Оптичні властивості тонких плівок Мо, Ті, Сr і перехідних шарів на них

Размещено на http://www.allbest.ru/

КИЇВСЬКИЙ НАЦІОНАЛЬНИЙ УНІВЕРСИТЕТ імені ТАРАСА ШЕВЧЕНКА

УДК:535.341:535.32

Автореферат

дисертації на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук

Оптичні властивості тонких плівок Мо, Ті, Сr і перехідних шарів на них

01.04.05 - оптика, лазерна фізика

Ломакіна Ольга Володимирівна

Київ - 2011

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана на кафедрі оптики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Науковий керівник: доктор фізико-математичних наук, професор, Шайкевич Ігор Андрійович, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, професор кафедри оптики фізичного факультету.

Офіційні опоненти:

доктор фізико-математичних наук, старший науковий співробітник Кудрявцев Юрій Володимирович, Інститут металофізики імені Г.В. Курдюмова НАН України, провідний науковий співробітник відділу спектроскопії твердого тіла;

доктор фізико-математичних наук, професор Рево Сергій Лукич, Київський національний університет імені Тараса Шевченка, завідувач НДЛ "Фізика металів та кераміки" кафедри фізики металів фізичного факультету.

Захист відбудеться «28» березня 2011 р. о 16⁰⁰ на засіданні спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, просп. академіка Глушкова 4, фізичний факультет, ауд. 500.

З дисертацією можна ознайомитись у науковій бібліотеці Київського національного університету імені Тараса Шевченка за адресою: м. Київ, вул. Володимирська, 58.

Автореферат розісланий «23» лютого 2011 р.

Вчений секретар спеціалізованої вченої ради Д 26.001.23 кандидат фізико-математичних наук О.П. Дмитренко.

Загальна характеристика роботи

Актуальність теми. Вивчення оптичних властивостей перехідних металів та їх оксидів, зокрема тонких плівок металів, має важливе значення як для фундаментальних, так і для прикладних досліджень. Фізичні процеси, які відбуваються при нанесенні тонких металічних плівок на діелектричну підкладку до сих пір недостатньо вивчені, що зумовлює велику розбіжність величин оптичних сталих одних і тих же плівок у різних авторів. Тонкі плівки широко використовують в оптичних пристроях для покриття дзеркал, у різноманітних інтерференційних та поглинаючих фільтрах, для просвітлюючих покриттів. Широко застосовуються у техніці молібденові покриття [1^*]. Нанесений розпиленням плазми Мо використовується в основному в автомобільній, аерокосмічній і целюлозній промисловості завдяки його особливої зносостійкості, обумовленої наявністю оксиду в напилених зразках [2^*-5^*]. Тонкі плівки молібдену та інших перехідних металів застосовуються при пайці вікон у космічних апаратах. В сучасних технологіях привертають увагу також тонкі оксидні плівки [6*-9*], які можуть застосовуватися у новітніх технологіях, зокрема як моделі каталізаторів на металевих підкладках [10*]. Так, наприклад, оксид TiO₂ застосовується в сонячних елементах [11*], як фотокаталітичний матеріал або як газовий сенсор [12*]. В якості стійких покриттів для дротів [13*], матеріалів для каталізаторів і антикорозійних покриттів, використовуються оксиди хрому.

Граничні поверхні метал/оксид відіграють важливу роль в матеріалознавстві, мікроелектроніці і хімічній промисловості. Для матеріалознавства метал-оксидні граничні поверхні можуть застосовуватись для таких технологічних матеріалів як функціональні кераміки з металами; для оксидованих, з посиленою дисперсією сплавів. Оксидні покриття на металах можуть застосовуватись як теплові бар'єри. Фундаментальними проблемами в таких системах є стійкість адгезії, механічна стабільність, неруйнівний характер меж поділу - всі вони тісно пов'язані з метал-оксидними взаємодіями [14*]. В області мікроелектроніки граничні ефекти важливі у метал-оксид-напівпровідникових транзисторних пристроях із польовим ефектом. В будь-якому з вищеназваних випадків дуже важливо мати точні дані про фізичні і оптичні властивості плівок.

Отже, розробка нових фізичних моделей тонких металічних плівок і подальше використання цих моделей в оптичних експериментах дозволить усунути розбіжності в даних для оптичних сталих таких плівок у різних авторів і більш глибоко вивчити фізичні процеси, які відбуваються при нанесенні їх на діелектричні підкладки. Таким чином, вивчення оптичних властивостей тонких плівок Mo, Ti, Cr і перехідних шарів на них є важливою і актуальною задачею як з точки зору фундаментальної фізики, так і з точки зору новітніх технологій. У зв'язку з цим дисертаційна робота, яка присвячена вивченню впливу перехідних шарів на тонких плівках Мо, Ті, Cr на еліпсометричні параметри відбитого від них світла, а також визначенню оптичних сталих та товщин перехідних шарів і центрального металічного шару на основі запропонованої тришарової моделі тонкої плівки, є актуальною.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами. Дисертаційна робота є частиною досліджень кафедри оптики фізичного факультету Київського національного університету імені Тараса Шевченка у рамках Комплексної наукової програми «Конденсований стан - фізичні основи новітніх технологій». Зміст роботи узгоджений з планом роботи за д/б темою «Оптичні та магнітооптичні властивості поверхневих шарів та плівок з різним типом провідності» (№ держ. реєстрації 0106U006391).

