Fizika i Tehnika Tankih Slojeva

Institut za nuklearne nauke ,,Vinca" Univerzitet u Nisu

Dr Tomislav M. Nenadovic

Dr Tomislav M. Pavlovic

FIZIKA I TEHNIKA TANKIH SLOJEVA

INSTITUT ZA NUKLEARNE NAUKE „ V I N C A „ B I BU Q3Tx£-|C A Br. .

Beograd, 1997.

Naslov:

FIZIKAITEHNIKA TANKIH SLOJEVA

Prvo izdaiije Autori:

Prof, dr Tomislav M. Neuadovic, iiaucni savetnik, Iiistitut za nukleanie nauke ,,Vinca" Prof, dr Tomislav M. Pavlovic, Filozofski fakultet u Nisu

Izdavac:

Iiistitut za nukleanie uauke ,,Vinca" 11001 Beograd, p. p. 522; tel. (011)43-89-06 Za izdavaca: dr Miroslav M. Kopecni, direktor

Suizdavac:

Univerzitet u Nisu Za suizdavaca: prof, dr Brauimir Dordevic, rektor

Recenzenti:

Prof, dr Jovan M. Konstautinovic, Fizicki fakultet, Beograd Prof, dr Dragau S. Veselinovic, Fakultet za fizicku hemiju, Beograd Prof, dr Milovan M. Purenovic, Filozofski fakultet, Nis

ISBN

86-7306-006-0 Iiistitut za nukleanie nauke ,,Vinca" Univerzitet u Nisu

Obrada na racuuaru:

Miodrag A. Antic, dipl. fizicar

Zahvalnost:

Autori se zahvaljuju Institutu za nukleanie nauke ,,Vinca" u Beogradu i D. D. Niska banka, D. P. NISSAL, P. P. Oring u Nisu na finansijskoj pomoci za izdavanje ove kujige

Stampa:

Stamparija lustituta za uukleanie nauke ,,Viuca" 11001 Beograd, p. p. 522; tel. (011)45-82-22/500 Tiraz: 500 primeraka • mart 1997

VINCA

Dr Tomislav M. N

PHYSIC OF!

VINCA Institute of Nuclear Sciences University of Nis

Dr Tomislav M. Nenadovic

Dr Tomislav M. Pavlovic

PHYSIC AND TECHNICS OF THIN FILMS

Beograd, 1997.

PREDGOVOR Ova knjiga obuhvata razlicite aspekte oplemenjavanja povrsine cvrstog tela, u slucaju kada upadni snop sa hipertermalnom energijom dejstvuje po povrsini. Pri tome sa porastom vremena interakcije upadni snop - podloga, povrsina sve vise gubi predhodne karakteristike i menja se u zeljenom pravcu, dok unutrasnjost materijala zadrzava svoje osobine. Interes za ispitivanje fizicko-hemijskih osobina materijala koji je deponovan na povrsini - tankih slojeva i prevlaka - police od njihove jedinstvene strukture, ravne geometrije i malih dimenzija u odnosu na komadni uzorak. Sa stanovista primene interes je izazvan: mogucnostima oplemenjavanja povrsine deponovanjem novog materijala iz snopa male energije i mogucnostima obrade povrsine upadnim snopom vece energije. Obaprocesa izmene osobine materijala su posebno stimulisane u pokusajima minijaturizacije komponenata funkcionalnih sistema: za savremenu elektroniku, energetiku, inteligentne materijale i druge namene. Knjiga je namenjena studentima fizike i tehnike na redovnim i poslediplomskim studijama i strucnjacima u privredi koji su zainteresovani za resavanje problema iz oblasti fizike i tehnike tankih slojeva. Materija je izneta u sazetom obliku oiz ilustraciju procesa, metoda i tehnika. Za njeno potpuno razumevanje neophodno je predznanje iz oblasti Atomske fizike i Fizicke hemije materijala. Prvi deo knjige (Glave, 1-4) obuhvata procese na povrsinama koji su znacajni za formiranje tankih slojeva i prevlaka. Drugi deo knjige (Glave, 5-9) obuhvata najznacajnije osobine depozita. U poslednjoj glavi prikazane su neke mogucnosti primene. Mada knjiga predstavIja zajednicki napor autora, u njenom prvom delu (Glave, 1-7) vece je ucesce prvog autora, dok je drugi deo knjige (Glave, 8-10) vecim delom obradio drugi autor.

Rad na knjizi su nam omogucili clanovi nasih porodica - razumevanjem za posao koji radimo i zeljom da pomognu saradnici Instituta za nuklearne nauke Vinca, Laboratory e za atomsku fiziku i Filozofskog fakulteta Univerziteta u Nisu, Studijske grupe za fiziku - svojim ucescem u radu, svojim rezultatima i svojim kritickim primedbama. Svima dugujemo zahvalnost za pruzenu pomoc.

Dr Tomislav M. Nenadovic Dr Tomislav M. Pavlovic

1. PROCESI NA POVR 1.1. Uvod Beograd - Nis januara 1997. godine

1.2. Tank! slqjevi i pre 1.3. Oplemenjavanje p 1.4. Fizicko-hemijski ] formiranje tankih: 1.4.1. Prevodenje m£ - isparavanje i 1.4.2. Kondenzacija: 1.4.3. Nukleacija def

1.4.4. Formiranje i ra

1.5. Osnovne karakteri: 1.6. Primena 1.7. Literatura

2. VAKUUMSKI SISTE 2.1. Uvod 2.2. Vakuum

2.3. Element! i karakter konvencionalnih v£ 2.4. Merenje vakuuma 2.5. Vakuumski sistemi tankih slojeva/prev

2.6. Graficki simboli za 2.7. Literatura

•azujnici ikui iziku i pri-

1C

Sadrzaj 1. PROCESI NA POVRSINAMA 1.1. Uvod 1.2. Tanki slojevi i prevlake 1.3. Oplemenjavanje povrsina 1.4. Fizicko-hemijski procesi koji odreduju formiranje tankih slojeva i prevlaka 1.4.1. Prevodenje materijala u parnu fazu - isparavanje i rasprasivanje 1.4.2. Kondenzacija isparenog materijala 1.4.3. Nukleacija deponovanog materijala 1.4.4. Formiranje i rast tankog slqja 1.5. Osnovne karakteristike tankih slojeva 1.6. Primena 1.7. Literatura 2. VAKUUMSKI SISTEMI 2.1. Uvod 2.2. Vakuum 2.3. Elementi i karakteristike konvencionalnih vakuumskih sistema 2.4. Merenje vakuuma 2.5. Vakuumski sistemi za deponovanje tankih slojeva/prevlaka 2.6. Graficki simboli za elemente vakuumskog sistema 2.7. Literatura .

1 1 2 4 7 9 11 14 17 20 22 24 27 27 28 30 33 35 36 . 38

3. FIZICKE METODE DEPONOVANJA 3.1. Uvod 3.2. Naparavanje i rasprasivanje 3.3. Izvori za isparavanje 3.3.1. Izvori za termicko isparavanje 3.3.2. Izvori za rasprasivanje 3.3.3. Karakteristike fizickih metoda deponovanja 3.4. Kontrola procesa deponovanja 3.4.1. Merenje brzine isparavanja i deponovanja 3.4.2. Merenje debljine deponovanog materijala 3.4.3. Temperatura podloge 3.4.4. Analiza zaostalog gasa 3.5. Literatura

,

39 39 39 41 42 45 47 48 49 50 53 54 57

4. PODLOGA ZA DEPONOVANJE 4.1. Uvod 4.2. Materijal podloge 4.3. Kristalna struktura 4.4. Defekti u kristalima 4.4.1. Klasifikacija defekata 4.4.2. Defekti na atomskoj skali 4.5. Literatura

59 59 59 61 63 63 64 67

5. STRUKTURNE OSOBINE TANKIH SLOJEVA 5.1. Uvod 5.2. Mikrostrukturne karakteristike tankih slojeva 5.3. Uticaj uslova deponovanja na kristalicnost tankih slojeva 5.4. Defekti u tankom sloju 5.5. Strukturna karakterizacija tankih slojeva 5.5.1. Razvoj metoda i tehnika za analizu 5.5.2. Pregled tehnika za karakterizaciju 5.5.3. Metode za strukturnu karakterizaciju

69 69 69 74 78 80 81 86 88

5.6. Difuziorii proce; 5.6.!. Parametri di 5.6.2. Difuzioni pr 5.7. Analiza hemijsk raspodele eleme 5.7,1. Metode za a 5.8. Literatura . . . .

6. ELEKTRICNEOS 6.1. Uvod 6.2. Elektricna prove 6.3. Elektricna prove tankoslojnih mal 6.4. Elektricni otpor 6.4.1. Merenje sloj 6.4.2. Promene ele tankih slojev 6.4.3. Temperaturs: 6.5. Literatura

7. MEHANICKEOSC 7.1. Uvod 7.2. Adhezija 7.2.1. Metode zam 7.3. Unutras nj i napon 7.3.1. Metode zam 7.4. Zatezne karakten 7.4.1. Metode za mi 7.5. Literatura

8. OPTICKE KARAK r TANKOSLOJNIH \

8.2. Refleksij a, transit 8.3. Refleksij a sa tank

5.6. Difuziorii procesi u deponovanom sloju 5.6.!. Parametri difuzionih procesa 5.6.2. Difuzioni procesi u tankoslojnim sistemima 5.7. Analiza hemijskog sastava i raspodele elemenata u depozitu 5.7.1. Metode za analizu sastava 5.8. Literatura

92 92 95 97 97 102

6. ELEKTRICNE OSOBINE TANKIH SLOJEVA 6.1. Uvod 6.2. Elektricna provodnost kontinualnog sloja 6.3. Elektricna provodnost nemetalnih tankoslojnih materijala 6.4. Elektricni otpor tankoslojnih sistema 6.4.1. Merenje slojne otpornosti 6.4.2. Promene elektricnog otpora tankih slojeva u toku odgrevanja 6.4.3. Temperaturski koeficijent otpora 6.5. Literatura

105 105 108

7. MEHANICKE OSOBINE TANKIH SLOJEVA 7.1. Uvod 7.2. Adhezija 7.2.1. Metode za merenje adhezije 7.3. Unutrasnji naponi 7.3.1. Metode za merenje unutrasnjih naprezanja 7.4. Zatezne karakteristike tankih slojeva 7.4.1. Metode za merenje mikrotvrdoce 7.5. Literatura

123 123 124 125 129 131 133 134 137

8. OPTICKE KARAKTERISTIKE TANKOSLOJNIH MATERIJALA 8.1. Uvod 8.2. Refleksija, transmisija i apsorpcija 8.3. Refleksija sa tankog sloja

139 139 141 149

109 112 114 117 119 121

8.4. Odredivanje indeksa prelamanja tankih slojeva 8.5. Opticke karakteristike nekih podloga za opticke tanke slojeve 8.6. Fizicko-hemijske i opticke karakteristike A12O3 8.7. Literatura 9. VRSTE OPTICKIH TANKIH SLOJEVA 9.1. Antirefleksioni slojevi 9.2. Ogledala 9.2.1. Metalna ogledala 9.2.2. Metalno-dielektricna ogledaia 9.2.3. Laserska ogledala 9.3. Delitelji svetlosti 9.4. Opticki filtri 9.5. Literatura 10. NEKE PRIMENE TANKIH SLOJEVA I PREVLAKA 10.1. Prevlake za zastitu materijala 10.2. Spektralno selektivni apsorberi suncevog zracenja 10.3. Solarne celije 10.3.1. Solarne celije na bazi monokristalnog silicijuma 10.3.2. Solarne celije na bazi amorfnog silicijuma 10.3.3. Tandem solarne celije 10.3.4. Primena solarnih celija 10.4. Stampane ploce 10.5. Pojacavaci slike 10.6. Kontaktne prevlake mekog i tvrdog zlata 10.7. Tanki slojevi u mikroelektronici 10.7.1. Tankoslojna integrisana kola 10.7.2. COS/MOS integrisana kola 10.8. Literatura .

