоскостям, анизотропия не вносит изменений в ре­ зультаты спектрофотометрирования. При косом падении наблюдаемые изменения могут служить методом ее исследования [69, 120, 123].

Наличие поглощения, как и все перечисленные выше отступления от идеальной пленки, вызывает значительные изменения спектраль­ ного отражения (кривая рис. VII.4 для 430 нм, а также штриховая кривая 9 рис. III.2) в коротковолновой области спектра для много­ слойного покрытия из слоев Т Ю 2 и Si0 2 .

Поглощение обычно наблюдается у пленок из веществ с высоким показателем преломления в коротковолновой области спектра, при приближении к полосе поглощения, например у Т Ю 2 , Се0 2 , ZnS в области короче 400 нм (см. табл. VII.6). В инфракрасной части спектра также наблюдается появление полос поглощения в резуль­ тате адсорбции воды, наличия групп ОН и различных органических радикалов [12]. Наличие поглощения света в пленке сказывается на

Постепенном понижении максимумов пропускания спектральной кривой, как это видно из рис. VII.б, когда максимумы ниже, чем пропускание подложки.

Определение коэффициентов поглощения в пленках с помощью спектрофотометрических измерений возможно при одновременном измерении Т и R, если пренебречь разностью сдвига фаз на двух гра­ ницах раздела пленки. Точно так же можно измерять последователь­ ные максимумы и минимумы пропускания в процессе роста пленки. Применение методов ограничено пленками высокого показателя пре­ ломления и не всегда дает четкие результаты.

Как было показано, спектральная кривая коэффициента отраже­ ния является достаточно полной, а в ряде случаев однозначной харак­ теристикой тонкой прозрачной пленки на непоглощающей подложке. Вместе с тем, метод недостаточно точен для определения малых погло­ щений и далеко не всегда дает возможность раздельно оценить влия­ ние поглощения, рассеяния, дисперсии и других характеристик, свойственных экспериментально получаемым пленкам. Вопрос ме­ тодики исследования перечисленных выше параметров до настоящего времени остается открытым и требует разрешения путем усовершен­ ствования существующих и создания новых методов исследования тонких пленок. Интерес этот, помимо чисто познавательного, имеет

поглощающей подложке можно проводить в проходящем и отражен­ ном свете. При исследовании тонких пленок измерение коэффициента отражения обладает рядом преимуществ, поскольку подложка, зна­ чительно превосходящая пленку по толщине, может оказать суще­ ственное влияние на полученный результат.

Описанный спектрофотометрический метод пригоден для измере­

ния пленок оптической толщиною не менее - ^ р , где Хм — положение первого экстремума в пленке для меньшей длины волны выбранного спектрального интервала. В видимой области минимальная оптиче­

ствующей длиной волны.

Для определения величины RML или RM3 между показателями преломления подложки и пленки должна быть ощутимая разница,

Использование спектрофотометрических измерений коэффициента отражения для определения оптических характеристик прозрачных интерференционных покрытий — метод достаточно широко и давно известный, не потерявший своего значения до настоящего времени. Однако, несмотря на кажущуюся простоту, при его использовании часто возникают практические осложнения, поскольку в процессе измерений необходимо строго соблюдать ряд элементарных требо­ ваний. Так, например, пути, проходимые светом, отраженным от эталона и образца, должны быть совершенно одинаковы. Метод, использующий многократные отражения, строго говоря, несколько

ный спектр. При работе в видимой и близкой инфракрасной областях удобно пользоваться лампой накаливания типа кинопроекционной, обладающей достаточной интенсивностью. Однако последняя зна­

Измерение коэффициента отражения можно производить по сравнению с падающим пучком света и по сравнению с эталоном, коэффициент отражения которого известен. Наиболее точные ре­ зультаты получаются, если коэффициенты отражения эталона и испытуемого образца близки между собой. В качестве эталонов удобно пользоваться устойчивыми, химически неактивными вещест­ вами, поверхность которых длительно сохраняет устойчивое зна­ чение коэффициента отражения: некоторые оптические стекла (кроны) кварцевое стекло (плавленый-кварц), металлический кремний и др., у которых коэффициент отражения отвечает значениям, рассчитанным по формуле Френеля (1.45). Неправильные исходные значения эта­ лона, к сожалению, одна из часто встречающихся ошибок измерения. Измерения коэффициента отражения можно производить при падении

света по нормали, однако это встречает экспериментальные затрудне­ ния, а потому чаще используют малые углы падения: 5—10°, когда разница в отражении s- и р-составляющих еще невелика. Для нане­ сения пленок лучше всего брать подложки клиновидной формы с не­ большим углом, не менее 3—5°, чтобы убрать отражение от второй поверхности.

Для измерения спектрального коэффициента отражения Rx в принципе можно пользоваться очень простой установкой, состоящей из источника излучения, монохроматора, выделяющего узкие уча­

пользования такой установки и достижимую точность определения оптических характеристик прозрачных пленок можно иллюстриро­ вать рядом примеров измерения показателей преломления пленок ТЛ02 и S i 0 2 в области 400—700 нм при угле падения, равном 8°. Значения коэффициента отражения порядка 4—5% измерялись с точ­ ностью 0,05—0,1%, что позволило установить значение показателя преломления пленок S i 0 2 с ошибкой порядка +0,005. Точность опре­

можность измерения коэффициента отражения при различных углах

отечественной и зарубежной промышленностью выпускаются при­ боры, предназначенные для измерения спектрального светопропускания и поглощения в видимой, ультрафиолетовой и инфракрасной областях спектра [72]. Эти приборы в большинстве случаев пригодны для исследований тонких пленок. Для измерения коэффициента отражения ко многим из них сконструированы специальные насадки, рассчитанные на работу в широком диапазоне длин волн.