Мета і завдання дослідження. Вивчення впливу перехідних шарів на тонких плівках Мо, Ті, Cr на еліпсометричні параметри відбитого від них світла. Визначення оптичних сталих та товщин перехідних шарів і центрального металічного шару на основі запропонованої тришарової моделі тонкої плівки і фізичних властивостей цих шарів.

Для досягнення поставленої мети необхідно було розв'язати наступні завдання:

· побудувати тришарову модель для тонких металічних плівок Мо, Ті, Cr з врахуванням верхнього перехідного шару між плівкою і повітрям і нижнього перехідного шару між плівкою і підкладкою;

· розробити методику дослідження тришарових тонкоплівкових структур із використанням методів спектроеліпсометрії;

· розробити обчислювальну програму визначення оптичних сталих і товщин всіх шарів тришарової структури;

· визначити оптичні сталі, товщини і фізико-хімічний склад всіх трьох шарів для тонких плівок Мо, Ті, Cr;

· доповнити результати, одержані оптичними методами, електричними вимірюваннями і вивченням АСМ топографії.

Об'єкт дослідження: структура тонких металічних плівок Mo, Ti, Cr та її вплив на їх оптичні властивості.

Предмет дослідження: процес взаємодії поляризованого оптичного випромінювання з тонкими металічними плівками Mo, Ti, Cr та утвореними на них перехідними поверхневими шарами між плівками і повітрям і між плівками і підкладками.

Методи дослідження. У роботі використовується спектроеліпсометричний метод Бітті для вимірювання еліпсометричних параметрів: азимута відновленої лінійної поляризації ш і зсуву фаз між p- та s-компонентами відбитого світла Д. Комп'ютерне обчислення (програма розрахунку) оптичних сталих і товщин досліджуваних тришарових структур базується на чисельному методі довірчих інтервалів Trust-Region. Для визначення питомого електроопору досліджуваних зразків застосовується метод містка Уітстона. Топографія поверхні тришарових тонкоплівкових структур вивчена на атомно-силовому мікроскопі.

Наукова новизна одержаних результатів полягає в наступному.

В роботі вперше:

· запропоновано тришарову структуру тонких плівок Мо, Ті, Cr, яка дає більш реальні фізичні результати в порівнянні з одношаровою;

· одержано, що верхні шари між плівкою і повітрям є відповідними оксидами Мо, Ті, Cr, а нижні шари між плівкою і підкладкою теж в основному є оксидами;

· встановлено, що середній шар є відповідним металом Мо, Ті, Cr;

· для середнього металічного шару тонких плівок Мо, Ті, Cr згідно теорії сталого матричного елементу обчислені електронні параметри, що характеризують міжзонні переходи в цих металах;

· визначена довжина вільного пробігу електронів згідно теорії класичних розмірних ефектів в тонких плівках Мо, Ті, Cr на основі даних про їх питомий електроопір.

Практичне значення одержаних результатів. Результати дисертаційних досліджень можуть бути використані для створення нових сенсорів для малих молекулярних забруднень з високою чутливістю і значно більшим часовим ресурсом роботи, ніж у існуючих сенсорів. Запропонована тришарова модель тонкої металічної плівки може застосовуватися при дослідженні фізичних і оптичних властивостей тонких плівок різних металів. Розроблена методика визначення товщини і дисперсії показника заломлення тонких просвітлюючих плівок може використовуватися при розрахунку та розробці сонячних елементів.

Особистий внесок здобувача. У роботах [1-12], виконаних із співавторами, здобувач приймала участь у постановці задач досліджень, обговоренні та інтерпретації отриманих результатів і написанні всіх робіт. Особистий внесок дисертантки полягає у проведенні експериментальних спектроеліпсометричних досліджень, складанні комп'ютерної програми для розрахунку оптичних сталих і товщин досліджуваних тонких плівок, чисельному розрахунку цих параметрів. Дисертантка виміряла питомий електроопір досліджуваних плівок Mo, Ti, Cr, розрахувала електронні параметри міжзонних переходів досліджуваних зразків на основі теорії сталого матричного елементу і довжини вільного пробігу електронів на основі класичного розмірного ефекту.