151 156 159 161 163 165 175 176 183 184 186 191 197 199 199 203 217 217 219 223 224 225 231 235 239 239 241 . 243

1. SURFACE PROCES 1.1. Introduction . . . . 1.2. Thin films andco 1.3. Implementation o 1.4. Physico-chemical the formation oft 1.4.1. Transforming phase-evapora 1.4.2. Condensation 1.4.3. Nucleationof 1.4.4. The formation 1.5. Basic characteristi 1.6. Applications 1.7. References

2. VACUUM SYSTEM 2.1. Introduction 2.2. Vacuum 2.3. Design and perfor conventional vacuu 2.4. Vacuum measurem 2.5. A vacuum system of thin films and c 2.6. Graphic symbols f of vacuum systems 2.7. References .

Contents 1. SURFACE PROCESSES 1.1. Introduction 1.2. Thin films and coatings 1.3. Implementation of surfaces 1.4. Physico-chemical processes determining the formation of thin films and coatings 1.4.1. Transforming materials in the vapour phase-evaporation and sputtering 1.4.2. Condensation of evaporated materials 1.4.3. Nucleation of deposited materials 1.4.4. The formation and growth of thin films 1.5. Basic characteristics of thin films 1.6. Applications 1.7. References 2. VACUUM SYSTEM 2.1. Introduction 2.2. Vacuum 2.3. Design and performance of conventional vacuum systems 2.4. Vacuum measurements 2.5. A vacuum system for deposition of thin films and coatings 2.6. Graphic symbols for the elements of vacuum systems 2.7. References .

1 1 2 4 7 9 11 14 17 20 22 24 27 27 28 30 33 35 36 . 38

3. PHYSICAL METHODS FOR DEPOSITION 3.1. Introduction 3.2. Vacuum evaporation and sputtering 3.3. Evaporation sources 3.3.1. Thermal evaporation sources 3.3.2. Sputtering sources 3.3.3. Characteristics of physical vapour deposition 3.4. Deposition process control 3.4.1. Evaporation and deposition rate measurements 3.4.2. Thickness measurements of deposited materials 3.4.3. Substrate temperature 3.4.4. Analyses of residual gases 3.5. References

39 39 40 41 42 45 47 48 49 50 53 54 57

4. SUBSTRATES FOR DEPOSITION 4.1. Introduction 4.2. Substrate materials 4.3. Crystal structures 4.4. Defects in crystals 4.4.1. Defects classification 4.4.2. Defects on an atomic scale 4.5. References

59 59 59 61 63 63 64 67

'

5. STRUCTURE OF THIN FILMS 69 5.1. Introduction 69 5.2. Microstructrual characteristics of thin films 69 5.3. Influences of deposition conditions on the crystal structure of thin films 74 5.4. Defects in thin films 78 5.5. Structural characteristics of thin films 80 5.5.1. Development of methods and techniques for analysis . . 81 5.5.2. Review of techniques for characterization 86 5.5.3. Methods for structural characterization 88

5.6. Diffusion proces 5.6.1. Parameters o 5.6.2. Diffusion prc 5.7. Analysis of cherr distribution of eli 5.7.1. Methods fon 5.8. References

6. ELECTRICAL PRC 6.1. Introduction . . . 6.2. Electrical conduc 6.3. Electrical conduc 6.4. Electrical resistai 6.4.1. Measurement 6.4.2. Changes in si 6.4.3. Temperature i 6.5. References . . . .

7. MECHANICAL PRi 7.1. Introduction 7.2. Adhesion 7.2.1. Methods for r 7.3. Internal stresses . 7.3.1. Stress-measu 7.4. Tensile properties 7.4.1. Methods for r 7.5. References

8. OPTICAL CHARAC OF THIN FILM MA 8.1. Introduction 8.2. Reflection, transit 8.3. Reflection from tf 8.4. Determination of

5.6. Diffusion processes in deposited films 5.6.1. Parameters of the diffusion process 5.6.2. Diffusion processes in thin film systems 5.7. Analysis of chemical compositions and distribution of elements in deposits 5.7.1. Methods for composition analysis 5.8. References

92 92 95 97 97 102

6. ELECTRICAL PROPERTIES OF THIN FILMS 102 6.1. Introduction 105 6.2. Electrical conductivity of thin continuous films 106 6.3. Electrical conductivity of non-metal thin film materials .. 109 6.4. Electrical resistance of thin film systems 112 6.4.1. Measurements of sheet resistance 114 6.4.2. Changes in sheet resistance under heating 117 6.4.3. Temperature coefficient of resistance 119 6.5. References 121 7. MECHANICAL PROPERTIES OF THIN FILMS 7.1. Introduction 7.2. Adhesion 7.2.1. Methods for measuring adhesion 7.3. Internal stresses 7.3.1. Stress-measuring methods 7.4. Tensile properties of thin films 7.4.1. Methods for measuring micro hardness 7.5. References 8. OPTICAL CHARACTERISTICS OF THIN FILM MATERIALS 8.1. Introduction 8.2. Reflection, transmission and absorption 8.3. Reflection from thin films 8.4. Determination of the refraction index of thin films .

123 123 124 125 129 131 133 134 137

139 139 141 149 .151

8.5. Optical characteristics of some substrates for thin films . . 156 8.6. Physical-chemical and optical characteristics of A12O3 ... 159 8.7. References 161 9. TYPES OF THIN OPTICAL FILMS 9.1. Anti reflection film 9.2. Mirrors 9.2.1. Metal-mirrors 9.2.2. Metal dielectric mirrors 9.2.3. Laser mirrors 9.3. Light splitters 9.4. Filters 9.5. References 10. SOME APPLICATIONS FOR THIN FILMS AND COATINGS 10.1. Protective coatings 10.2. Spectrally selective solar energy absorbers 10.3. Solar cells 10.3.1. Solar cells based on monochrystal silicon 10.3.2. Solar cells based on amorphous silicon 10.3.3. Tandem solar cells 10.3.4. Application of solar cells 10.4. Printed boards 10.5. Picture amplifiers 10.6. Contact coatings of soft and hard gold 10.7. Thin films in microelectronics 10.7.1. Thin films integradet circuits 10.7.2. COS/MOS integradet circuits 10.8. References .

163 165 175 176 183 184 186 191 197

199 199 203 217 217 219 223 224 225 231 235 239 239 241 . 243

1. PROCESINAP 1.1. UVOD

Kada snop cestica sa hi nu cvrstog tela stanje na njc energiju atomima mete poi migriraju po povrsini, gradei zavise od uslova predaje en< obuhvataju: desorpciju sa pi na povrsini, izbacivanje aton cestica snopa u kristal. Sa p sina sve vise gubi prethodne

Izazvani procesi na po\

jama (do oko 5 eV) domir adsorpcija i hemijsko raspn isparljivo jedinjenje 111. Ak liko desetina eV, cestice sno ponovanje, dva uslova mon prijanjanja upadni atom (joi verovatnoce rasprasivanja i da bude volatilan. Najzad, r dominiraju fizicki procesi int

Atomski sudarni procesi mnoge oblasti nauke i telini ficnih struktura depozita i n usled izmene stanja na povr skim sudarnim procesima me a) deponovanjem koi b) modifikacijom po1

Procesi na povrsinama

1. PROCESI NA POVRSINAMA 1.1. UVOD Kada snop cestica sa hipertermalnom energijom pogodi povrsinu cvrstog tela stanje na njoj se menja. Cestice snopa predaju svoju energiju atomima mete pomerajuci ih iz ravnoteznih polozaja, ill migriraju po povrsini, graded nakupine c"ija velicina i mikrostruktura zavise od uslova predaje energije. Promene usled primljene energije obuhvataju: desorpciju sa povrsine, adsorpciju deponovanih cestica na povrsini, izbacivanje atoma kristalne resetke iz mete i ugradivanje cestica snopa u kristal. Sa porastom vremena bombardovanja povrsina sve vise gubi prethodne karakteristike III. Izazvani procesi na povrsini funkcija su energije upadnog snopa, a energetska granica medu njima nije ostra. Na manjim energijama (do oko 5 eV) dominiraju hemijski procesi, - desorpcija, adsorpcija i hemijsko raspra§ivanje - ako se u toku reakcije gradi isparljivojedinjenje 111. Ako je energija upadnog snopa redanekoliko desetina eV, cestice snopa se deponuju na povrsini 131. Za deponovanje, dva uslova mora da budu zadovoljena: 1) verovatnoca prijanjanja upadni atom (jon)/atom povrsine mora da je veca od verovatnoce rasprasivanja i 2) proizvod reakcije na povrsini ne sme da bude volatilan. Najzad, na energijama od oko 100 eV i vecim dominiraju fiziCki procesi interakcije 141. Atomski sudarni procesi na povrsinama predstavljaju osnovu za mnoge oblasti nauke i tehnike. Oni omogucavaju dobijanje specificnih struktura depozita i novih - izvedenih - osobina materijala usled izmene stanja na povrsini. Oplemenjavanje materijala atomskim sudarnim procesima moze da se obavi: a) deponovanjem komponenata snopa na povrsinu, ill b) modifikacijom povrsine pomocu snopa.

Fizika i tehnika tankih slojeva

Deponovanjem su dobijene tankoslojne komponente kao osnova zarazvoj mikroelektronskih i optoelektronskih kola. Deponovane prevlake vecih debljina nasle su siroku primenu za zastitu materijala od uticaja radne sredine. Cestice snopa koje prodiru u bombardovani materijal omogucile su promene osobina materijala u zeljenom pravcu. Pre razmatranja osnovnih fizickih procesa koji nastaju u toku interakcije energetskog snopa sa kristalnom resetkom, korisno je reci da su zbog mogucnosti koje oblast pruza, druge oblasti i bliske naucne discipline cesto prisvajali rezultate istrazivanja atomskih sudarnih procesa na povrsinama.

