СОДЕРЖАНИЕ
ВВЕДЕНИЕ.................................................... 4
1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛОСКИХ
* ПЛЁНОК.............................................. 11
1.1. Методы определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины малоразмерных проводящих и высокоимпе-дансных плёнок в субмилл и метровом, миллиметровом и сантиметровом (СВЧ) диапазоне длин волн................... 17
1.2. Методы определения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины наноразмерных проводящих плёнок в видимом диапазоне........................................ 28
Выводы к главе 1....................................... 39
2. РАЗРАБОТКА И ИССЛЕДОВАНИЕ КВАЗИОПТИЧЕСКОГО СВЧ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТОЛЩИНЫ НАНОРАЗМЕРНЫХ
ПЛЁНОК [1-3] .......................................... 42
2.1. Расчёт коэффициентов отражения и пропускания наноразмер-
иой плёнки по параметрам квазиоптического резонатора частично образованного исследуемой плёнкой........... 42
* 2.2. Разработка алгоритмов восстановления параметров комплекс-
ной диэлектрической проницаемости и (или) толщины наио-размерных металлических и высокоимпедансных немагнитных плёнок по известным коэффициентам отражения и пропускания 51
2.3. Оценка диапазона и общей погрешности измерений метода на основе квазиоптического резонатора..................... 63
Выводы к главе 2....................................... 68
*
2
І
3. МОДИФИЦИРОВАННАЯ НЕРАЗРУШАЮЩАЯ
МЕТОДИКА ИЗМЕРЕНИЯ В ВИДИМОМ ДИАПАЗОНЕ
ДЛИН ВОЛИ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТОЛЩИНЫ НАНОРАЗМЕРНЫХ ПЛЁНОК ПО ВСЕЙ ПЛОЩАДИ [4] ................................... 71
3.1. Разработка оптической схемы метода измерений комплексной диэлектрической проницаемости и толщины, алгоритм расчёта распределения параметров наноразмерной металлической плёнки на основе возбуждения поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ) ........................................ 71
3.2. Экспериментальное исследование оптической схемы модифицированной методики измерения на основе возбуждения ПЭВ 82
Выводы к главе 3....................................... 89
4. РАЗРАБОТКА, СОЗДАНИЕ И ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ МАКЕТА И ФУНКЦИОНАЛЬНОСТИ ЕГО СХЕМЫ ДЛЯ РЕАЛИЗАЦИИ КВАЗИОПТИЧЕСКОГО МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЯ НАНОРАЗМЕРНЫХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛЁНОК [1] . 91
4.1. Схема системы измерения комплексной диэлектрической про-
ницаемости и толщины наноразмерных плёнок..... 91
4.2. Экспериментальные исследования макета измерителя для измерения комплексной диэлектрической проницаемости и (или)
толщины наноразмерных плёнок.................. 96
Выводы к главе 4................................. 102
ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................104
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ....................106
ПРИЛОЖЕНИЯ..........................................121
*
3
ВВЕДЕНИЕ
Актуальность темы. Бурное развитие нано-технологий стимулирует исследование свойств плёнок, толщина которых составляет десятки и даже единицы нанометров. Тонкие плёнки широко используются в микроэлектронике, нанофотонике, вычислительной и криогенной технике, оптике и оптоэлектронике, в космической и атомной промышленности и других технических отраслях [5-7]. Особый интерес при этом уделяется проводящим плёнкам, практическое приложение которых основано на специфике их свойств, существенно отличающихся от характеристик тех же материалов в массивном состоянии [8-10].
Получение сверхтонких плёнок металлов не вызывает затруднений. Качество зависит от выбранного метода, при этом особенности фазовых и структурных состояний вещества в тонких плёнках создают большие технологические и эксплуатационные трудности, связанные с недостаточной их воспроизводимостью (это сильно сказывается в субмиллиметровом, а также в видимом диапазоне) и возможной нестабильностью свойств во времени [11-13].
Таким образом, существует задача радиоволнового, оптического измерения параметров наноразмерных плёнок; причём, если в субмиллиметровом, миллиметровом и сантиметровом диапазонах, в большинстве случаев, достаточно измерять усреднённые значения электрофизических параметров, то в видимом диапазоне (в силу специфики приборов) необходима относительно высокая локальность измерений.
К настоящему времени разработано много способов и методик измерения комплексной диэлектрической проницаемости и толщин металлических слоёв в миллиметровом и субмиллиметровом диапазонах; многие из них недостаточно чувствительны, другие не столь оперативны, а некоторые -являются разрушающими. Таким образом, весьма актуальной является за-
дача разработки метода неразрушающего оперативного измерения и контроля усреднённых электрофизических параметров и толщины наноразмерных тонких плёнок в субмиллиметровом, миллиметровом и сантиметровом диапазоне длин волн.