Апробація результатів дисертації. Основні результати та висновки дисертації доповідалися на шести міжнародних фахових наукових конференціях: 6^th International Young Scientists Conference Optics and High Technology Material Science - SPO 2005 (Kyiv, Ukraine, 2005), 7^th International Young Scientists Conference Optics and High Technology Material Science - SPO 2006 (Kyiv, Ukraine, 2006),18^th International School-Seminar «Spectroscopy of Molecules and Crystals» (Beregove, Crimea, Ukraine, 2007), 9^th International Young Scientists Conference Optics and High Technology Material Science - SPO 2008 (Kyiv, Ukraine, 2008), 19^th International School-Seminar «Spectroscopy of Molecules and Crystals» (Beregove, Crimea, Ukraine, 2009), 10^th International Young Scientists Conference Optics and High Technology Material Science - SPO 2009 (Kyiv, Ukraine, 2009).

Результати роботи доповідались та обговорювались на наукових семінарах кафедри оптики Київського національного університету імені Тараса Шевченка.

Публікації. Результати дисертаційної роботи викладені у 12-ти публікаціях, серед яких 6 статей у наукових фахових виданнях та 6 тез доповідей у збірниках праць міжнародних наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації. Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків і списку використаних джерел, що містить 168 посилань. Робота ілюстрована 68 рисунками, містить 22 таблиці і має загальний обсяг друкованого тексту 140 сторінок.

Основний зміст

У вступі обґрунтовано актуальність обраної теми, сформульовано мету та задачі дослідження, предмет, об'єкт та методи дослідження, викладено наукову новизну та практичну цінність одержаних результатів.

У першому розділі представлено огляд теоретичних і експериментальних робіт, присвячених вивченню структури тонких металічних плівок Mo, Ti, Cr та відповідних масивних металів, її взаємозв'язку з оптичними та електронними властивостями. Зокрема, у підрозділі 1.1 викладені основні положення теорії оптичних властивостей металів з точки зору макроскопічної і квантової теорії. У підрозділі 1.2 описані методи досліджень оптичних властивостей тонких металічних плівок, основні методи вимірювання оптичних сталих металів та їх оксидів і, в тому числі, поляритонні методи; обґрунтований вибір спектроеліпсометричної техніки для експериментальних вимірювань, проведених в роботі. Оптичні властивості і особливості зонної структури Мо, Ті та Cr розглянуті в підрозділах 1.3 та 1.4, а структура, морфологія, оптичні властивості і застосування їх оксидів - в підрозділі 1.5. Аналіз процесів на метал-оксидних граничних поверхнях проведений у підрозділі 1.6.

Висновки аналізу робіт у розділі 1 полягають у необхідності створення теоретичних моделей та проведенні відповідних експериментальних досліджень для подальшого вивчення оптичних властивостей тонких плівок Мо, Ті, Cr і перехідних шарів на них.

У другому розділі описані методи вимірювань та експериментальні установки, на яких вони виконувалися. Відзначені основні етапи вивчення оптичних властивостей Мо,Ті,Cr і перехідних шарів на них.

Для вимірювання еліпсометричних параметрів, а саме кутів Д і ш, які є основними характеристиками поляризації відбитої від поверхні зразка світлової хвилі, використовувався фотоелектричний метод Бітті [15*], один з найбільш поширених методів еліпсометрії. У методі Бітті визначалися три сигнали фотострумів при трьох положеннях аналізатора. Ці сигнали були пропорційні відповідним інтенсивностям у формулах для розрахунку еліпсометричних параметрів Д і ш (1), що можливо завдяки забезпеченню у вимірювальній установці лінійної залежності між зареєстрованим сигналом та інтенсивністю світла . На основі виміряних значень інтенсивності для трьох кутів 0, 45⁰ і 90⁰: і кута падіння для відповідної довжини хвилі обчислювалися ш і Д,і cosД:

(1)

Похибка експериментальних вимірювань складала 1.5% для tgш і 2.5% для cosД.

Головна ідея подальших досліджень і розрахунків полягала в тому, щоб, використовуючи значення еліпсометричних параметрів і cosД на основі запропонованої нової тришарової моделі тонкої металічної плівки (рис. 1) обчислити оптичні константи і товщини всіх шарів такої структури. Згідно моделі (рис. 1), окрім самого металічного шару (2) на поверхні зразка існує оксидний шар (1), а між металевою плівкою і підкладкою - адгезійний шар (3). Далі, розв'язуючи на комп'ютері обернену задачу спектроеліпсометрії з дев'ятьома невідомими величинами n_j, ж_j, d_j (j=1, 2, 3), де n_j, ж_j - оптичні константи шару, d_j - товщина відповідного шару, була отримана система з десяти трансцендентних рівнянь на основі спектроеліпсометричних вимірювань при п'яти кутах падіння світла на зразок.

Рис. 1. Тришарова структура тонкої металічної плівки: 1 - верхній шар оксиду; 2 - металічний шар; 3 - нижній шар оксиду та абсорбованих сполук; 4 - підкладка: скло

Ці рівняння представляли собою рекурентні співвідношення, виведені на основі формул Ейрі [16*]. Їх можна записати у вигляді:

, (2)

де - френелевські амплітудні коефіцієнти відбивання:

(3)

(4)

, j=1,2,3,4, (5)

(6)

У співвідношеннях (2) - (6): - довжина світлової хвилі, - товщина j-го шару, кут падіння світла з повітря на зразок ( див. рис. 1). Для тонких шарів 1-3 показники заломлення - комплексні величини: , де ж_j - показник поглинання шару.