1.2. TANKI SLOJEVII PREVLAKE Mogucnosti deponovanja tankih slojeva i prevlaka u vakuumu, kao i nove osobine tako dobijenih materijala, sistema i komponenata, ukazuju na velike promene koje nas u ovoj oblasti jos ocekuju. Brzi razvoj oblasti krajem ovog veka bio je omogucen razvojem nauke i tehnike, posebno u oblasti vakuuma i detekcionih sistema. Mada se cesto istice da je fizika tankih slojeva nova oblast nauke, osnovni fizicko-hemijski procesi koji odreduju mogucnosti deponovanja tankih slojeva i prevlaka privlacili su paznju istrazivaca vec krajem 19. i pocetkom 20. veka 151. Ti procesi obuhvataju nanosenje tankih slojeva elektrodepozicijom i isparavanjem, formiranje stabilnih nakupina (nucleus) na podlozi i njihov rast do kontinualnog sloja. Prvi tanki slojevi verovatno su dobijeni elektrodepozicijom pri kvantitativnom proucavanju elektrolize koje je ucinio M. Faraday (1834). Eksperimenti isparavanja koje je izvrsio eksplozijom metalne zice u vakuumu (1857), kao i ispitivanja mogucnosti isparavanja Pt zice pomocu Joule-ove toplote koje je obavio Nartwold (1887), nisu omogucavali numericku analizu pojave. Isto se moze reci i za tanak sloj deponovan rasprasivanjem na zidovima staklene cevi za praznjenje koje je zapazio Grove (1852). Pocetkom ovog veka efekatje, uradovima von Hippel-a i Blechmidt-a, objas-

njavan lokalnim pregrev; cije sa jonskim snopom. Do polovine ovog v i prevlaka je bio usmerei nih, elektridnih, optickih masovnom primenom (b vlake) zapazeno je da pi pored usteda u materijah vanje osobina u zeljenon: snih materijala u vakuu jedinjenja, vatrostalni m< na brzi razvoj metoda i te jala. Na taj nacin je oni komparativna analiza k1 razlicitim tehnikama. Na tidkih sistema i tehnika z tronskih i jonskih snop povrsini 161.

OCekuje se da za nov materijali i tehnologije ko nente za zamenu delova c vlaka koji menjaju osobi okruzujucom sredinom bi

Postojece depozicion jal deponuje u sirokom slojevi i prevlake. Pri po nailazi se na niz potesk( funkcija debljine, pa gra zavisi od ispitivane osobin menja sa debljinom, dep ispituje transparenlnost de meri elektricni otpor, men ispituje vrednost mikrotvr 3-5 (.im. Tek za debljine v ja) se defmise kao prevlak

Procesi na povrsinama

njavan lokalnim pregrevanjem i isparavanjem katode u zoni interakcije sa jonskim snopom. Do polovine ovog veka osnovni interes u oblasti tankih slojeva i prevlaka je bio usmeren ka ispitivanju osnovnih osobina (strukturnih, elektricnih, optickih i mehanickih) ovih materijala. Sa prvom masovnom primenom (NiCr otpornici, oksidne antikorozione prevlake) zapazeno je da primena u fiinkcionalne svrhe omogucava pored usteda u materijalu i minijaturizacije komponenata - usmeravanje osobina u zeljenom pravcu. Zahtevi za deponovanje kompleksnih materijala u vakuumu (legure, poluprovodnici, intermetalna jedinjenja, vatrostalni materijali) pocetkom 70-tih godina uticali su na brzi razvoj metoda i tehnika za isparavanje i rasprasivanje materijala. Na taj nacin je omogucena dobra reproduktivnost rezultata i komparativna analiza kvaliteta tankih slojeva/prevlaka dobijenih razlicitim tehnikama. Najzad, razvoj kompleksnih elektronsko-optickih sistema i tehnika za karakterizaciju materijala, pomocu elektronskih i jonskih snopova, omogucio je defmisanje stanja na povrssini 161. Oc'ekuje se da za nove oblasti materijala - kao sto su inteligentni materijali i tehnologije koje imitiraju prirodu (biomaterijali i komponente za zamenu delova covecijeg tela), primena tankih slojeva/prevlaka koji menjaju osobine povrsma i smanjuju brzinu reakcije sa okruzujucom sredinom bude i neophodna. Postojece depozicione metode pruzaju mogucnost da se materijal deponuje u sirokom opsegu debljina u kome se nalaze tanki slojevi i prevlake. Pri pokusaju da se definise granica medu njima nailazi se na niz poteskoca. Osobine deponovanog materijala su funkcija debljine, pa granica tanak sloj-prevlaka nije ostra. Ona zavisi od ispitivane osobine. Sve dok se vrednost merenog parametra menja sa debljinom, depozit je defmisan kao tanak sloj. Kada se ispituje transparentnost depozita, granica je na oko 100 nm; kada se men elektricni otpor, merni parametar se menja do 150 nm; kada se ispituje vrednost mikrotvrdoce promene sa debljinom su vidljive do 3-5 um. Tek za debljine vece od ovih vrednosti deponovani materija) se definise kao prevlaka u odnosu na ispitivanu osobinu.

Fizika i tehnika tankih slojeva

1.3. OPLEMENJAVANJE POVRSINA Najveci broj uredaja u modernim tehnologijama zahteva, posebne osobine za materijal komponente uredaja, a druge osobine za njenu povrsinu. Materijal za izradu komponente uredaja treba da zadovolji norme za hemijski sastav, kristalnu strukturu i mehanicke osobine, dok povrsina komponenti treba da je koroziono stabilna, da ima male vrednosti erozije i da ne podleze habanju 111. U praksi je tesko naci materijal koji moze da zadovolji sve zahtevane karakteristike. Radi toga su metode za izmenu osobina materijala - pored istrazivackog interesa - izazvale paznju i onih ciji je prevashodni interes smanjivanje brzine interakcije materijala sa radnom sredinom i ostvarivanje radnog ciklusa bez degradacije osobina materijala /8/. Kao osnovni mehanizmi za oplemenjavanje povrsine mogu da se istaknu: a) Konvencionalni postupci - jos uvek imaju znacaj za primenu. Bojenje, poliranje i peskiranje su siroko zastupljeni u metalskoj industriji, dokje sacmarenje (shotpeening) veomarasprostranjeno u obradi delova kojima treba da se poveca cvrstoca na zamor.

elemenata koji na ovaj n; materijala pomocu jonski nje, karbidizacija) ili em jonsko mesanje - ion bea

d) Depozicione mei vrsini obuhvataju brojne novanje tankih slojeva depozicione metode mog fizicke metode deponovai depozicija i kombinovani

Fizicke metode depo rijala u parno stanje, zag jonskim snopom. Procesi gasa, tako da se na podloz metali, njihova jedinjenja. se deponuju na osnovni n nje tankih slojeva i prevla brzinama deponovanja.

Hemijske metode def ciji osnovnog materijala okruzuje (cVrsta, tecna ili vanjem iz parne faze. Kod nog materijala po jedinici

b) Difuzioni procesi - zasnovani su na povecanju koncentracije hemijski neaktivnih komponenata u povrsinskoj zoni. Procesi se ostvaruju u toku termickog tretmana koriscenjem dva mehanizma zastite: difuzija ka povrsini i difuzija ka unutrasnjosti materijala. Tako se povecanjem koncentracije Al, Cr i Si na povrsini, povecava koroziona stabilnost; ili, smanjivanjem koncentracije komponenata koje lako oksidisu (difuzijom u zapreminu) smanjuje se mogucnost za koroziju.

gde su J - gustina struje, a - efikasnost strujnog pi vrednosti tezine depozita;

c) Cementacija povrsine - obuhvata procese formiranja novog sastava legure ili intermetalnog jedinjenja na povrsini. Materijal kojim se stiti osnovna komponenta ubacuje se u ,,metu", razlaze na povrsini ili reaguje sa osnovnim materijalom. Proces se izvodi: 1) termickim tretmanom na temperaturama ispod 1373 K (zastita od visokotemperaturske korozije; ogranicena primena zbog malog broj a

Galvanski postupci se sa materijalom iz gasne 1 (metalnih halogenida, nitri vrsi se pirolitickim razlag, Metoda se koristi najcesce skoj industriji (2TaCl5 + 51

Procesi na povrsinama

elemenata koji na ovaj nacin formiraju cvrst rastvor), i 2) obradom materijala pomocu jonskih snopova male energije (nitriranje, boriranje, karbidizacija) ili energije do ili iznad 100 keV (implantacija i jonsko mesanje - ion beam mixing). d) Depozicione metode za izmenu osobina materijala na povrsini obuhvataju brojne postupke koji mogu da se koriste za deponovanje tankih slojeva/prevlaka razlifiitih materijala 191. Sve depozicione metode mogu da se podele u nekoliko osnovnih grupa: fizicke metode deponovanja, hemijske metode deponovanja, plazma depozicija i kombinovani postupci. Fizicke metode deponovanja zasnovane su na prevodenju materijala u parno stanje, zagrevanjem u vakuumu ili bombardovanjem jonskim snopom. Procesi mogu da se izvode u atmosferi reaktivnog gasa, tako da se na podlozi formira jedinjenje depozita. Prakticno svi metali, njihova jedinjenja, smese i legure, mogu ovim postupkom da se deponuju na osnovni materijal. Metode omogucavaju deponovanje tankih slojeva i prevlaka malim (nm/min) i velikim (50 um/min) brzinama deponovanja. Hemijske metode deponovanja zasnovane su nahemijskoj reakciji osnovnog materijala sa sredinom koja materijal kontrolisano okruzuje (cvrsta, tecna ili gasovita faza) i to elektrolizom ili deponovanjem iz parne faze. Kod galvanskih postupaka kolicina deponovanog materijala po jedinici povrsine G/A data je izrazom: - =J - t - E - a A

(1.1)

gde su J - gustina struje, t - vreme, E - elektrohemijski ekvivalent, a - efikasnost strujnog procesa (odnos eksperimentalne i teorijske vrednosti tezine depozita; vrednost je izmedu 0,5 i 1). Galvanski postupci se sve vise zamenjuju hemijskom reakcijom sa materijalom iz gasne faze. Izdvajanje materijala iz gasne faze (metalnih halogenida, nitrida, hidrida i organo-metalnih jedinjenja) vrsi se pirolitickim razlaganjem ili direktno hemijskom reakcijom. Metoda se koristi najcesce za korozionu zastitu materijala u hemijskoj industry! (2TaCl5 + 5H2 -> 2Ta + 10HC1), kao i za zavrsnu ob-

