ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СННХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2004, < 1, с. 56-60
УДК 621.793.18:539.23.533.915
ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОЗРАЧНЫХ ПЛЕНОК СЕРЕБРА, ПОЛУЧЕННЫХ МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО РАСПЫЛЕНИЯ
© 2004 г. А. И. Стогний1, Н. Н. Новицкий2, О. М. Стукалов2, С. Д. Тушина3, С. В. Калинников3
1УП "Завод Транзистор" НПО "Интеграл", Минск, Беларусь 2Институт физики твердого тела и полупроводников НАН, Минск, Беларусь 3Государственное научно-производственное предприятие "КБТЭМ-ОМО" Минск, Беларусь
Поступила в редакцию 07.10.2002 г.
Получены и исследованы пленки серебра толщиной 10-20 нм на субнаногладких подложках из стекла К-8. Установлено, что пленки толщиной менее 12 нм не являются сплошными вследствие образования проколов в местах совпадения выступов рельефа поверхности подложки с впадинами на поверхности пленки. Пленки толщиной 12-18 нм обладают свойством полупрозрачности и представляют практический интерес для использования в светоделителях оптических приборов. Свойства пленок толщиной более 18 нм по мере увеличения толщины приближаются к свойствам массивного материала.
ВВЕДЕНИЕ
Пленки ряда металлов толщиной порядка десяти нанометров способны без значительного поглощения пропускать и отражать излучение видимой области спектра примерно в равных количествах [1-3]. Данное свойство полупрозрачности представляет практический интерес для изготовления оптических деталей, например светоделителей, с использованием тонких пленок серебра [2]. Такие детали в виде двух плоскопараллельных пластин, расположенных под углом 45° друг относительно друга или в виде светоделительных кубиков, склеенных из двух призм, широко применяются в оптических схемах микроскопов визуального наблюдения и контроля. Отличительной особенностью полупрозрачных пленок серебра является их нейтральный "серый" цвет и более низкая, по сравнению с диэлектрическими покрытиями, чувствительность к состоянию поляризации падающего излучения. При этом пленки серебра должны иметь гладкую поверхность и ровную границу раздела пленка-подложка, быть однородными и сплошными, обладать хорошей адгезией к подложке и относительной химической инертностью, исключающей деградацию пленок до и после нанесения защитных и диэлектрических покрытий. В связи с тем, что комплексное выполнение перечисленных требований на практике сталкивается со значительными трудностями, работы по получению пленок серебра нанометровой толщины и исследованию их свойств остаются актуальными на протяжении длительного времени [3-5]. В настоящей работе для осаждения пленок серебра применяется метод ионно-лучевого распыления. В качестве подложек используются пластинки из оптического
стекла К-8. Поверхность подложек характеризуется субнаноразмерными значениями шероховатостей благодаря финишному полированию методом последовательного ионно-лучевого осаждения-распыления [6].
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ
Установка ионно-лучевого распыления (рис. 1) содержит источник ионов на основе двухкаскад-
Вакуум
Рис. 1. Установка ионно-лучевого распыления: 1 - источник ионов с холодным полым катодом; 2 - модифицированный источник ионов Кауфмана; 3 - мишень; 4 - подложкодержатель.
ного самостоятельного разряда с холодным полым катодом 1 и модифицированный вариант источника ионов Кауфмана с открытым торцом 2 [6, 7]. Источник ионов 1 служит для распыления пучком ионов аргона с энергией 0.8 кэВ и плотностью тока 0.3 мА/см2 мишени 3 из серебра чистотой не хуже 99.8%. По направлению потока распыляемого материала установлены подложки, закрепленные на четырех позициях вращающегося держателя 4. Поток ионов аргона со средней энергией 80 эВ и плотностью тока 0.45 мА/см2 из источника ионов 2 служит для очистки и активации поверхности рабочей подложки в течение двух минут перед нанесением пленки серебра. Источник ионов 2 во время нанесения пленки отключается, подача аргона через него прекращается, а термокатод используется для нагрева поверхности рабочей подложки до температуры более 80°С. Предельное давление в установке составляет менее 10-3 Па, а рабочее давление во время осаждения пленки не превышает 1.5 • 10-2 Па.
Морфология поверхности подложек и пленок серебра анализировалась методом атомно-сило-вой микроскопии (АСМ) при помощи микроскопа Фемтоскан-001 (Центр перспективных технологий, МГУ, Москва) с полем сканирования 5 х 5 мкм, работающего в контактном режиме, с использованием кремниевых кантилеверов (Micro-Mash, Эстония). Поверхностное сопротивление пленок р(Ом/П) определяли четырехзондовым методом на серийном приборе ИУС-3. Спектры пропускания пленок в интервале длин волн 400-700 нм измеряли на спектрофотометре HITACHI-340 с погрешностью не более 0.3%. Призма Глан-Тейлора служила в качестве поляризатора. Измерение потерь излучения в пленке (коэффициентов поглощения А и рассеяния S) производилось на стенде, включающем He-Ne лазер (к = 632.8 нм), поворотный стол с исследуемыми образцами и систему фотометрического контроля. На основании экспериментально полученных значений коэффициентов пропускания Т и отражения R при падении излучения под углом 45° определялась величина потерь излучения A + S в пленках по формуле R + T + + A + S = 1.
РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ
На рис. 2 показано АСМ-изображение поверхности подложки из оптического стекла К-8 после финишного полирования методом двойного ион-но-лучевого осаждения-распыления перед осаждением пленки серебра. Поверхность подложки гладкая, причем перепад высот на характерном рельефе поверхности длиной до 4 мкм не превышает 1 нм (вдоль линии на рис. 2), а среднеквадратичная шероховатость составляет менее 1 нм.
На рис. 3 показано АСМ-изображение поверхности пленки серебра, осажденной за время 70 с.
(a)
0
1400
2800 l, нм
Рис. 2. АСМ-изображение (а) и профилограмма (б) поверхности подложки из оптического стекла К-8 перед осаждением пленки серебра.
Глубокая царапина специально нанесена для оценки толщины пленки. Царапина имеет отвесные боковые стенки и плоское дно, а поверхность пленки является гладкой вдали от царапины, поэтому можно оценить толщину пленки (по глубине царапины) в 16 нм, а среднюю скорость осаждения пленки - в 0.23 нм/с.
Исходя из полученного значения средней скорости осаждения, были построены кривые зависимости поверхностного сопротивления а, коэффициента пропускания Т и отражения Я от толщины пленки ё (рис. 4). Видно, что имеется корреляция между значениями поверхностного сопротивления и оптических коэффициентов. Для пленок толщиной от 12 до 18 нм поверхностное сопротивление убывает от 7 до 3.5 Ом/П по нелинейному закону, но более медленно, чем у пленок толщиной менее 12 нм. Коэффициент пропускания Т несколько уменьшается, а коэффициент отражения Я увеличивается по мере роста й от 12 до 18 нм так, что Т + Я > 0.9, а Т - Я с точностью до 0.1. Пленки толщиной более 18 нм характеризуются линейным убыванием поверхностного сопротивления, резким ростом коэффи-
(а)
к, нм (б)
0 400 800 1200 /, нм
Рис. 3. АСМ-изображения (а) и профилограмма (б) пленки серебра с царапиной, используемой для определения толщины пленки.
циентов отражения и поглощения света по мере увеличения ё.
Поверхности пленок серебра толщиной от 12 до 18 нм и выше, согласно АСМ-изображениям, мало отличаются друг от друга. Для примера на рис. 5 показан участок поверхности пленки толщиной 21 нм и сечение рельефа поверхности вдоль линии (рис. 5). Среднеквадратичная шероховатость участка поверхности размером 5 х 5 мкм не превышает 1 нм, а максимальный перепад высот на характерном пути длиной до 6 мкм составляет менее 2 нм. Сравнение АСМ-изображений подложки (рис. 2), пленок серебра толщиной 16 нм (рис. 3) и 21 нм (рис. 5) показывает, что сумма максимального перепада высот на границах раздела пленка-подложка и пленка-среда составляет менее 3 нм, т.е. менее 0.25 от средней толщины для значений ё > 12 нм. Следовательно, границы этих пленок являются плоскопараллельными с хорошим приближением.
Особенности поведения поверхностного сопротивления и оптических коэффициентов пленок серебра толщиной менее 18 нм можно объяснить влиянием размерных эффектов, обуслов-
о, Ом/П я, Т, %
01-1-1-
10 20 30
ё, нм
Рис. 4. Зависимость поверхностного сопротивления о, коэффициентов пропускания Т и отражения Я света (X = 632.8 нм) от толщины пленки.
(а)
к, нм (б)
0 2000 4000 I, нм
Рис. 5. АСМ-изображение участка поверхности серебряной пленки толщиной 21 нм (а) и сечение рельефа поверхности вдоль линии (б).
(a)
1 / \ 2 f
-
у
\
0.5 мкм 1 1
h, нм \
1.2 0.8 0.4
0
h, нм 2.4 1.2
0
(б)
2000 (в)
4000 l, нм
1000 2000 3000 l, нм
Рис. 6. АСМ-изображение участка поверхности серебряной пленки толщиной 10 нм (а) и сечение рельефа поверхности вдоль линии 1 (б) и линии 2 (в). Стрелками показаны места некоторых проколов.
ленных сравнимостью толщины пленок с длиной свободного пробега электронов проводимости и рассеянием последних на границах раздела [1]. Более толстые пленки по свойствам постепенно приближаются к своему массивному аналогу [2]. Однако резкий рост поверхностного сопротивления и коэффициента пропускания света в пленках серебра толщиной менее 12 нм обусловлен, скорее всего, влиянием строения границ раздела, а не толщины. Действительно, морфология поверхности пленки серебра толщиной 10 нм, согласно АСМ-изображению (рис. 6) отличается от морфологии более толстых пленок наличием определенного числа глубоких проколов, поперечные размеры которых увеличиваются со временем. Проколы образуются во впадинах рельефа поверхности, причем не самых глубоких (рис. 6). Это позволяет предположить, что причиной образования проколов является совпадение впадин на границе пленка-среда и выступов на границе раздела пленка-подложка. Следует учесть также наличие слоя естественного оксида толщиной ~2-4 нм на поверхности серебра [8]. В области совпадения впадин и выступов слой естественного оксида может прорастать быстрее и на большую толщину пленки, согласно рассмотренному в [9] модифицированному механизму низкотемпературного окисления Кабреры-Мотта на шероховатых поверхностях наноразмер
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.