Рівняння (2)-(6) розв'язувалися чисельними методами за допомогою програми MATLAB із використанням підпрограми Curve Fitting Toolbox. Точність обчислень становила 10^-4-10^-5.

Вивчення структури і властивостей тонких плівок було доповнене також електричними вимірюваннями. Так, вимірювання електроопору досліджуваних зразків проводилось за допомогою містка Уітстона. Для обчислення питомої провідності зразків тонких металічних плівок з круглою поверхньою по результатам вимірювання їх опору була виведена нова формула. Топографія поверхні досліджуваних зразків була вивчена за допомогою атомно-силового мікроскопу у складі дослідницького комплексу ІНТЕГРА виробництва компанії MDT.

Експериментальні зразки були виготовлені за допомогою методу магнітронного розпилення при постійному струмі (Mo, Ti) і електронно-променевого напилення (Cr).

У третьому розділі на основі проведених досліджень і розрахунків показано, що тришарова модель тонких металічних плівок Мо, Ті, Cr значно краще описує структуру тонкої металічної плівки, ніж загальновикористовувана одношарова.

Спираючись на проведені спектроеліпсометричні дослідження для чотирнадцяти зразків тонких плівок Mo, Ti, Cr і розрахунки за розробленою програмою, визначені оптичні сталі та товщини трьох шарів для досліджуваних плівок у видимій та ультрафіолетовій ділянках спектру. Показано, на основі одержаних даних для всіх довжин хвиль, що центральний шар для плівок Mo, Ti, Cr є металічним, адже його оптичні сталі у межах похибки співпадають із оптичними сталими відповідних масивних металів. Верхній і нижній шари для тонких плівок Мо є оксидами типу MoO₃, а для плівок Ті - оксидами типу TiO₂. Для плівок Cr можна припустити на основі одержаних даних, що верхній шар є оксигідроксидом хрому Cr OOH з домішками Cr₂O₃, а нижній шар є гідроксидом хрому Cr₂O₃ xH₂O.

На основі положень теорії сталого матричного елемента і квазікласичної теорії оптичної провідності металів, визначені сили осциляторів і матричні елементи, які відповідають міжзонним переходам в Mo, Ti, Cr, а також півширини відповідних смуг поглинання. Використовуючи дані виміряної електропровідності, вперше визначені довжини вільного пробігу електронів для плівок Mo, Ti, Cr. Топографія поверхні, отримана на атомно-силовому мікроскопі показала, що поверхні всіх плівок досить однорідні. До основних результатів третього розділу можна віднести наступне.

Проведені розрахунки для тонких плівок молібдену на прикладі зразка Мо #3 за одношаровою та тришаровою моделлю порівняні з результатами для масивного молібдену (табл. 1).

Таблиця 1 Оптичні константи металічного шару 2 для зразка Мо 3, обчислені для довжини хвилі л=546,1нм

Модель	n	ж	d, нм
Одношарова плівка	1.5	2.2	16
Тришарова плівка	3.5	3.5	11
Масивний зразок	3.8	3.5	-

З табл. 1 видно, що оптичні сталі тонкої плівки Мо (середнього шару) за тришаровою моделлю практично співпадають із оптичними сталими масивного молібдену, що підтверджує її більшу точність у порівнянні з одношаровою і доцільність її застосування для розрахунків оптичних констант. Товщина металічного шару для зразка Мо #3 становила 11.3 нм. Аналогічні результати отримані для тонких плівок молібдену Мо #1 і Мо #2, п'яти зразків титану та шести зразків хрому. В роботах [17*, 18^*] були проведені дослідження оптичних властивостей монокристалів і тонких плівок МоО₃. На рис. 2 зображено спектральний хід залежності коефіцієнта поглинання:

К = 4рж/л, (7)

де л - довжина світлової хвилі досліджених нами зразків Мо для верхнього шару оксиду МоО₃, а також наведені дані роботи [17*] для МоО₃ в кристалічних зразках.

Рис. 2. Спектральна залежність коефіцієнту поглинання K для шару МоО₃ на тонких плівках Мо і в кристалічному [17^*] зразку

Видно, що всі криві на рис. 2 мають практично ідентичний спектральний хід.

В припущенні сталого матричного елементу за квазікласичними формулами (8), (9) для двох смуг поглинання і експериментальними даними для у(щ) були розраховані сили осциляторів f, півширини смуг поглинання г і квадрати матричних елементів переходів , які визначають імовірності переходів для смуг поглинання Mo,Ti, Cr. Ці дані наведені в таблиці 2. Резонансні частоти двох смуг щ₁ і щ_2, а також відношення концентрації атомів до маси електрона N₀/m у формулах (8) і (9) були взяті з [19^*]. Заряд електрона e - таблична величина.