Fizika i tehnika tankih slojeva

radu raznih vrsta celika (TiCl4 + CH4 + H2 -> TiC + 4HC1 + H2 na 700 K). Na vec formirane prevlake za zastitu brzoreznih celika (TIN, TiC) istim postupkorn se nanosi i A12O3 (2A1C13 + 3H2 —>• A12O3 + 6HC1, na 700 K) debljine do 1 mm, da bi se sprecili procesi na povisenoj temperaturi. e) Oplemenjavanje materijala pomocu energetskih snopova obuhvata procesiranje materijala snopom i modifikaciju materijala snopom /10/. U prvoj grupi posebno mesto zauzimaju nagrizanje (etching), teksturiranje i otpusianje (annealing) materijala pomocu snopa. Nagrizanje je postupak kojim se (malim energijama i niskim dozama) otkrivaju strukturni detalji na povrsini ili se postupkom formira odredena putanja kroz masku za izradu mikroelektronskih kola. Teksturiranje jonskim snopom omogucava dobijanje raspodela kristalnih orijentacija sa preferencijalnim usmeravanjem. Efekat je nepozeljan pri analizi stanja na povrsini, ali moze da bude koristan u nekim tehnickim resenjima (solarna i fisiona energetika). Najzad, otpustanje materijala upadnim snopom pruza znacajne mogucnosti za promene mikrostrukturnih i mikromehanickih karakteristika povrsine. Uspesna primena zavisi od vrste i karakteristika snopa, kao i od vrste i karakteristika podloge. Modifikacija osobina materijala pomocu snopa nastaje kao posledica promena u sudarnoj kaskadi cestica snopa sa kristalnom resetkom. U zoni interakcije dolazi do neuredenosti i amorfizacije kristalne resetke cije su posledice radijaciono olaksana difuzija, preraspodela komponenata i formiranje novih faza. Najcesce korisceni postupci za modifikaciju materijala jonskim snopom su: jonska implantacija i jonsko mesanje (mixing). Implantacija je jedinstvena metoda za izmenu podpovrsinskog sastava i mikrostrukture bombardovanog materijala. U pocetku je koriscena za dopiranje poluprovodnika (Si, B i As) a kasnije je nasla primenu u poboljsanju osobina materijala na povrsini (zastita od korozije i poboljsanje mehanickih osobina). Jonsko mesanje omogucava preraspodelu komponenata u kristalnoj resetki na niskoj temperaturi. Pogodnim izborom parametara snopa i stanjem mete postupak omogucava da se dobiju nove

mikrostrukturne kombina koje ne mogu da nastanu

Sve metode za oplen dene prednosti ali i nedos je osnovna pretpostavka z

1.4. FIZICKO-HEMI, FORMIRANJE T

Osnovni fizicko-herr ponovanja tankih slojeva termodinamickog i atomis nacijom oba. Termodinan materijala i njegovom poi terijal podvrgnut. On om (brzine isparavanja, medi skog sastava) u toku nap; kineticke teorije gasova i vu ponasanja pojedinih ce

Termodinamicka ana koje je definisano makrosl turom, zapreminom i ma termodinamicke ravnotezt vano i njegova para) pri uslovima je samo funkcij stanja u paru potrebno je d Principu termodinamike, c nje entropije sistema. Enei faznu transformaciju ima (

A<

Pri tome su: AG - prom promena entalpije i AS - p

Procesi na povrsinama

mikrostrukturne kombinacije, nove stabilne faze i izazovu promene koje ne mogu da nastanu drugim postupcima. Sve metode za oplemenjavanje povrsine materijala imaju odredene prednosti all i nedostatke. Prethodna analiza zeljenog rezultata je osnovna pretpostavka za obavljanje izmena u zeljenom pravcu.

1.4. FIZICKO-HEMIJSKI PROCESI KOJI ODREDUJU FORMIRANJE TANKIH SLOJEVA I PREVLAKA Osnovni fizicko-hemijski procesi koji odreduju mogucnost deponovanja tankih slojeva i prevlaka mogu da se definisu na osnovu termodinamickog i atomistickog prilaza. Najcesce se to cini kombinacijom oba. Termodinamicki prilaz je zasnovan na analizi osobina materijala i njegovom ponasanju pri promeni uslova kojimajematerijal podvrgnut. On omogucava kvantitativno opisivanje procesa (brzine isparavanja, medusobnu interakciju kao i promenu hernijskog sastava) u toku naparavanja. Atomisticki prilaz je izveden iz kineticke teorije gasova i omogucava prikazivanje procesa na osnovu ponasanja pojedinih cestica - atoma ili molekula. Termodinamicka analiza obuhvata stanje ispitivanog sistema kojeje defmisano makroskopskim funkcijama-pritiskom, temperaturom, zapreminom i masom /I I/. Od posebnog znacaja je stanje termodinamicke ravnoteze u kome egzistiraju dva stanja (kondezovano i njegova para) pri istim uslovima. Pritisak pare pri ovim uslovima je samo funkcija temperature. Za prelaz kondenzovanog stanja u paru potrebno je dovesti novu termicku energiju. Saglasno II Principu termodinamike, deo dovedene energije utrosi se na povecanje entropije sistema. Energetski bilans za najeflkasniju reverzibilnu faznu transformaciju ima oblik: AG = AH-TAS

(1.2)

Pri tome su: AG - promena Gibbs-ove slobodne energije, AH promena entalpije i AS - promena entropije sistema na temperaruri T.

Fizika i tehnika tankih slojeva

Za primenu je potrebno da se vrednosti termodinamickih funkcija izraze pomocu makroskopskih promenljivih (pritiska p i zapremine V) koje mogu da se izmere. U zatvorenom sistemu u ravnotezi za infmitezimalne promene odgovarajucim zamenama dobija se: dG = -S, 5T

za p = const.

= V,

za T = const.

dp

(1.3)

Saglasno jednacinama (1.2) i (1.3) izvod za promenu slobodne energije dobija oblik: dG = -SdT + Vdp

(1.4)

Atomisticki model procesa isparavanja zasnovan je na kinetickoj teoriji gasova, po kojoj se gas sastoji od velikog broja cestica iste mase i velicine, koje se nalaze u stanju neprekidnog kretanja /12/. Atomi/molekuli gasa krecu se pravolinijski i pri tome se sudaraju medusobno i sa zidovima suda. Sudari su elasticni, dakle bez gubitka kineticke energije. Teorijski je pokazano da pritisak p koji molekuli vrse na zidove suda moze da se predstavi sa:

gde su: N - broj molekula u zapremini V na temperaturi T, R - gasna konstanta, NA - Avogadrov broj (broj molekula u gram molu, konstantne vrednosti) i k - Bolcmanova konstanta. Na osnovu izraza (1.5) moze da se izracuna broj molekula u cm3 na razlicitom pritisku i razlicitoj temperaturi. Za potrebe deponovanja u vakuumu ova vrednost (Lodschmidt-ov broj) ima poseban znacaj posto defmise i cistocu podloge — = 9,650 V

•— T

M-N;

ra po cm2 (A^ koja se pc dolaska na podlogu) odr sak u radnoj zapremini, na povrsinu definisana jt dN AQ-dt

= 3,5

U toku interakcije s sini. Za deponovanje tan vanog gasa i necistoca n; i broj sudara molekula g< vrsini, a zatim i uslove n

Mada se molekuli g nom, oni ne prelaze velil izmedu dva uzastopna su kula oznacen sa X.

(1.5)

V

V N

Srednja brzina j V V /2 3p >100ki

u cm

(1.6)

Ujednacini (1.8) dp pokazuju da su krace duz

Fizicko-hemijski pr nja tankih slojeva/prevlal' cija pare, nukleacija na p(

1.4.1. Prevodenje mai — isparavanje i

Prva sistematska ispi (1882) u eksperimentima pritisku.

Procesi na povrsinama

Srednja brzina pojedinacnih cestica je veoma velika ( 3p

v

> 1 00 km / min , na sobnoj temperaturi), a broj sudaM-N ra po cm2 (Aw koja se posmatra) povrsine u jedinici vremena (brzina dolaska na podlogu) odreduje uslove deponovanja. Za odreden pritisak u radnoj zapremini, brzina dolaska atoma molame mase M (gr) napovrsinu definisanaje sa: dN -1/2 = 3,513-1022(MT) -p A~dt

u cm 2s

1

(1.7)

U toku interakcije samo deo molekula ostaje sorbovan na povrsini. Za deponovanje tankih slojeva, formiranje monosloja adsorbovanog gasa i necistoca na povrsini je znacajan parametar isto koliko i broj sudara molekula gasa sa povrsinom. On odreduje stanje na povrsini, a zatim i uslove nukleacije i rasta depozita. Mada se molekuli gasa u radnoj zapremini krecu velikom brzinom, oni ne prelaze velika rastojanja. Srednje rastojanje koje predu izmedu dva uzastopna sudara, predstavlja srednji slobodni put molekula oznacen sa X. (1-5)

kT p - d 2 -7i-v2

(1.8)

U jednacini (1.8) d predstavlja precnik atoma/molekula. Analize pokazuju da su krace duzine slobodnog puta cesce od velikih duzina. Fizicko-hemijski procesi koji odreduju mogucnost deponovanja tankih slojeva/prevlaka su: isparavanje/rasprasivanje, kondenzacija pare, nukleacija na podlozi a zatim formiranje i rast sloja /13/.

1.4.1. Prevodenje materijala u parnu fazu - isparavanje i rasprasivanje (1.6)

Prva sistematska ispitivanja brzine isparavanja izvrsio je Hertz (1882) u eksperimentima destilovanja metalne zive (Hg) na niskom pritisku.

Fizika i tehnika tankih slojeva

Eksperimentalne vrednosti koje je dobio Hertz - po kojima je brzina isparavanja proporcionalna razlici ravoteznog pritiska Hg na ispitivanoj temperaturi (T) i hidrostatickog pritiska na povrsinu materijala koji isparava (p0) - bile su za red velicine manje od vrednosti koje su dobijene na osnovu teorijskih predvidanja. Na osnovu merenja brzine isparavanja pri razlicitim uslovima Knudsen je (1915) zakljucio, da ova razlika potice usled kontaminacije povrsine sa koje materijal isparava. Korigovao je Hertz-ovu jednacinu koeficijentom isparavanja av i dobio opsti izraz za brzinu isparavanja, poznat kao Hertz-Knudsen-ova j ednacina: dN, = a v (2rrmkT)" ~(p 0 -p), cm'Y A ; dt

(1.9)

gde su: dNj - broj cestica isparenih sa povrsine A; za vreme dt na temperaturi T(K), m - masa atoma, k - Boltzmanova konstanta i av odnos brzine isparavanja u vakuumu i teorijski izracunate, maksimalne brzine isparavanja. Maksimalna brzina isparavanja moze da se postigne za av = 1 i p = 0, dakle za ciste povrsine i niske pritiske u izvoru. Langmuir (1913), Kossel (1927) i Stranski (1928) su kasnije pokazali, da se jednacina moze primeniti i za isparavanje sa slobodne povrsine na kojoj vezivna energija atoma nije jednaka na svim mestima na povrsini (polikristalna povrsina). Pri tome isparavanje nije izotropno, vec emisija materijala sledi kosinusnu zavisnost. U pravcu normalnom na povrsinu (a—»o, cosa—»max) isparavanje je najintenzivnije. Za potrebe eksperimentalnog rada najcesce se za brzinu isparavanja (broj cestica Ne) koristi izraz: Ne = 3,513xl0 2 2 p e (l/MT)' / 2 , molekula/cm 2 s

(1.10)

gde su: pe - ravnotezni pritisak pare, M - molekulska tezina materijala i T - temperatura isparavanja. Prethodna analiza brzine isparavanja ne vazi za materijale koji brzo oksidisu na povrsini, za jedinjenja podlozna disocijaciji, kao i za jednokomponentne sisteme koji se prevode u parno stanje pomocu energetskog snopa. U slucaju koriscenja energetskog jonskog snopa za prevodenje materijala u parno stanje (rasprasivajem) karak10

teristicna vrednost je ko atoma/na jedan upadni jo

Tri osnovne karaktei vanje je kolizioni efekat energiji deponovanoj u f raste sa porastom upadno na normalu) /15/. Brzin; upadnog ugla (cp) snopa, (ni! - masa upadnog jo maksimalna energija pre data izrazom:

F ^ max ~-4F

Atomi materijala k( vezivne energije atoma u dobiju vecu energiju od \ znatno veca (< 10'1 E0) (3/2 kT).

