Исследование оптических характеристик пленок

Важное значение при изготовлении интерференционных покрытий имеют оптические параметры пленок, из которых они сконструированы. Особое место среди них занимают коэффициент поглощения и показатель преломления. Коэффициенты поглощения и показатели преломления пленкообразующих материалов в интересующих нас областях спектра приве­дены на рис.1.5.

Как правило, показатель преломления пленки может отличаться от показателя преломления кристалла на несколько процентов. Поглощение пленок может отличатся от поглощения монокристаллов в 10-100, а ино­гда даже в десятки тысяч раз.

Существует много методик, определения показателей преломления и коэффициента поглощения, среди которых можно выделить эллипсометрические и спектрофотометрические. Для пленок, используемых в инфра­красной и видимой области спектра, наиболее распространенными явля­ются именно спектрофотометрические. Суть большинства из них состоит в анализе спектров пропускания и отражения света. Для этого исполь­зуются монохроматоры с дифракционными решетками или призмами, осуществляющие автоматическое сканирование по спектру с одновремен­ной регистрацией прошедшего излучения.

Наряду с этим при определении малого поглощения в пленках в последнее время стали широко применяться калориметрические методы. Преимущество этого методов по сравнению с спектрофотометрическими заключается в том, что при его использовании измеряется собственное поглощение, идущее на джоулево тепло, в то время как при анализе спектров пропускания и отражения невозможно сказать, связаны ли изменения в спектрах с поглощением или с рассеиванием. Кроме того, определение оптических параметров по спектрам пропускания или от­ражения осложняется наличием в спектрах полос поглощения водой, абсорбированной в порах пленки и, наконец, чувствительность калори­метрического метода несоизмеримо выше, чем спектрофотометрического. В силу этого при описании измерения поглощения в пленках мы остано­вимся только на калориметрическом методе.

Рис. 3.1.

Спектрофотометрические методы определения коэффициентов пре­ломления базируются на измерении абсолютного значения коэффициента пропускания или отражения при разных длинах волн, т.е. по спектрам пропускания или отражения. Один из методов, применяемых у нас, заключается в том, что измеряется пропускание в экстремумах спектра. Этот метод также удобен тем, что его можно использовать для опреде­ления показателя преломления пленки на длине волны контроля непос­редственно в процессе напыления, т.е. в вакууме.

На рис.3.1 приведен спектр пропускания однослойных пленок As₂S₃ и As₂Se₃ с коэффициентом преломления на подложке с коэффициентом преломления (стекло). Оптическая толщина пленки п₂h₂ много больше длины волны . В некоторой области спектра (где пропускание падает) пленка погло­щает и интенсивность уменьшается.

Если свет содержит все длины волн и оптическая толщина пленки пh — постоянная, то в спектре будет наблюдаться появление ряда максимумов и минимумов для длин волн

(к =1,2,3,...)

Если п₂ > n₃, то первый и все последующие минимумы будут иметь место для длин волн .

Максимумы располагаются в местах, соответствующих длинам волн, определяемым рядом

.

Т.е. для пленок, толщина который кратна половине длины волны, свет не отражается. В этом случае пропускание пленки на подложке будет определятся только отражением на передней грани подложки и поглощением в пленке. Если через Т_о обозначить пропускание подложки, то пропускание подложки с поглощающей пленкой на длинах волн, кратных , будет равно

(2.4)

где А-поглощение в пленке. А можно определить как разницу между максимальным значением пропускания в длинноволновой области (0.7-1 мкм) и значениями в максимумах экстремумов на фиксированных длинах волн в более коротковолновых областях спектра (0.4-0.7 мкм). Зная геометрическую толщину пленки h по закону Бугера

, или

можно определить коэффициент поглощения пленки  на длине волны ₀

и ее комплексный показатель поглощения ( к ) из уравнения

Из формул 3.1-3.5 можно определить толщину пленки по поло­жению экстремумов пропускания на шкале длин волн и коэффициент преломления.

Пусть соседние экстремумы лежат на длинах волн и . Неизвестными являются к, n и h. Возьмем три соседних экстремума с определенными длинами волн , и . Для них можно написать систему из трех уравнений с тремя неизвестными.

_max_k = 4 п₂h₂ / 2k

 _{min k} = 4 п₂h₂ / (2k+1)

_max_k+1 = 4 п₂h₂ / 2(k+1)

Решая эту систему, найдем оптическую толщину п₂h₂ и к.

Значение пропускания Т в экстремумах (Т_min и Т_max) также можно использовать для вычисления показателей преломления пленок n в области с минимальным поглощением с помощью следующих соотношения :

Определив таким образом показатель преломления пленки n₂ на длине волны контроля, можно, используя формулу Лорентц-Лоренца, вычислить относительную плотность пленки p:

где n_m – показатель преломления монокристалла, соответствующего плёнкообразующего вещества, на данной длине волны контроля.