(8)

де .(9)

Таблиця 2 Електронні параметри тонких плівок Мо, розраховані на основі експериментальних даних

Електронний параметр	Mo #1	Mo #2	Mo 3
f1	0.805	0.844	0.799
f2	0.895	0.838	0.865
	1.75Ч1015	1.74Ч1015	1.55Ч1015
	1.47Ч1015	1.46Ч1015	1.3Ч1015
	1.51Ч10-16	1.58Ч10-16	1.5Ч10-16
	8.01Ч10-17	7.53Ч10-17	7.77Ч10-17

Використовуючи обчислені значення n і ж для центрального шару досліджених плівок Мо, Ti, Cr були побудовані графіки залежності у(щ) =nжщ/2р, а за формулою (8) розраховані у(щ) за обчисленими електронними параметрами f, г. Результати для всіх досліджуваних зразків Мо, Ti, Cr представлені у вигляді таблиць і графіків. Наведемо деякі з них.

Порівняльний аналіз експериментальних і теоретичних кривих залежностей у(щ) на рис. 3-5 показує, що якісний хід цих залежностей аналогічний. спектроеліпсометрія плівка металічний

Рис. 3. Оптична провідність у(щ) для Мо #1: 1 - теоретичні розрахунки; 2 - експериментальні дані

Кількісна невідповідність графіків 1 і 2 на рис. 3-5 зумовлена тим, що матричні елементи М_i і сили осциляторів f_i можуть залежати від енергії і не бути сталими.

Згідно зонної теорії для молібдену перший перехід відповідає прямим міжзонним переходам в Г і N точках зони Брілюена, а другий - прямим міжзонним переходам в H точці зони Брілюена.

Рис. 4. Оптична провідність у(щ) для Ti #2: 1 - теоретичні розрахунки; 2 - експериментальні дані

За квантовою зонною теорією для титану ці переходи можуть бути ідентифіковані наступним чином. Перший перехід з енергією 1 еV (1.52Ч10¹⁵рад/с) може бути ідентифікований як перехід з рівня Фермі в зону більшої енергії в Г точці зони Брілюена, а також як перехід в Н точці зони Брілюена із зони, яка лежить нижче рівня Фермі на рівень Фермі. Другий перехід з енергією в 2 еV (3.04Ч10¹⁵рад/с) може бути переходом в Г точці зони Брілюена із рівня Фермі в зону більш високої енергії.

Рис. 5. Оптична провідність у(щ) для Cr #3: 1 - теоретичні розрахунки; 2 - експериментальні дані

Згідно квантової зонної теорії для хрому вважається [20^*], що широка смуга в районі енергії 2 еВ в основному утворена двома смугами з максимумами 1.5 eV (?_??1.87Ч10¹⁵ рад/с) і 2.25 eV (?_??3.42Ч10¹⁵ рад/с), які зумовлені міжзонними переходами в районі Х точки зони Бріллюена. Першу можна пов'язати з переходом Х₅-Х₂^/,а другу з переходом Х₅^/-Х₁.

Виміряно електроопір R для всіх зразків Мо,Ti,Cr і вивчено електричні властивості плівок. Питомий опір досліджуваних зразків визначався за формулою:

(10)

У співвідношенні (10): де - повний опір.

За формулою

(11)

розраховано довжини вільного пробігу для досліджуваних плівок. Тутдовжина вільного пробігу електронів в масивному металі, d - товщина плівки у - питома провідність плівки, у₀ - питома провідність масивного металу.

Відповідні дані для зразків молібдену наведені в таблиці 3.

Таблиця 3 Електричні параметри зразків молібдену

Зразок	Виміряний Опір R, Ом	Питомий Опір , Омм	Довжина вільного пробігу l, нм
Мо #1	1100	1.21Ч10-5	29.2
Mo #2	1600	1.51Ч10-5	29.2
Mo #3	1500	2.6Ч10-5	29.3
Масивний Мо	-	4.9Ч10-8	-

В роботі також вивчені поляритонні властивості тонких плівок Мо. Проведений порівняльний аналіз експериментальних результатів tg для тонких плівок Мо при збудженні поверхневих поляритонів і теоретичних, розрахованих за формулами Ейрі. Деякі з цих залежностей наведені на рис. 6.

Рис. 6. Залежність азимута відновленої лінійної поляризації tgвід кута падіння світла на зразок для плівки Мо товщиною d=18 нм: 1 - теоретичні розрахунки; 2 - експериментальні дані

Співпадання теоретичної і експериментальної кривих на рис. 6 цілком задовільне. Отже, формули Ейрі придатні для розрахунків оптичних процесів із збудженням поверхневих поляритонів.

У четвертому розділі описані практичні застосування одержаних результатів.