1.4.2. Kondenzacija i

Drugi znacajan proc cvrsto stanje - kondenza povrsinu, gube komponei va kineticka energija nije nacin fizicki adsorbovan vrsini samo usled ostatk usled termicke aktivacije na povrsini atom moze: nagradi stabilno jezgro (r kcijom sa povrsinom, ili ( Verovatnoca kondenzacij

Procesi na povrsinama

teristicna vrednost je koeficijent rasprasivanja S (broj rasprasenih atoma/na jedan upadni jon) /14/. Tri osnovne karakteristike procesa rasprasivanja su: 1) rasprasivanje je kolizioni efekat, 2) prinos rasprasivanja je proporcionalan energiji deponovanoj u povrsinskom sloju i 3) brzina rasprasivanja raste sa porastom upadnog ugla jonskog snopa (do oko 70° u odnosu na normalu) /15/. Brzina rasprasivanja je funkcija energije (E0) i upadnog ugla (cp) snopa, kao i odnosa masa cestica koje interaguju (ni! - masa upadnog jona, m2 - masa atoma mete). Pri tome je maksimalna energija predata u sudaru (Emax) za ugao rasejanja 0, data izrazom: m.x

m, -m 2 , 0 - - (m,+m2)

(1.11)

Atomi materijala koji u toku sudara prime vecu energiju od vezivne energije atoma u resetki (25-50 eV) i atomi na povrsini koji dobiju vecu energiju od vezivne energije na povrsini (= 5 eV) mogu da ,,ispare" (raspraseni atomi). Pri tome je njihova kineticka energija znatno veca (< 10"1 E0) od energije cestica dobijenih isparavanjem (3/2 kT).

1.4.2. Kondenzacija isparenog materijala Drugi znacajan proces za formiranje sloja je prelaz iz pare u cvrsto stanje - kondenzacija pare na podlozi. Cestice koje udare u povrsinu, gube komponentu brzine normalnu na povrsinu ako njihova kineticka energija nije velika 1161. Atomi/molekuli pare su na taj nacin fizicki adsorbovani (tzv. adatomi) mogu da se krecu po povrsini samo usled ostatka kineticke energije paralelno povrsini, ili usled termicke aktivacije izazvane sa povrsine. U toku akomodacije na povrsini atom moze: da se sudari sa drugim adatomima i da nagradi stabilno jezgro (nukleus), da bude hemijski adsorbovan reakcijom sa povrsinom, ili da se desorbuje (ponovo ispari sa povrsine). Verovatnoca kondenzacije na povrsini definisana je odnosom broja ;i

Fizika i tehnika tankih slojeva

adsorbovanih atoma i ukupnog broja atoma koji dodu na povrsinu Illl. Koeficijent termicke akomodacije defmisan je sa: F

J-

Tl\r-T T ' v -T 'p

(1.12)

pri cemu su E i T vrednosti energije i temperature koje odgovaraju snopu pare (v), snopu reisparenog materijala (r) i podloge (p). U nekim radovima je pokazano da za iste atomske mase, upadni atom-atom kristalne resetke, jedinicni koeficijent kondenzacije moze da se dobije za kineticke energije upadne cestice do 25 Qdes. Kako je vrednost energije desorpcije Qdes za paru metala na metalnoj podlozi od 1 do 4 eV, to je ekvivalentna temperatura oko 106 K i atomi ce biti fizicki adsorbovani. U odsustvu nukleacije, pokrivenost podloge adsorbovanim atomima pare ns je funkcija brzine deponovanja vd koja je data izrazom n = —-exp - — , pri cemu je ucestanost u V kT )

U odnosu na nacin n i velicinu interakcije sa p denzacije depozita/18/: V jeva), Volmer-Weber-ov Stranski-Krastan-ov (korr vk (proizvod koeficijenta dakle vk = kO = (p2 - PI)/] mase kondenzovanog mat sloja (prvi mehanizam), bi povrsine (drugi mehanizar vanih u jedinici vremena , Ejsp > Edes Edif 0.45 T^ 0.26-0.45 T^ >0.45T' m

SI. 5.2. Strukturne oblasti u tankom sloju/prevlaci formirane naparavanjem materijala u visokom vakuumu (model Movchan i Demichishin).

Modelom nisu mogli da budu objasnjeni: prelazna zona dobijena pri deponovanju visefaznih legura i vatrostalnih materijala, kao i promene strukturnih osobina u fiinkciji parcijalnog pritiska. Drugi model defmisan na osnovu strukturnih karakteristika materijala deponovanograsprasivanjem obuhvatioje i prelaznu zonu 161. Modelom je definisano da u ovoj oblasti depozit obrazuje vlaknastu strukturu bez posebno izrazene kristalicnosti. Optimalno sredivanje strukture postize se pri Tp/Tk=l/3, pri cemu je Tk temperatura kljucanja materijala 111. Promene strukturnih karakteristika tankih slojeva najcesce se ispituju mikroskopskim metodama - optickim mikroskopom (OM), 72

Pritisak Argona (mTorr)

Strukturne oblasti u kontinu nog pritiska gasa u komori (

Informacije o kris stalicnosti i relativnoj osnovu refleksione elek skom mikroskopu. Dif vece od 5 nm daje vidlj da za ispitivane deblj

Strukturne osobine tankih slojeva

transmisionim elektronskim mikroskopom (TEM), skanirajucim elektronskim mikroskopom (SEM) i skanirajucim tuneling mikroskopom (STM). Uzorak za ispitivanje (OM i TEM) mora da je transparentne debljine kako bi na ekranu mogla da se formira jasna slika strukture. Transparentna debljina sloja je od nekoliko nanometara (za opticki mikroskop) do oko 100 nm (za elektrone energije 100 keV u elektronskom mikroskopu). Transparentne metode omogucavaju dobru rezoluciju za ispitivane strukture i analizu promena zrnovitosti za razlicite uslove deponovanja. Stubiiasti tnstali Prelazna stnikturagusio pakovana vlaknasta zra Rekristalizovana struktura Sitnozma porozna strukturavlaknasti krislaliti

Pritisak Argona (mTorr)

SI. 5.3.

Strukturne oblasti u kontinualnom sloj/prevlaci u funkciji odnosa Tp/Tm i parcijalnog pritiska gasa u komori (Thornton-ov model)

Informacije o kristalografskoj strukturi depozita, njegovoj kristalicnosti i relativnoj orijentaciji kristala, mogu da se dobiju na osnovu refleksione elektronske difrakcije u transmisionom elektronskom mikroskopu. Difraktovani snop elektrona sa uzorka debljine vece od 5 nm daje vidljive difrakcione prstenove. Rezultati pokazuju da za ispitivane debljine difrakcioni prstenovi odgovaraju kvazi-

73

Fizika i tehnika tankih slojeva

amorfnoj i fmoj sitnozrnoj strukturi. Elektronska difrakcija sa obe strukture daje diftizne difrakcione prstenove prikazane na slici 5.4.

velicina kristalita oko 2 ka poticu od vece ene podlogu i usled toga ve< ceg broja isparenih ator kineticka energijaraspn pakovanja i do 50 eV /9 njem dve metode, poka;

SI. 5.4. Difrakcioni prstenovi: a) kvazi amorfne i b) fmo kristalne strukture, pre i posle odgrevanja.

Razlika izmedu kvaziamorfhe i fine sitnozrne strukture moze da se zapazi pri odgrevanju. Tanak sloj kvaziamorfne strukture brzo i potpuno rekristalise na temperaturi rekristalizacije. Fina sitnozrna struktura pri odgrevanju pokazuje kontinualan rast kristala.

5.3. UTICAJ USLOVA DEPONOVANJA NA KRISTALICNOST TANKIH SLOJEVA Kristalicnost deponovanog sloja se menja sa promenom uslova deponovanja. Vecu kristalicnost omogucava svaki proces koji dovodi do vece pokretljivosti deponovanih atoma ili njihovih nakupina. Izbor metode pri tome moze da ima veliki znacaj. Na slici 5.5 prikazane su mikrosrukturne karakteristike tankih slojeva Au deponovanih naparavanjem i rasprasivanjem. U oba slucaja tanki slojevi su kontinualni, odlikuju se finom sitnozrnom strukturom, dok su difrakcioni prstenovi difuzni /8/. Sloj deponovan rasprasivanjem ima vecu zrnovitost i ostrije difrakcione prstenove. Srednja velicina kristalita naparenog sloja je oko 10 nm dok je za rasprasen sloj srednja 74

Mikrostrukturne karakteristik ri: a) naparavanjem i b) raspr

Pored energije sa ki od izbora metode depor ulogu za formiranje kris deponovanja, debljina d< micki tretman. Uz to, u: podloge (kristalicnost, hi no da doprinesu razlicitc licitih uslova deponova sloj eve prikazan je na sli

Strukturne osobine tankih slojeva

velicina kristalita oko 20 nm. Razlike mikrostrukturnih karakteristika poticu od vece energije sa kojom raspraseni atomi dolaze na podlogu i usled toga vece pokretljivosti po povrsini. Energija najveceg broja isparenih atoma Au na 1800 K je oko 0,2 eV /3/. Srednja kineticka energija rasprasenih atoma je oko 5eV, a u pravcima gustog pakovanja i do 50 eV /9/. Depozit istog materijala formiran koriscenjem dve metode, pokazuje razliciru kristalicnost.

SI. 5.5. Mikrostrukturne karakteristike tankih slojeva Au deponovnih na sobnoj temperaturi: a) naparavanjem i b) raspraSivanjem.

Pored energije sa kojom atomi dolaze na podlogu - koja zavisi od izbora metode deponovanja - i pritiska gasa u komori, najvecu ulogu za formiranje kristalnih zrna odredene velicine imaju: brzina deponovanja, debljina depozita, temperatura podloge i naknadni termicki tretman. Uz to, uslovi u vakuumskoj komori i karakteristike podloge (kristalicnost, hemijska postojanost i hrapavost) mogu znatno da doprinesu razlicitoj kristalicnosti depozita /2, 10/. Uticaj razlicitih uslova deponovanja na velicinu kristala za metalne tanke slojeve prikazan je na slici 5.6 (a-d). 75

Fizika i tehnika tankih slojeva

Visoka Tp

Visoka Ts

Niska Ts

Brzfna deponovanja

Debljina depozita

Prevlaka

upadnog ugla snopa isp znacno potvrdili. Pogodnim izbororn loge mogu da se nagrac u cvorovima resetke. N sku orijentaciju. Depoz cm sa maiim uglom izrr ziva se epitaksijalni rast taksijalni tanak sloj (me

Tanak sloj

Temperatura podloge

l''

Temperatura odgrevanja

SI. 5.6. Promena velicine kristala deponovanog materijala u funkciji: a) brzine deponovanja, b) debljine depozita, c) temperature podloge i d) naknadnog termickog tretma-

na.

