ОПТИКА И СПЕКТРОСКОПИЯ, 2015, том 118, № 4, с. 684-692
ГЕОМЕТРИЧЕСКАЯ И ПРИКЛАДНАЯ ОПТИКА
УДК 535.5; 535.321
ЗНАЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЕН ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОБЪЕМНОГО КВАРЦА
© 2015 г. Т. Х. Хасанов
Институт физики полупроводников им. А.В. Ржанова Сибирского отделения РАН,
630090 Новосибирск, Россия E-mail: hasanov@isp.nsc.ru
Поступила в редакцию 11.08.2014 г. В окончательной редакции 27.10.2014 г.
Рассмотрены некоторые известные методы определения показателя преломления с целью выявления степени влияния поверхностного слоя на результаты измерений. Предложен более эффективный и относительно простой метод, для которого вклад в результирующий пучок поверхностного слоя существенно меньше, чем вклад объема материала. Данный метод позволяет более корректно определять значения показателей преломления объемного материала. При этом возможно определение не только относительного, но и абсолютного значения показателя преломления. Доказана эффективность использования кварца в качестве подложки при эллипсометрических измерениях для определения оптических констант металлических, полупроводниковых и диэлектрических пленок. Полученные результаты имеют принципиальное значение в исследовании физико-химических свойств быстро окисляющихся в атмосфере воздуха металлических или полупроводниковых пленок.
DOI: 10.7868/S0030403415040108
ВВЕДЕНИЕ
Плавленый и кристаллический кварцы широко используются в различных оптоэлектронных устройствах. Наиболее распространено применение кварцевого измерителя толщины. Кварц является одним из хорошо изученных материалов, поэтому он часто служит эталоном для многих новых разработок.
В большинстве поляризационных приборов одним из ключевых элементов является полуволновая или четвертьволновая фазосдвигающая пластинка, для изготовления которой преимущественно используют кварц как один из наилучших двулучепреломляющих кристаллов. Ему посвящено большое количество научных публикаций, например [1—7]. Поверхность кварца хорошо полируется. Он не гигроскопичен и однороден. Температурные коэффициенты показателей преломления и линейного расширения кварца гораздо меньше, чем у многих одноосных кристаллов, в частности исландского шпата [8—11].
Как кристаллический, так и плавленый кварцы оказались удачными материалами в качестве подложки для исследования оптических свойств металлических пленок и окислов [12—16]. Они прозрачны в широком диапазоне длин волн [8—10]. Значение показателя затухания равно нулю во всем видимом спектре, включая и ближний уль-
трафиолет. Плавленый кварц (ПК) из-за высокой однородности широко применяется в оптике мощных лазерных излучений [17, 18]. В решении многих теоретических и экспериментальных вопросов волоконной оптики ПК является ключевым материалом [19].
Не случайно изучению кварца и определению показателей преломления как поверхностного слоя, так и объемного материала с давних пор уделяют большое внимание [20—24]. Отличие показателя преломления поверхностного слоя (ПС) от значения показателя преломления в объеме (поб) кварца приводит к потере излучения [20].
На поверхности любой подложки, в том числе и кварца, после шлифовки и полировки образуется нарушенный слой, показатель преломления которого существенно отличается от поб [20—24]. Как утверждается в работе [21] на основе результатов эллипсометрических измерений, показатель преломления имеет значение 1.736 на поверхности, уменьшается экспоненциально до глубин 50 ± 10 А, а затем линейно до глубины 2000 ± 20 А, приближаясь к величине поб = 1.46, характерной для ПК. В работе [22] для кварца марки КУ (содержит более 99.99% 5Ю2) показаны более высокая оптическая однородность поверхности, следовательно, и стехиометрия ПС на завершающих этапах полировки. Авторы подчер-
Погрешность dn х 103
1.4г
1.2-
1.0-
0.80.60.41-I-I-I-I-1
50 60 70 80 90
Угол падения, град
Рис. 1. Зависимость инструментальной погрешности йп показателя преломления п от угла падения ф для ПК с показателем преломления 1.4570 [26].