В видимом диапазоне, из всех разработанных методов оперативностью и одновременно высокой точностью выделяются методы измерения, основанные на возбуждении поверхностных электромагнитных волн (ПЭВ), и эллипсометрический метод, однако эти методы в настоящее время являются точечными, и требуют относительно большого количества времени для определения неоднородности плёнки вдоль поверхности (более совершенные и высоко прецизионные методы требуют дорогостоящих приборов и так же не отличаются высокой скоростью измерения). Однако в ситуации продиктованной современными требованиями, использование некоторой универсальной сенсорной системы, позволяющей измерять значения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины тонких плёнок, а также распределение значений этих параметров по всей площади плёнки, представляется весьма актуальным.
Целью работы является проведение теоретических и экспериментальных исследований, направленных на разработку оптических методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины наноразмерных металлических плёнок в субмиллиметровом, миллиметровом, сантиметровом (СВЧ) и видимом диапазоне длин волн.
Для достижения указанной цели необходимо решить следующие задачи:
1) Провести анализ существующих методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины наноразмерных металлических плёнок, особенности методов расчёта и конструктивного исполнения, проанализировать достоинства и недостатки;
2) Разработать метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости и (или) толщины наноразмерных металлических плёнок в СВЧ
5
диапазоне длин волн, экспериментально проверить его действенность. Отработать методику измерений и исследовать вопрос о влиянии вторичных и всевозможных «неучтённых» в первом приближении факторов;
3) Разработать алгоритмы расчёта коэффициентов отражения и пропускания наноразмерных металлических плёнок по параметрам квазиогггиче-ского резонатора частично образованного исследуемой плёнкой, и численные алгоритмы восстановления удельной проводимости и толщины этих плёнок по известным коэффициентам отражения и пропускания;
4) Модифицировать методику измерения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины наноразмерных металлических плёнок в видимом диапазоне длин волн основанную на эффекте возбуждения поверхностных электрохмагнитных волн (ПЭВ), с целью измерения неравномерность распределения выше указанных параметров по всей площади плёнки; а так же разработать соответствующую оптическую схему и экспериментально проверить её.
Методы исследования базируются на основополагающих законах электродинамики, вычислительной математики и па использовании современных информационных технологий. Для реализации численных расчётов и моделирования использовались пакеты программ МаМсас! и Денвер 2.
Научная и практическая значимость. Найдены соотношения между параметрами (комплексной диэлектрической проницаемости и толщины) иаиоразмериой немагнитной металлической плёнки частично образующей квазиоптический резонатор и зависимостью коэффициента передачи сигнала от частоты при известных геометрических размерах квазиоптического резонатора, с учётом радиационного затухания квазиоптического резонатора.
На основе построенной математической модели взаимодействия СВЧ электромагнитной волны с объектом контроля и выведенных соотношений предложен новый метод неразрушающего измерения (и контроля) комплекс-
ной диэлектрической проницаемости и толщины наноразмерных плёнок из немагнитного диэлектрического высокоимпедаисиого или проводящего материала на базе открытого квазиоптического резонатора, частично образованного измеряемым объектом.
Разработана функциональная схема на базе квазиоптического открытого резонатора измерения комплексной диэлектрической проницаемости и (или) толщины наноразмерных плёнок различных металлов согласно предложенного метода.
Впервые рассмотрена возможность использования в оптическом диапазоне эффекта возбуждения поверхностного плазмонного резонанса для измерения неравномерности распределения вдоль поверхности значений комплексной диэлектрической проницаемости (показателя преломления) и толщины наноразмерных металлических плёнок . Разработана функциональная схема метода измерений распределения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины наноразмерных металлических плёнок различных металлов и толщины в видимом диапазоне длин волн. Одной из особенностей разработки является то, что р-поляризованное излучение лазера фокусируется в широкую прямую вблизи поверхности исследуемого объекта, таким образом, что отраженный сигнал несёт в себе информацию об эффективности возбуждения, в зависимости от угла падения излучения, поверхностной электромагнитной для каждой точки прямой (информацию о всей поверхности даёт продольное сканирование). Другая особенность заключается в выборе вкачествс опорного сигнала в-поляризованное излучение прошедшее через туже оптическую схему и сравниваемое с информационным (отраженным) В результате этого усовершенствования стало возможным создание компактной оперативной сенсорной системы, позволяющей измерять распределение комплексной диэлектрической проницаемости и толщины наноразмерных плёнок по всей площади плёнки.
*
7
Отдельные положения диссертационной работы расширяют возможности диагностики наноразмерных плёнок различных металлов и открывают дополнительные перспективы в создании новых устройств на основе тонкоплёночных технологий.
Приведенные в диссертации исследования применены на практике для измерения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины, а так же отражательных параметров наноразмерных немагнитных плёнок, в том числе для измерения характеристик старения металлических плёнок (для определения скорости образования оксидных плёнок на поверхности металлов и их параметров: комплексной диэлектрической проницаемости и толщины). Работа выполнялась в рамках научно исследовательских работ Кубанского госуниверситета на кафедре оптоэлектроники в период с 2002 по 2006 гг. по теме «Исследование и разработка новых физико технологических принципов построения, микро нанооптических устройств сбора, обработки и передачи информации и перспективных сред для микролазеров», а также согласно гранту 2004 г. Федерального агентства по образованию по теме «Разработка методики измерения удельной проводимости тонких плёнок в сантиметровом и миллиметровом диапазоне» рег.№А04-3.20-203.