Kristalicnost depozita raste sa porastom brzine deponovanja samo do odredene vrednosti. Pri velikim brzinama deponovanja difuzija atoma na podlozi moze da bude zaustavljena novo pridoslim atomima, uprkos postojanjem uslova za veliku pokretljivost (5.6a). Uticaj debljine deponovanog sloj a na velicinu kristalita je nedvosmislen. Velicina zrna raste sa porastom debljine tankog sloja (5.6b). Saturacione vrednosti na krivoj pokazuju da se proces posle odredene kristalicnosti nastavlja formiranjem novih zrna. Razlog je, nemogucnost za koherentan rast ili formiranje zrna idealanog kristala, cija je gornja povrsina ravan gustog pakovanja. Veca temperatura podloge (5.6c) i naknadni termicki tretman (5.6d) povecavaju pokre* tljivost deponovanih atoma po povrsini, pa se veca kristalicnost u torn slucaju mogla i da ocekuje. Isti efekat je ocekivan i za promenu 76

Mikrostrukturne osobine tan! pri razlicitim temperaturama 550 K i c) podloga na 750 K

Uticaj temperature kazan je na slici 5.7. Tai homogene strukture. Dii njihovu sitnozrnost. Sre rastom temperature pod kristaliti razlicite velicin pojedinim mestima poja cioni prstenovi su ostri. da je najveci broj kristali

Strukturne osobine tankih slojeva

upadnog ugla snopa isparenih atoma, all eksperimenti to nisu jednoznacno potvrdili. Pogodnim izborom parametara deponovanja i temperature podloge mogu da se nagrade meduatomske vezefcoje zadrzavaju atome u cvorovima resetke. Nagradeni kristaliti imaju blisku kristalografsku orijentaciju. Depozit cine blokovi kristalita dimenzija oko 10~4 cm sa maiim uglom izmedu zrna. Ovako usmeren rast depozita naziva se epitaksijalni rast, pri cemu deponovani materijal formira epitaksijalni tanak sloj (monokristalni, nije sasvim korektno) II II.

SI. 5.7. Mikrostrukturne osobine tankih slojeva Au deponovanih na monokristalima NaCl pri razlicitim temperaturama podloge: a) sobna temperatura podloge, b) podloga na 550 K i c ) podloga na 750 K.

Uticaj temperature podloge na strukturne osobine depozita prikazan je na slici 5.7. Tanak sloj deponovan na sobnoj temperaturi je homogene strukture. Difrakcioni prstenovi su difuzni sto ukazuje na njihovu simozrnost. Srednja velicina kristalita je oko 16 nm. Sa porastom temperature podloge zrna rastu i na oko 550 K formiraju se kristaliti razlicite velicine. Srednja velicina zrna je oko 100 nm, a na pojedinim mestima pojavljuju se zrna velicine i do 300 nm. Difrakcioni prstenovi su ostri. Najintenzivniji je prsten (220), sto pokazuje daje najveci broj kristalita orijentacije [(111) paralemo sa povrsinom 77

Fizika i tehnika tankih slojeva

podloge (111) Au//(100)NaCl]. Na temperaturi od 750 K odvija se epitaksijalni rast deponovanog Au sa dosta gresaka pakovanja. Epitaksijalna temperatura za Au je 650 K /12/. Difrakcionu sliku cine izdvojene tacke ciji raspored pokazuje da je orijentacija tankog sioja (100)Au//(100)NaCl.

5.4. DEFEKTI U TANKOM SLOJU Formiranje defekata u tankom sloju pocinje u fazi medusobnog spajanja ostrvske strukture. Spajanjem ostrva, inicira se formiranje granica zrna. Daljim rastom sioja i rekristalizacijom depozita koncentracija defekata raste. U kontinualnom sloju mogu da nastanu i defekti koji su karakteristicni za cvrsto telo /13/. Ipak, najcesci defekti u kontinualnom tankom sloju su: defekti na atomskoj skali i linijski defekti. To su: granice zrna, dislokacije, greske pakovanja, hrapavost povrsine, a posebno nakupine defekata i stranih atoma. a) Granice zrna pretstavljaju prostor izmedu individualnih zrna. Kako je deponovani materijal sitnozrn, to je koncentracija ovih defekata velika. Za priblizno uniformnu zrnovitost, velicina zrna na povrsini polikristalnog materijala izrazava se preko srednje vrednosti - broja zrna na izabranoj povrsini ili brojem zrna na izabranoj duzini.

SI. 5.8. Odredivanje zrnovitosti i koncentracija nakupina u deponovanom sloju: a) broj zrna na odredenoj duzini, b) broj zrna na odredenoj povrsini i c) broj defekata u odredenoj zoni.

78

Na slican nacin s stranih atoma u polikr mreznog odredivanja. nakupina druge faze. I doneti predhodne zakl nakupine sfernog obll reakcije depozita sa r< (hidridi, nitridi i oksi( fazi nukleacije i rasta 1

b) Dislokacije su promene konfiguracij uslove deponovanja fi nualnom sloju je 1010 duzine, a stoje pod raz

Mehanizam nasta Mogu da nastanu: ka< posledica razlicitih fak usa i usled formiranja; sloj/podloga.

Formiranje dislok desenosti kristalografs podloge. Pri spajanju i nja koja smanjuju mog vecih ostrva mogucno: malna, pa koncentracij formirane u toku rasta naprezanja koje izaziv: ravnima; mehanizam ; kristala. Najzad, nakuf jan uzrok za formiranj slucaju je isti kao i u k nizam je posebno izra? na niskoj temperaturi.

Strukturne osobine tankih slojeva

Na slican nacin se odreduje koncentracija nakupina defekata i stranih atoma u polikristalnom uzorku. Za analizu se koristi metoda mreznog odredivanja. U cetiri (ili devet kvadrata) odreduje se broj nakupina druge faze. Na osnovu analize oblika nakupina, moguce je doneti predhodne zakljucke o njihovom hemijskom sastavu. Ako su nakupine sfernog oblika njihovo nastajanje police iz gasovite faze i reakcije depozita sa rezidualnim gasom, u sistemu za deponovanje (hidridi, nitridi i oksidi). Ukljucci nastali od primesa i necistoca u fazi nukleacije i rasta tankog sloja su poligonalnog oblika. b) Dislokacije su najcesci defekti u tankom sloju. Cine ih linije promene konfiguracije atoma u kristalnoj resetki. Za standardne uslove deponovanja fizickim metodama gustina dislokacija u kontinualnom sloju je 1010-10H linija/cm2. Dislokacione linije su male duzine, a stoje pod razlicitim uglom u odnosu na povrsinu. Mehanizam nastajanja dislokacija u tankom sloju je razlicit /14/. Mogu da nastanu: kao nastavak dislokacija iz podloge, zatim kao posledica razlicitih faktora akomodacije depozita u toku rasta nukleusa i usled formiranja nakupina defekata na granicnoj povrsini tanak sloj/podloga. Formiranje dislokacija na grani&ioj povrsini je posledica nepodesenosti kristalografskih ravni deponovanog materijala i materijala podloge. Pri spajanju manjih ostrvaca moguce su rotacije i pomeranja koja smanjuju mogucnost formiranja dislokacija. U toku spajanja vecih ostrva mogucnost podesavanja kristalografskih ravni je minimalna, pa koncentracija dislokacija u torn slucaju raste. Dislokacije formirane u toku rasta kristala su posledica elasticno kompresionog naprezanja koje izaziva pomeranje medu susednim kristalografskim ravnima; mehanizam nastajanja je veoma izrazen pri brzom rastu kristala. Najzad, nakupine defekata i primesa mogu da budu znacajan uzrok za formiranje dislokacija. Mehanizam formiranja u ovom slucaju je isti kao i u komadnom materijalu. Za tanke slojeve mehanizam je posebno izrazen u slucaju deponovanja velikim brzinama i na niskoj temperaturi. 79

Fizika i tehnika tankih slojeva

c) Greske pakovanja cine defekti koji se formiraju u toku rasta tankog sloja. Najcesce greske pakovanja pri deponovanju su: dvojnici i formiranje nakupina defekata. Dvojnici su defekti koji nastaju u toku spajanja ostrvaca i kristalita iste orijentacije. Pri dvojnikovanju ravan kristala je pomerena u odnosu na susednu ravan samo za deo meduatomskog rastojanja (razlika od dislokacija). Sirina zone dvojnikovanja zavisi od velicine kristalita i moze da je od nekoliko meduatomskih rastojanja do mikrona. Koncentracija dvojnika je nekoliko redova velicine manja od koncentracije dislokacija. Nakupine defekata nastaju pri deponovanju velikom brzinom na niskoj temperaturi. Formiranje nakupine je posledica male pokretljivosti deponovanog materijala na povrsini podloge. d) Hrapavost povrsine je posledica statisticke raspodele depozita, razlicite brzine kristalizacije razlicitih ravni kristala i difuzionih procesa na povrsini. Povrsina depozita nije idealno ravna. Hrapavost raste sa porastom debljine depozita. Srednje odstupanje debljine Ad, raste sa porastom debljine sloja (Ad=d1/2) i temperature podloge.

5.5. STRUKTURNA KARAKTERIZACIJA TANKIH SLOJEVA Ispitivanje kvaliteta tankih slojeva predstavlja novu oblast karakterizacije materijala. Metode za ispitivanje mogu da se svrstaju u nekoliko grupa: vizuelna inspekcija, nedestruktivna analiza i destruktivne metode analize. Sve navedene metode imaju ogranicene mogucnosti primene: vizuelna inspekcija je ogranicena rezolucijom covecijeg oka; nedestruktivne metode omogucavaju samo procenu stanja materijala i ukazuju na dalje mogucnosti za analizu; kvantitativan rezultat daju destruktivne metode analize, pri cemu je njihov nedostatak da se ispitivani uzorak ne moze dalje da koristi u funkcionalne svrhe /15/. 80

Metode i tehnike: su kao rezultat ispitiva nacin je razvijen najv tickih sistema. Pri tonn dok elektron identifiku cm, mase u mini 9-10" juci njegovu elektrom; rakterizacijom materiji metoda i tehnika imali kterizaciju je visoka, a

5.5.1. Razvoj metod

1. — Svetlosno op metoda za karakterizac licavajuceg stakla", lu] dobije uvecani lik pred (f), i njegovo uvecanji Posto je lik predmeta poboljsa. To je radeno ka u vise stupnjeva. Ta transformise predmet tem ,,objektivno" i ,,pi (U-u,-u2-L1/f1-L2/f2). juce, pomocu optickoj uvecanje: promenom snja izmedu sociva (pov odredene vrednosti uv (usled talasne prirode s skop radi na ,,praznom

Osnovne karakter mikroskopa su: uvecan

a) Uvecanje soch matranog predmeta (u= socivu. Da bi se dobila da formira sliku predmi

Stnikturne osobine tankih slojeva

Metode i tehnike za strukturnu karakterizaciju materijala nastale su kao rezultat ispitivanja prostiranja elektromagnetnih talasa. Na taj nacin je razvijen najveci broj svetlosno optickih i elektronsko optickih sistema. Pri tome svetlost shvatamo kao elektromagnetni talas, dok elektron identifikujemo kao subatomsku cesticu - precnika 10"12 cm, mase u miru 9-10~31kg i naelektrisanja 1,6-10"19C - zaboravljajuci njegovu elektromagnetnu prirodu. Pored realnih potreba za karakterizacijom materijala u nauci i tehnici, veliki doprinos u razvoju metoda i tehnika imali su proizvodaci opreme. Cena uredaja za karakterizaciju je visoka, a time je i profit proizvodaca veliki.