Поляритонні оптичні сенсори для малих молекулярних забруднень в основному складаються із скляного чи кварцового напівциліндра, на плоску грань розпилу якого напилена тонка напівпрозора плівка Au. В еліпсометричному сенсорі при нанесенні на плівку золота малого молекулярного забруднення змінюються еліпсометричні параметри, а саме зсув фаз між p- та s- компонентами відбитої хвиліі азимут відновленої лінійної поляризації ш. В даному розділі описується розрахований оптичний бішаровий сенсор для малих молекулярних забруднень на основі плівки Mo-Au, який працює на принципі вимірювання еліпсометричних параметрів при різних кутах падіння світла на зразок. При цьому плівка Mo безпосередньо наноситься на скло, а зверху наноситься плівка Au. Оскільки плівка Мо має значно більшу адгезію до скла чи кварцу, ніж плівка Au, то такий бішаровий сенсор має значно більший часовий робочий ресурс. Були проведені розрахунки чутливості такого сенсора за допомогою рекурентних формул Ейрі. Показано, що таким сенсором цілком надійно можна визначати плівки забруднень товщиною в

В розділі представлена нова методика визначення товщини d і дисперсії показника заломлення n() тонких просвітлюючих плівок сонячних елементів. Одержані результати для дисперсії показника заломлення плівок TiO₂ і Si₃N₄, отриманих хімічним осадженням показують, що запропонований метод розрахунку дисперсії показника заломлення таких плівок та їх товщини може бути застосований в області нормальної дисперсії показника заломлення досліджуваних плівок. Він може бути використаний як метод експрес-аналізу дисперсії показника заломлення і товщини просвітлюючих плівок на фотоелектричних кремнієвих перетворювачах світлової енергії за вимірюваною спектральною залежністю коефіцієнта відбивання при нормальному падінні світла на перетворювач.

Основні результати та висновки

1. Вперше запропонована тришарова модель для тонких плівок Mo, Ti, Cr і для неї, на основі рекурентних формул Ейрі, складена програма розрахунку оптичних сталих n і ж і товщин d всіх трьох шарів по виміряним еліпсометричним параметрам для п'яти кутів падіння світла на зразок, що дозволяє одержати більш правильні фізичні результати ніж одношарова модель.

2. Вперше одержано з допомогою спектроеліпсометричних вимірювань і складеної програми, що для плівок молібдену середній шар являє собою металічний молібден, оптичні сталі якого в межах похибки співпадають з оптичними сталими масивного молібдену. Аналогічні результати одержано для тонких плівок Ti і Cr, хоча для титана для середнього шару плівки показник заломлення дещо менший, ніж показник заломлення масивного металу, що може бути пояснене абсорбцією плівками титану молекул газів.

3. На основі одержаних даних показано, що для плівок Мо верхній шар є оксидом типу МоО₃, а нижній шар між металічною плівкою і скляною підкладкою є теж в основному оксидом МоО₃ з можливою добавкою інших оксидів Мо. Аналогічні результати одержані для верхнього і нижнього шарів плівок титану, які є оксидом типу TiO₂.

4. Верхній шар для плівок Cr по порівняльному аналізу показників заломлення являє собою суміш молекул Cr₂O₃ і оксигідроксиду CrOOH. Нижній шар по порівняльному аналізу показників заломлення скоріше всього є гідроксидом хрому .

5. Використовуючи формули квазікласичної теорії поглинання із сталим матричним елементом до досліджених плівок Мо, Ті, Сr були розраховані такі електронні параметри, як сили осциляторів, квадрати матричних елементів і півширини смуг поглинання.

6. На основі електричних вимірювань питомого опору всіх досліджених зразків вперше одержані довжини вільного пробігу електронів для тонких плівок Mo, Ti, Cr.

7. Запропонована нова методика розрахунку по спектральній залежності коефіцієнта відбивання при нормальному падінні дисперсії показника заломлення і товщин тонких поверхневих шарів сонячних елементів TiO₂ і Si₃N₄. Розраховано бішаровий сенсор на основі тонких плівок Mo-Au з чутливістю до малих поверхневих молекулярних забруднень 5 і значно більшим часовим ресурсом роботи, ніж у нині існуючих.

Список опублікованих праць за темою дисертації

1. Ломакіна О. В. Еліпсометричні дослідження із збудженням поверхневих поляритонів перехідного шару на межі поділу тонка плівка Мо - діелектрична підкладка / О. В. Ломакіна, І. А. Шайкевич // Вісник Київського університету. Серія «Фіз.-мат. науки». - 2007. - Вип. 1. - С. 385-389.

2. Determination of refractive index dispersion and thickness of thin antireflection films TiO₂ and Si₃N₄ on siliceous photoelectric transducers surface in transducer production process / V. V. Donets, L. J. Melnichenko, I. A. Shajkevich, O. V. Lomakina // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2009. - Vol. 12, № 2. - P. 162-164.

3. Ломакіна О. В. Спектроеліпсометричні властивості тонких плівок Мо з перехідним шаром між плівкою і діелектричною підкладкою при збудженні поверхневих поляритонів / О. В. Ломакіна, І. А. Шайкевич // Вісник Київського університету. Cерія «Фіз.-мат.науки». - 2009. - Вип. 1. - C. 255-258.