Ниже приведены некоторые наиболее известные и простые схемы, используемые для измерения направленного отражения.

Схема Стронга [73] дает возможность определения абсолютного значения коэффициента отражения из отношения двух отсчетов гальванометра в двух положениях эталонного зеркала и испытуемого образца. Отклонение гальванометра может быть вызвано отражением от эталонного зеркала / (рис. VII.8, а), для которого интенсивность светового потока принята равной 100%. На рис. VII.8, б показано двукратное отражение от испытуемого образца 2. Угол падения равен 7°. Существуют различные модификации этой схемы.

Схема насадки к фирменному фотоэлектрическому спектрофо­ тометру (Бекмана), близкому по конструкции к отечественному (СФ4, СФ16), приведена на рис. VII . 9 [124]. Система помещается на выходе лучей / из монохроматора, на место камеры с фотоэле­ ментами, Полупрозрачное зеркало 3 дает возможность определения

186

\

коэффициента отражения при падении света по нормали на испытуе­ мый образец. Коэффициент отражения испытуемого образца 4 опре­ деляется по сравнению с эталонным 5. Автоколлимационный оку­ ляр Гаусса 6 помогает правильной установке эталона и образца и обеспечивает попадание светового пятна на один и тот же участок фотоэлемента. Лучи собираются на фотоэлемент 2 с помощью допол­ нительной линзы. В процессе измерения в ход лучей вводится допол­ нительное зеркало, уводящее луч света в сторону, где он поглощается зачерненными стенками камеры.

Простая, практически успешно ис­ пользуемая насадка ФМ40 спроектиро­ вана к кварцевому спектрофотометру

ра /, частично собирается сферическим зеркалом 2, чтобы световое

При измерении коэффициента отражения (рис. V I I . 10, а) на пути пучка монохроматического света попеременно ставятся эталонный 4

ииспытуемый 5 образцы, отражающие свет на фотоэлемент. Эталон

иобразец.укреплены во вращающейся оправе и с помощью рукоятки перемещаются в плоскости, перпендикулярной к плоскости ри­ сунка. Замена эталона и образца осуществляется поворотом ру­ коятки на 90°. Угол падения света на эталон и образец не более 10°. Измерение ряда образцов различными методами и сравнение полу­ ченных результатов с результатами расчета показало, что расхожде­ ния при измерении низких отражений (до 8—10%) составляют 0,1 —

0,2% и при измерении отражений выше 10% — 0,5 — 1% .

С помощью насадки ФМ40 можно производить также измерения светопропускания (рис. V I I . 10, б). Свет отражается сферическим 2,

а затем плоским 6 зеркалами на фотоэлемент 3. Испытуемый обра­ зец 4 вводится в ход лучей поворотом рукоятки на 90° в обратную сторону по сравнению с измерением отражения, и определяется про-

S) •е

1

Т

Г'Д 4

цент проходящего света. Конструкция предусматривает котировоч­ ные устройства для регулировки светового пятна. Описанная на­

изображение светящегося тела глобара. Отразившись от образца, свет попадает на сферическое зеркало 4 и в виде сходящегося пучка идет к зеркалу В, а затем направляется на щель монохроматора 5.

Насадка состоит из прямоугольной камеры, которая устанавливается на плате прибора и закрепляется двумя винтами, являющимися одновременно юстировочными.

Конструкция оправ зеркал А и В допускает небольшую юсти­ ровку в вертикальной плоскости. Специальные винты позволяют осуществлять повороты сферического зеркала вокруг горизонтальной и вертикальной осей. Каретка с образцом и эталоном крепится сна­ ружи камеры с помощью направляющих типа ласточкина хвоста. Правильность установки камеры, эталона и образца предварительно

контролируется" специальным экраном, который помещается на входное отверстие перед щелью монохроматора. Хорошее разрешение спектров, записанных на приборе с насадкой, свидетельствует о том, что потери излучения невелики. Алюминированные зеркала, ис­ пользованные в схеме, имеют в инфракрасной области коэффициент отражения, близкий к единице. Эталонами сравнения служат алюми­ нированные зеркала, клиновидные пластинки германия, кварца, флюорита и других материалов, коэффициент отражения которых отвечает рассчитанному по формуле Френеля. Измерения показы­ вают, что ошибки не превышают 1—2%.

Схема наиболее совершенного рекламируемого прибора для определения коэффициента отражения, где ошибки, свойственные этим измерениям, по возможности уменьшены, приведена на рис. VII.12, а [126]. Прибор снабжен двойным монохроматором, и измерения можно проводить в широком диапазоне длин волн види­ мой, ультрафиолетовой и инфракрасной областей спектра с точ­ ностью 0,1%. Схема состоит из 21 зеркала. Образец можно вводить и выводить из пучка света. При измерении отражения выходной зра­ чок дважды дает изображение на образце. Угол падения света на