5.5.1. Razvoj metoda i tehnika za analizu 1. - Svetlosno opticki sistemi. Prvi znacajan korak u razvoju metoda za karakterizaciju materijala naCinjen je pronalaskom ,,uvelicavajuceg stakla", lupe krajem 16. veka. Sistem je omogucio da se dobije uvecani lik predmeta kao i da se definisu: zizna daljina sociva (f), i njegovo uvecanje (odnos visine lika i predmeta, u=H/h=L/l). Posto je lik predmeta bio deformisan cinjeni su pokusaji da se on poboljsa. To je radeno kombinacijama sociva i transformacijama lika u vise stupnjeva. Tako je pocetkom 18. veka Z. Jansen uspeo da transformise predmet u uvecanu sliku i da za svoj dvostepeni sistem ,,objektivno" i ,,projektivno" socivo odredi ukupno povecanje (U=u1-u2::;:L1/fi-L2/f2). Ukoliko su osnovne komponente odgovarajuce, pomocu optickog mikroskopa moze da se ostvari bilo koje uvecanje: promenom sociva (smanjivanjem f) ili promenom rastojanja izmedu sociva (povecavanjem L i duzine tubusa). Pri tome posle odredene vrednosti uvecanja, detalji ne mogu dalje da se razdvoje (usled talasne prirode svetlosti, difrakcije na malom otvoru) i mikroskop radi na ,,praznom uvecanju" /16/. Osnovne karakteristike koje treba da zadovolji sistem sociva mikroskopa su: uvecanje, rezolucija, apertura i dubinska ostrina. a) Uvecanje sociva definise odnos velicine lika i velicine posmatranog predmeta (u=l/P). Vrednost uvecanja je uvek oznacena na socivu. Da bi se dobila dobra slika predmeta, objektivno socivo mora da formira sliku predmeta u ravni slike okulara. Radi toga, rastojanje 81

Fizika i tehnika tankih slojeva

izmedu objektiva i okulara treba da je dobro podeseno. Kod standardnih metalografskih mikroskopa ovo rastojanje iznosi 160 mm. b) Rezolucija mikroskopa predstavlja najmanje rastojanje izmedu dve tacke koje omogucava da se one vide kao posebni entiteti. Granica razdvajanja (Abbe formula) je definisana sa: A,/n-sincc

(5.1)

matske aberacije zavi; (plava svetlost se vise} zizne daljine sociva (d od periferije sociva); as ze za vertikalno i horizc moze da nastane zbog kombinacijama sociva.

pri cemu su: X - talasna duzina svetlosti, n - indeks prelamanja sredine i a - polovina ugla otvora aperture. Kako covecije oko moze da razlikuje detalje dimenzije oko 0,2 mm, to se pomocu optickog mikroskopa mogu na uvecanju od 1000 da uoce detalji cije su dimenzije 2 jam. Da bi se dobila najveca rezolucija (d t ) potrebno je smanjiti A, ili povecati n i a. c) Apertura sociva je definisana uglom svetlosnog konusa koje prima objektivno socivo. Numeridka vrednost aperture data je izrazom: Ap= n-sina

(5.2)

d) Dubinska ostrina predstavlja rastojanje iznad i ispod fokalne ravni za koje ne moze da se zapazi razlika u ostrini slike. Pretvaranje predmeta u sliku odgovarajuceg kvaliteta postize se samo ako se detalji na povrsini nalaze u odgovarajucoj ravni. Za odredeno uvecanje dubinska ostrina moze da se predstavi izrazom: AP =

n-sin 2 a

i 7u-sina

(5.3)

Na malom uvecanju (manjem od 100) moze da se ispituje visinska razlika do 100 (j.m, dok je na velikom uvecanju dubinska ostrina reda Osnovni delovi mikroskopa prikazani na slici 5.9 su: izvor svetlosti, kondenzorsko socivo, objektivno socivo, polupropusno srebrno ogledalo i okularno socivo. Kvalitet posmatrane slike zavisi najvise od kvaliteta sociva, posebno objektivnog. Sva sociva pokazuju izvesna odstupanja (aberacije) koje se mogu klasifikovati u tri grupe: sferna i hromatska aberacija, astigmatizam i distorzija. Hro82

Poluprupusm ogledulo

2

Osnovni element! o slike u svetlom polj

Metode koje se ko obuhvataju ispitivanja u noj svetlosti i u faznom risti se bela svetlost. Me nagrizenih povrsina. Za periferijski deo svetlosn ra upucuje na uzorak. > Ispitivanje u polarizov ravnih povrsina (monok ispitivanje zasnovano je

Strukturne osobine tankih slojeva

matske aberacije zavise od indeksa prelamanja svetlosnog snopa (plava svetlost se vise prelama od crvene); sferna aberacija zavisi od zizne daljine sociva (deo sociva blizu centralne ose manje prelama od periferije sodiva); astigmatizam nastaje kao posledica razlicite zize za vertikalno i horizontalno prelomljene zrake, dok distorzija slike moze da nastane zbog razlicitih uzroka. Odstupanja se otklanjaju kombinacijama sociva.

Kondeniorsko sotivo

Objefctivno sotivo

SI. 5.9. Osnovni element! optickog mikroskopa i mehanizam formiranja slike u svetlom polju.

Metode koje se koriste pri ispitivanju optickim mikroskopom obuhvataju ispitivanja u: svetlom polju, tamnom polju, polarizovanoj svetlosti i u faznom kontrastu. Za ispitivanja u svetlom polju koristi se bela svetlost. Metoda se primenjuje pri ispitivanju poliranih i nagrizenih povrsina. Za ispitivanje u tamnom polju koristi se samo periferijski deo svetlosnog snopa, koji se preko konkavnog reflektora upucuje na uzorak. Na taj nacin se postize bolji kontrast slike. Ispitivanje u polarizovanoj svetlosti koristi se za analizu veoma ravnih povrsina (monokristalnih i polikristalnih). Fazno kontrastno ispitivanje zasnovano je na faznom pomeranju svetlosti sa povrsine 83

Fizika i tehnika tankih slojeva

uzorka. Metoda se najcesce koristi za ispitivanje linijskih defekata i nakupina defekata. 2. - Elektronsko opticki sistemi. Razvoj elektronsko optickih sistema za karakterizaciju zapoceoje tri veka posle razvoja svetlosno optickih sistema 111/. Koriscenje elektronskog snopa za ispitivanje efekata interakcije vezano je za otkrice talasne prirode elektrona koje je ucinio L. de Broglie (1924). Talasna duzina elektrona i moment kolicine kretanja mogu da se povezu de Broglie-vom relacijom: h h 1,5 , , = , = — (nm) mv V2meV V V

(5.4)

U jedna&ni su: h - Plankova konstanta (h=6,6252-10'34 Js), a V napon za ubrzavanje elektrona. Za energije koje se koriste u elektronskom mikroskopu (iznad 100 keV) relativisticka masa elektrona (mv) je veoma prisutna. Na osnovu Einstein-ove jednacine eV = mvc2 - m0c2, odnosno mv = m0/(l-v2/c2)1/2, izraz za korekciju talasne duzine elektrona se delimicno menja. Konacno se dobija da je talasna duzina elektrona u modernim analitickim uredajima: (5.5)

Pri cemu je izraz u zagradi pod korenom relativist!cki korekcioni faktor. Njegova procentualna vrednost je do 2% za energije elektrona od 50 keV i oko 10% za energije elektrona od 200 keV. Drugi znacajan efekat koji su zapazili C. Davison i L. Germer (1927) bio je otkrice difrakcije. Najveci broj rasejanih elektrona u toku elasticnog sudara sa atomima cvrstog tela - koji imaju odredeni prostorni raspored - biva rasejan pod malim uglom 6, koji je za odredenu talasnu duzinu A, funkcija meduatomskog rastojanja d uredenog niza atoma (ravni kristala). Pri tome su uslovi za difrakciju dati Bragg-ovim zakonom: 2d sin 9 = 84

(5.6)

Difrakcione putanji prosao snop, intenzivira brojni umnozak talasnih sa ravni.

Najzad, saznanje 1 tickih sistema vezano j< gnetnom polju. Efekat j< kasnijeH. Busele(1927 u homogenom elektrost cnoj putanji (u funkciji magnetnom polju je njih nje r odreden je silom kc no polje.

He\

ste faze elektronsko opti godina uglavnom pozna karakterizaciju: - Tehnika prvog 1 (E.Ruska i M. Kn - Tehnika elektrons - Komercijalni elek - Skanirajuci elekt R. Suyder 1942), - Tehnika elektrons Komercijalna ele - Komercijalni sk CAMBRIDGE In Dalji razvoj metode uglavnom na razvoju vak struja. Brzi razvoj kome damdesetih godina. Proiz poboljsanje na postojece ba istaci da koriscenje sa potpunu informaciju o sU

Strukturne osobine tankih slojeva

Difrakcione putanje koje daju informacije o uzorku kroz koji je prosao snop, intenzivirane su na mestima gde je putna razlika celobrojni umnozak talasnih duzina. Pri tome n predstavlja red refleksije sa ravni. Najzad, saznanje koje je doprinelo razvoju elektronsko-optickih sistema vezano je za kretanje elektrona u elektricnom i magnetnom polju. Efekat je uocen 1920. godine, pa je nekoliko godina kasnije H. Busele (1927) konstruisao prvo magnetno socivo. Dok se u homogenom elektrostatickom polju elektroni krecu po parabolicnoj putanji (u funkciji brzine snopa i jacine elektri£nog polja) u magnetnom polju je njihova putanja helikoidalna. Poluprecnik putanje r odreden je silom koja je normalna na pravac kretanja i magnetno polje. HeV = mV2/r; r = mV/e

(5.7)