Защищаемые положения.
1. Новый квазиоптический метод измерения комплексной диэлектрической проницаемости и (или) толщины в сверхвысокочастотном диапазоне длин волн тонких наноразмерных плоских плёнок из немагнитного проводящего материала или из немагнитного высокоимпедансного материала, основанный на спектральной закономерности коэффициента прохождения электромагнитной волны через квазиоптический резонатор одно из зеркал которого образовано исследуемой плёнкой; его математическое обоснование и определение границ применимости путём численного моделирования.
2. Методика измерения и алгоритм вычисления в видимом диапазоне длин волн неоднородности распределения (по поверхности) комплексной ди-
I
электрической проницаемости и толщины наноразмерных металлических пленок; результаты численного исследования их применимости и эффективности по рассматриваемой физико-математической модели, основанной на угловой зависимости эффективности возбуждения ПЭВ (в геометрии Крсч-мана) выше указанных параметров наноразмерных металлических плёнок.
3. Математические соотношения между величинами комплексной ди-
*
электрической проницаемости, толщины и оптическими параметрами, характеризующими тонкую наиоразмерную плёнку и параметрами квазиоп-тической резонансной системы их измерения.
4. Алгоритмы численного решения задачи определения удельной проводимости и толщины наноразмерных плёнок на основе соотношений между величинами комплексной диэлектрической проницаемости, толщины и параметрами квазиоптической резонансной системы.
5. Схемы и устройства для осуществления разработанных оптических методов измерения комплексной диэлектрической проницаемости и толщи-
* ны наноразмерных металлических плёнок в СВЧ диапазоне длин волн и неоднородности распределения этих параметров по поверхности в видимом диапазоне длин волн.
Достоверность и обоснованность результатов. Предлагаемые в диссертации вычислительные методы, основанные на теории матриц передачи и уравнениях Максвелла, математически строго обосновываются. При практической реализации этих методов точность вычислений контролировалась.
* Некоторые из полученных результатов сравнивались с экспериментальными и численными данными, полученными другими авторами.
Объем и структура диссертации. Диссертация состоит из 4-х глав, введения, заключения, списка использованных источников и приложений.
Первая глава представляет собой аналитический обзор, выполненный на основе анализа литературных источников. Особое внимание здесь уделяется специфики методов измерения комплексной диэлектрической проницаемо-
9
I
сти и толщины наноразмерпых плёнок, методикам расчёта и конструктивного исполнения этих методов, их достоинства и недостатки.
Вторая глава непосредственно посвящена решению задачи разработки квазиоптического метода, составлению численных зависимостей и описанию разработанного алгоритма восстановления комплексной диэлектрической проницаемости и толщины тонких металлических немагнитных плёнок по измеренным параметрам квазиоптического резонатора, частично образованного измеряемой плёнкой в, СВЧ диапазоне длин волн.
Третья глава посвящена описанию модифицированной методики измерения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины наноразмер-ных металлических плёнок в видимом диапазоне длин волн на физической основе возбуждения поверхностной электромагнитной волны, а так же разработке соответствующей оптической схемы и экспериментальной её проверке.
Четвёртая глава посвящена экспериментальной проверке разработанно-•’ го квазиоптического метода измерения комплексной диэлектрической проницаемости и толщины наноразмерпых металлических немагнитных плёнок на натурных образцах.
Диссертация содержит 120 печатных страниц, 32 рисунка, список литературы, включающий 137 наименований и 6 приложений, содержащих таблицы экспериментальных и расчетных данных и распечатки отдельных программ численного расчета.
*
10
1. МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЯ КОМПЛЕКСНОЙ ДИЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ ПРОНИЦАЕМОСТИ И ТОЛЩИНЫ ТОНКИХ МЕТАЛЛИЧЕСКИХ ПЛОСКИХ ПЛЁНОК
Наиболее значимыми физическими параметрами, характеризующими • усредненные в пространстве и времени свойства вещества, являются: абсолютная диэлектрическая проницаемость еа и абсолютная магнитная проницаемость //а. В общем случае все эти величины являются тензорами, однако для однородного материала диэлектрическая и магнитная проницаемости -комплексные величины [14,15]
£„ = е'а ~ и?а = е'а ~ 1^, (1.1)
Ца = ц'а- Фа, (1-2)
где £д, Дд, Дд и £д = (т/27г/ — действительные числа, с — мнимая единица [16].
Для удобства описания будем пользоваться относительной комплексной диэлектрической проницаемостью
£ = (и)
— это безразмерная величина показывает во сколько раз абсолютная диэлектрическая проницаемость вещества больше, чем электрическая постоянная £о> характеризующая свойства вакуума. Относительную магнитную проницаемость будем считать равной единице (// = 1), что справедливо в большинстве случаев для металлов [14,15].
В оптическом диапазоне, чаще вместо є = є'+іє" среды описывают через комплексный показатель преломления п = п + тэе [17]. Однако, при выводе волнового уравнения из уравнения Максвелла для металла, известны соот-
I'
%
11
- Київ+380960830922