4. Спектроеліпсометричні дослідження тонких плівок молібдену і перехідних шарів на них / В. В. Лендел, О. В. Ломакіна, Л. Ю. Мельниченко, І. А. Шайкевич // Металлофизика и новейшие технологии - 2010. - T. 32, № 8. - C. 1013-1019.

5. Спектральні залежності еліпсометричних параметрів тонких плівок перехідних металів при збудженні поверхневих поляритонів / I. А. Шайкевич, О. В. Ломакіна, Л. Ю. Мельниченко, Я. А. Шибіко // Вісник Київського університету. Серія «Фіз.-мат. науки». - 2010. - Вип. 2. - С. 307-312.

6. Optical properties of thin films of titanium with transient layers on them / V. V. Lendel, O. V. Lomakina, L. Yu. Mel'nychenko, I. A. Shaykevich // Semiconductor Physics, Quantum Electronics & Optoelectronics. - 2010. - Vol. 13, № 3. - P. 231-234.

7. Lomakina O. V. Angular dependences of ellipsometric parameters of different thickness Ni thin films at surface polaritons stimulating on Krechman's method / O. V. Lomakina, I. A. Shaykevich // 6^th International Young Scientists Conference «Optics and High Technology Material Science» SPO 2005 : october 27-30 : book of abstracts. - К. : ВПЦ «Київський університет», 2005. - P. 92.

8. Lomakina O. V. Angular dependences of ellipsometric parameters of different thickness Mo thin films, spray-coated on glass substrates at surface polaritons stimulating after the fashion of Krechman / O. V. Lomakina, I. A. Shaykevich // 7^th International Young Scientists Conference «Optics and High Technology Material Science» SPO 2006 : oct. 26-29 : book of abstracts. - К. : ВПЦ «Київський університет», 2006. - P. 92.

9. Lomakina O. Investigation of Transition Layer at Thin Mo Film Quartz Substrate Interface at Excitation of Surface Polaritons / O. Lomakina, I. Shaykevich // 18^th International School-Seminar «Spectroscopy of Molecules and Crystals» : sept. 20-27, Ukraine, Crimea, 2007 : book of abstracts. - К., 2007. - P. 185.

10. Shaykevich I. A. Method of refractive index dispersion and thickness determination for thin dielectric film on absorbing substrate by means of reflectivity spectral dependency for normal incidence / I. A. Shaykevich, L. Yu. Melnichenko, O. V. Lomakina // Book of abstracts 9^th International Young Scientists Conference «Optics and High Technology Material Science». - К. : ВПЦ «Київський університет», 2008. - С. 43-44.

11. Experimental approbation of Airy's formulas application at surface polaritons excitation / O. V. Lomakina, V. V. Lendel, L. Yu. Melnichenko, I. A. Shaykevich //10^th International Young Scientists Conference «Optics and High Technology Material Science» SPO 2009 : oct. 22-25 : book of abstracts. - К. : ВПЦ «Київський університет», 2009. - P. 191-192.

12. Lomakina O. Optical Properties and Thickness of a Transitive Surface Layer on a Newly Polished Ni and Fe Mirrors / O. Lomakina, L. Melnichenko, I. Shaykevich // 19^th International School-Seminar «Spectroscopy of Molecules and Crystals» : sept. 20-27, Ukraine, Crimea, 2009 : book of abstracts. - К., 2009. - P. 169-170.

Анотація

Ломакіна О. В. Оптичні властивості тонких плівок Мо, Ті, Cr і перехідних шарів на них. - Рукопис.

Дисертація на здобуття наукового ступеня кандидата фізико-математичних наук за спеціальністю 01.04.05 - оптика, лазерна фізика. - Київський національний університет імені Тараса Шевченка, Київ, 2010.

В дисертації вперше запропонована тришарова модель для тонких плівок Mo, Ti, Cr і, на основі рекурентних формул Ейрі складена програма розрахунку оптичних сталих n і ж і товщин d всіх трьох шарів по багатокутовим еліпсометричним вимірюванням.

Вперше одержано, що для плівок Mo, Ti, Cr середній шар являє собою відповідний метал, оптичні сталі якого в межах похибки співпадають з оптичними сталими масивного металу.

Показано, на основі одержаних даних, що для досліджуваних плівок Мо і Ті верхній шар є оксидом типу МоО₃ і TiO₂, а нижній шар між металічною плівкою і скляною підкладкою є теж в основному відповідним оксидом.

Встановлено, що верхній шар для плівок Cr по порівняльному аналізу показників заломлення є сумішшю молекул Cr₂O₃ і оксигідроксиду CrOOH, а нижній - гідроксидом хрому .

На основі електричних вимірювань питомого опору всіх досліджених зразків одержані довжини вільного пробігу електронів для тонких плівок Mo, Ti, Cr. Розроблено бішаровий сенсор для малих молекулярних забруднень.

Ключові слова: спектроеліпсометрія, рекурентні співвідношення Ейрі, тонкі плівки, бішаровий сенсор.