кивают недостаточность данных о физико-химических свойствах ПС, полученных только из результатов эллипсометрических измерений. Эл-липсометрические данные дополняются результатами исследования вакуумного ультрафиолета (ВУФ) и инфракрасного излучения. Различие экспериментальных величин показателя преломления ПС, полученных из результатов эллипсометрических измерений и ВУФ, объясняется тем, что в спектрах ВУФ, в отличие от эллипсометрии, мала глубина проникновения света в ПС и практически не проявляется микрорельеф ПС. Отмечается, что длина волны X = 632.8 нм намного больше среднего размера микронеровностей ПС (3—30 нм). В заключение работы утверждается, что на завершающем этапе различия свойств объема и ПС определяются физико-химическими свойствами полированного слоя. Не подвергая сомнению достоверность результатов и выводов авторов работы [22—24], следует заметить следующие экспериментальные факты: на стеклах К8 или тяжелых флинтах эллипсометрический параметр А всегда существенно отличается от нуля и от п независимо от того, насколько качественно проведена полировка (глубокая полировка). Эти материалы прозрачны на длине волны 632.8 нм, т.е. значение показателя затухания равно нулю. Однако результаты многочисленных измерений, проведенных на качественно отъюстированном эллипсометре, показывают, что для ПК можно получить результаты, которые соответствуют ноб, а эллипсометрический параметр А для него стремится к нулю или п [25, 26]. Исключением являются результаты, полученные вблизи угла Брю-стера. Бесспорно, вблизи угла Брюстера резко
увеличивается не только чувствительность эл-липсометрических углов к измеряемым параметрам отражающей системы, но и погрешность. Как было показано в работе [27], для диэлектрических подложек вблизи угла Брюстера эллипсометрический угол ф стремится к нулю и резко растет погрешность определения параметра А. Ранее было доказано, что для определения ноб прозрачной среды угол Брюстера не является оптимальным (более подробно см. [26]). Поэтому при обсуждении результатов эллипсометрических измерений для определения показателя преломления ПС и его влияния на измеряемые параметры диэлектрических подложек важно знать, при каких углах падения проведены измерения. К сожалению, в работах [22—24] эллипсометриче-ские измерения проведены при углах падения 50° и 60°, при этом не оговорено, чем вызван такой выбор. Известно, что минимальная инструментальная погрешность показателя преломления из результатов эллипсометрических измерений для п = 1.457 достигается при угле падения 62.9° (рис. 1) [26]. В работах [22—24] отсутствует точная информация о качестве юстировки или аттестации эл-липсометра на основе каких-либо контрольных измерений. Важным результатом исследований работ [22—24] является тот факт, что после 6-часовой полировки показатель преломления ПС совпадет с поб с точностью до инструментальной погрешности (информацию об инструментальной, модельной и экспериментальной погрешностях см. в [26]). Как было отмечено выше, авторы работы [22] отмечают высокую оптическую однородность поверхности и, следовательно, стехиометрию ПС на завершающих этапах полировки.
В настоящем исследовании обсуждается степень влияния поверхностного слоя на определение ноб. Рассматриваются некоторые хорошо известные методы определения показателя преломления с целью выявления степени влияния поверхностного слоя на результаты измерений. Предлагается более эффективный и относительно простой метод определения показателя преломления для ноб. Утверждается, что в предлагаемом подходе вклад в формирование пучка от ПС существенно меньше, чем от объема материала. Измерение параметров ПС не рассматривается. Доказывается эффективность использования ПК (желательно марки КУ) при эллипсометрических измерениях для определения оптических констант металлических или полупроводниковых пленок, которые подвержены окислению в атмосфере воздуха.
СТЕПЕНЬ ВЛИЯНИЯ ПОВЕРХНОСТНОГО
СЛОЯ НА ОПРЕДЕЛЕНИЕ ЗНАЧЕНИЯ ПОКАЗАТЕЛЯ ПРЕЛОМЛЕНИЯ ОБЪЕМНОГО МАТЕРИАЛА
Общепринято, что на поверхности любых конденсированных сред или на границе раздела (как жидких, так и твердых) всегда образуется ПС, физико-химические свойства которого отличаются от объемных свойств вещества.
При исследовании оптическими методами какого-либо свойства вещества необходимо учитывать влияние ПС. При определении поб влияние ПС на результаты измерений может оказаться существенным. Напомним, что существуют прямые и косвенные методы измерения показателя преломления. Очевидно, что когда световой пучок проходит сквозь вещество, вклад ПС на изменение параметров пучка менее существен. Как известно, показатель преломления характеризует скорость распространения света в среде. Прямым способом измерения его значения является определение скорости света в исследуемом материале. Но для куска стекла или, например, для пленки на поверхности подложки прямое измерение скорости распространения электромагнитной волны является довольно проблематичным. Есть другой способ прямого измерения путем непосредственного измерения углов падения и преломления на границе раздела двух сред и последующего вычисления показателя преломления по формуле Снеллиуса. Существуют также косвенные методы измерения показателя преломления. Например, по измерениям коэффициента отражения или методом эллипсометрии. В этих случаях влияние ПС может существенно искажать результаты определения показателя преломления. Измеряются "псевдоконстанты", которые не имеют никакого физического смысла и только качественно, весьма грубо характеризуют отражающую систему [24, 26]. Имеется много оптических методов определения показателя преломления, которые основаны на явлениях отражения или пропускания световой волны. Не вдаваясь в подробный анализ существующих методов и приборов, кратко рассмотрим возможное влияние ПС на определение поб. Наиболее хорошо разработанные и распространенные методы измерения показателя преломления описаны в работе [28]. В общих чертах рассмотрим иммерсионные методы, метод призмы, метод предельного угла и модифицированный (новый) эллипсометрический мето
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.