Аннотация

Ломакина О. В. Оптические свойства тонких пленок Mo, Ti, Cr и переходных слоев на них. - Рукопись.

Диссертация на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук по специальности 01.04.05 - оптика, лазерная физика. - Киевский национальный университет имени Тараса Шевченко, Киев, 2010.

В диссертации впервые предложена трехслойная модель для тонких пленок Mo, Ti, Cr и для нее, на основе реккурентных формул Эйри, составлена программа расчета оптических постоянных n и ж и толщин d всех трех слоев по измеренным эллипсометрическим параметрам для пяти углов падения света на образец.

C помощью спектроэллипсометрических измерений и составленной программы были рассчитаны оптические постоянные n и ж и толщины всех трех слоев для тонких пленок Мо, Ti, Cr разной толщины. Впервые показано, что для пленок молибдена средний слой представляет собой металлический молибден, оптические постоянные которого в пределах погрешности совпадают с оптическими постоянными массивного молибдена. Аналогичные результаты получены для тонких пленок Ti и Cr, хотя для титана для среднего слоя пленки величина показателя преломления несколько меньше, чем для массивного титана, что может быть объяснено абсорбцией пленками титана молекул газов.

В работе показано, на основе полученных данных и сравнения их с литературными данными по оптическим свойствам массивного МоО₃, что для пленок Мо верхний слой является оксидом типа МоО₃. Нижний слой между металлической пленкой и стеклянной подложкой представляет собой также в основном оксид МоО₃ с возможной добавкой других оксидов Мо. Верхним и нижним слоем у Ті является оксид типа TiO₂, что подтверждается сравнением наших данных с литературными для массивного TiO₂.

Установлено, что верхний слой для пленок Cr по сравнительному анализу показателей преломления, полученных нами и литературных данных, представляет собой смесь молекул Cr₂O₃ і оксигидроксида CrOOH. Нижний слой по сравнительному анализу скорее всего является гидроксидом хрома .

Применена квазиклассическая теория поглощения с постоянным матричным элементом к исследованным пленкам Мо, Ті, Cr и рассчитаны электронные параметры, такие как силы осцилляторов, квадраты матричных элементов и полуширины полос поглощения. Сравнение результатов расчета с нашими экспериментальными данными показывает только качественное, а не количественное совпадение. Последнее может быть объяснено тем обстоятельством, что матричный элемент зависит от энергии и не является постоянным.

На основе электрических измерений удельного сопротивления всех исследованных образцов и теории классических размерных эффектов впервые получены длины свободного пробега электронов для тонких пленок Mo, Ti, Cr.

В работе предложена методика расчета по спектральной зависимости коэффициента отражения при нормальном падении дисперсии показателя преломления и толщин тонких поверхностных слоев солнечных элементов TiO₂ і Si₃N₄.

Рассчитан двухслойный сенсор для малых молекулярных загрязнений на основе тонких пленок Mo-Au, в котором используются измерения эллипсометрических параметров. Сенсор обладает значительно большим временным рабочим ресурсом, чем однослойные сенсоры на основе только тонких пленок Au. Показано, что чувствительность сенсора к малым поверхностным молекулярным загрязнениям соответствует толщине поверхностной пленки в 5 .

Ключевые слова: спектроэллипсометрия, реккурентные соотношения Эйри, тонкие пленки, двухслойный сенсор, солнечные элементы, коэффициент отражения.

Abstract

Lomakina O. V. Optical properties of thin Мо, Ті, Cr films and transient layers on them. - Manuscript.

Thesis for Doctor of Philosophy degree (Candidate of science in Physics and Mathematics) іn speciality 01.04.05 - optics, laser physics. - Taras Shevchenko Kyiv National University of Kyiv, Kyiv, 2010.

In the dissertation, a three-layer model of thin films of Mo, Ti, and Cr is first proposed, and, on the basis of the Airy recurrence formulas, the program of calculations of the optical constants n and ж and the thickness d for all three layers by multiangle ellipsometric measurements is constructed.

For the first time, it is determined that the middle layer for films of Mo, Ti, and Cr consists of the corresponding metal, whose optical constants coincide with those for a massive metal in the limits of errors.

On the basis of the data obtained, it is shown that the upper layer for the films of Mo and Ti under study is an oxide of the type МоО₃ and TiO₂, respectively, and the lower layer between the metal film and the glass substrate is mainly the corresponding oxide.

With the use of the comparative analysis of the refractive indices, it is established that the upper layer for the films of Cr is a mixture of molecules Cr₂O₃ and chromium oxyhydroxide CrOOH, whereas the lower layer consists of chromium hydroxide .

On the basis of electric measurements of the resistivity of all studied specimens, the free path lengths of electrons for thin films of Mo, Ti, and Cr are determined. A bilayer sensor for low-concentration molecular contaminants is developed.

Keywords: spectroellipsometry, Airy recurrence relations, thin films, bilayer sensor.

Размещено на Allbest.ru

...