Fundamentalni fenomeni koji su omogucili analizu granica cvrste faze elektronsko optickim sistemima bill su pocetkom tridesetih godina uglavnom poznati. Na osnovu njih su razvijene tehnike za karakterizaciju: - Tehnika prvog transmisionog elektronskog mikroskopa, (E.RuskaiM. Knoll, 1931.), Tehnika elektronske difrakcije za analizu (H.Boersch, 1936), Komercijalni elektronski mikroskop (firma SIEMENS, 1939) - Skanirajuci elektronski mikroskop (W. Zworykin, J. Jillier i R. Suyder 1942), Tehnika elektronske sonde (R. Casting, 1951), Komercijalna elektronska sonda (firme CAMECA,1956), - Komercijalni skanirajuci elektronski mikroskop (firme CAMBRIDGE Instruments, 1965). Dalji razvoj metoda i tehnika za karakterizaciju zasnovan je uglavnom na razvoju vakuumske tehnike i tehnika za merenje malih struja. Brzi razvoj komercijalnih uredaja za analizu zapoceo je sedamdesetih godina. Proizvodaci opreme se jako trude da svako uneto poboljsanje na postojecem uredaju deklarisu kao novu metodu. Treba istaci da koriscenje samo jedne metode za analizu ne omogucava potpunu informaciju o stanju na povrsini /18/. 85

Fizika i tehnika tankih slojeva

5.5.2. Pregled tehnika za karakterizaciju Sve savremene metode za analizu materijala zasnovane su na interakciji cesticnog (I+,e~) i elektromagnetnog (hv) zracenja sa povrsinom i analizi emitovanog zracenja sa uzorka. Razvijene tehnike omogucavaju da se: ucine vidljivim male razlike oblika povrsine, - analizira fma struktura faze materijala i - odredi hemijski sastav na maloj povrsini uzorka. Za ispitivanje procesa koriste se snopovi sa dobro defmisanim parametrima snopa: masa cestica (m), energija (E), upadni ugao (6) i fluks cestica (). Verovatnoca da atom, elektron ili elektromagnetno zracenje napusti povrsinu, zavisi od karakteristika mete: kristalne strukture, hemijskog sastava, dometa u kristalnoj resetki, broja sudara sa atomima resetke, ekscitacije elemenata kristala i lokalnih pregrevanja u zoni interakcije. Na slici 5.10 prikazana je sema procesa koji nastaju u toku interakcije i tri osnovna prilaza ispitivanju fenomena. upadni snop /', «', hv

(m.,E.,8,d)

podloga ,,-tanak sloj ^~ u -emilovane cestice (Sp. e") ~ 1%E0

Sve metode koje koi materijala defmisane su 1 omogucavaju da se dob: strukturi, hemijskom sasi scene tehnike za karakter zane suu tabeli 5.1.

Tab. 5.1. Karak materijale

Tehnika Upadni/ E 0 pr (modifi- emitovani nog s: kacija) snop keV AES

e~/es~

1-

APS

e-/hv

1,

X-ray/e'

1-

ESCA (XPS, XRS) EID

eYT

FIM

Elektricno polje / 1+

-

ISS

I+/I+

1-:

RBS

I+/I+

0,5(Me

SIMS/ (LIMS, SNNS)

eVe~

1-

SEM

eVe~

10-

a--relleklovani snop (I', i:', hv) ~20%E, b-c]m;imicki procesi na povrSini c-sinergelski proccsi

- 75%E,

SI. 5.10. Sema procesa koji nastaju u toku interakcije koji se koriste za karakterizaciju materijala

Za karakterizaciju se koriste najvise procesi emisije sa kristala i refleksije primarnog snopa sa povrsine. Ono sto bi se jos zelelo je ispitivanje uzoraka vece debljine i vizuelno prikazivanje ,,cvorova" u kristalnoj resetki. Za elektricno provodni materijal pojedini atomi na povrsini vec su ucinjeni vidljivim. 86

0,1-

STM/ Elektricno (AFM) polje / e~ TEM

e'/e"

100-

Strukturne osobine tankih slojeva

Sve metode koje koriste energetske snopove za karakterizaciju materijala definisane su kao fizicke metode za karakterizaciju. One omogucavaju da se dobiju tri vrste informacija i to: o kristalnoj strukturi, hemijskom sastavu i raspodeli materijala. Najcesce koriscene tehnike za karakterizaciju materijala fizickim metodam prikazane su u tabeli 5.1. Tab. 5.1. Karakteristike metoda i tehnika za analizu materijala pomocu energetskih snopova.

Tehnika Upadni/ E0 primar- Elementi Vlinimalna 'modifi- emitovani nog snopa, coji se de- detektovana keV cacija) snop tektuju colicina

Komentar

AES

e"/es"

1-10

Z>6

0,l%(at)

Kvantitativna analiza povrsina

APS

eYhv

1,5

Svi

10-3-10-2

Kvalitativna

X-ray/e"

1-2

Z>6

0,l%(at)

Velika rezolucija; kvalitativna

EID

e-/r

0,1-10

Odredeni

10'4-1

Jednostavna, kvalitativna

FIM

Elektricno P olje/I +

-

Vatrostalni

-

Atom, nivo; elektroda

ISS

rn+

1-50

Z>6

0,l%(at)

Povrsinska struktura; kalibracija

RBS

r/i+

0,5-10 (MeV)

Z>6

1 0-5-l O-3 Kvant.raspod. po dubini

SIMS/ (LIMS, SNNS)

e"/e"

1-5

Odredeni brzinom raspras.

SEM

eVe"

10-50

ESCA (XPS, XRS)

0,l%(at) -

STM/ Elektricno (AFM) polje / e~ TEM

eVe-

Visoka osetljivost Dobrarezol.; topografija Morfologija; elektroda

100-150

Kristalna struktura

Dobrarezol.; priprema 87

Fizika i tehnika tankih slojeva

U okviru tehnika koje koriste energetske snopove za analizu nisu date one koje su zasnovane na nuklearnim reakcijama: nuklearna rezonanca (NRRA) i aktivaciona analiza kojom se dobijaju novi izotopi (CPPA). Osnovni razlog za njihovo izostavljanje je ogranicena mogucnost primene ovih tehnika.

komponenata i vakuun kolonudo 10"3Pa.

5.5.3. Metode za strukturnu karakterizaciju Najcesce koriscene tehnike za stukturnu karakterizaciju tankih slojeva cine: skanirajuca tuneling mikroskopija (STM), transmisiona elektronska mikroskopija (TEM) i skanirajuca elektronska mikroskopija (SEM). a) Skanirajuca tuneling mikroskopija je nova metoda za ispitivanje nukleacije deponovanog materijala i morfoloskih karakteristika individualnih kristalita. Uredaj radi na principu tuneliranja elektrona izmedu dve provodne elektrode na razlicitim potency alima 1191. Elektrode su odvojene izolatorom koji predstavlja barijeru za prelazak elektrona sa jedne elektrode na drugu /20/. Promenljivim naponom u tri medusobno normalna pravca vrsi se skanovanje povrsine sa konstantnom strujom tuneliranja ili konstantnom visinom vrha pokretne elektrode. Za dobijanje atomske rezolucije potrebno je da poluprecnik vrha elektrode bude manji od 2 nm, a rastojanje izmedu elektroda oko 0,6 nm. Rezolucija na atomskom nivou pri ispitivanju povrsine i njene elektronske strukture donela je autorima (G. Bining i H. Rohrer) Nobelovu nagradu za fiziku 1986 godine. Sema uredaja prikazanaje na slici 5.11. b) Transmisiona elektronska mikroskopija najcesce se koristi za analizu kristalicnosti tankih slojeva. Granica uvecanja mikroskopa odredena je talasnom duzinom koriscene ,,svetlosti", elektrona /21/. Kako je talasna duzina elektrona 104 puta manja od talasne duzine vidljive svetlosti, to je granica uvecanja posmatranog predmeta elektronskim mikroskopom do 200000 puta. Osnovni delovi elektronskog mikroskopa su: izvor elektrona, sistem sociva (kondenzorsko, objektivno i projektivno) koji odreduju putanju elektrona, fluorescentni ekran (na kome se obrazuje slika), sistem za napajanje

z-i

L

—» x

Element!

Izvor elektrona je v se ubrzavaju na anodi socivu do odredenog d uzorak. Slika se formin defektima uzorka. Objek predmeta koja se dalje p ekran.

Uzorci za ispitivanj vanjem do transparentm (replika). Koriscenjem d da se izgube.

Strukturne osobine tankih slojeva

komponenata i vakuumski sistem, koji ispumpava mikroskopsku kolonu do 10'3 Pa.

z-kontrolor

x-y skan

^

X

SI. 5.11. Elementi skanirajuceg tuneling mikroskopa

Izvor elektrona je vlakno (termoelektronska emisija). Elektroni se ubrzavaju na anodi (100 keV), fokusiraju u kondenzorskom socivu do odredenog dijametra, a zatim se upucuju na ispitivani uzorak. Slika se formira usled rasejavanja elektrona na atomima i defektima uzorka. Objektivno socivo daje fokusiranu i uvecanu sliku predmeta koja se dalje povecava projekcionim socivom i upucuje na ekran. Uzorci za ispitivanje pripremaju se pomocu dve metode: stanjivanjem do transparentne debljine i uzimanjem otiska sa povrsine (replika). Kori§cenjem druge metode neki detalji sa povrsine mogu da se izgube.

89

Fizika i tehnika tankih slojeva

Izvor elektrona Izvor svetlosti

Kondenzatorsko sutfvo

Kondcnzatorsko sofivo

Objekttvno socivu

Izvor elektrona Sociva za fokusiranje

Projektivno soSvo

Projektivno sotivo

Uzorak Luminisccnlni ekran

SI. 5.12. Formiranje slike u optickom i elektronskom mikroskopu

Formiranje slike u si

c) Skanirajuca elektronska mikroskopija koristi se za mikrostrukturnu karakterizaciju povrsine cvrstog tela. Za ispitivanje je potrebno koristiti uzorak sa provodnom povrsinom 1211. Dimenzija uzorka (10x10x5 mm) ogranicene su mogucnostima nosaca uzorka. Osnovne komponente uredaja su: elektronski top, sistem sociva, detektor elektrona, katodna cev za vizualizaciju ispitivane povrsine, sistem za napajanje komponenata i vakuumski sistem. I u skanirajucem elektronskom mikroskopu, elektronski snop se koristi za ,,osvetljavanje" uzorka, ali se slika formira na osnovu sekundarne elektronske emisije sa objekta. Primarni snop posle prolaska kroz kondenzorsko socivo (sirina snopa 5-10 nm) ,,prebrisava" povrsinu uzorka voden deflektorskim kalemom, dok brojac odbrojava nisko energetske sekundarne elektrone. Uvecanje se vrsi bez dodatnih sociva, a predstavljeno je odnosom linija skanovanja na ekranu katodne cevi i na uzorku. Sema uredaja prikazana je na slici 5.13. 90

Ispitivanja karakteri: uzorku u nativnom stanji ispitivana povrsina bude f (sekundarnih i reflektovj neprovodan na povrsinu s (AuiliPt, debljinedolOi nja sa povrsine i uz to emisije.

Druge fizicke metod pruzaju informacije o her depozitu. Radi toga nisu i

Strukturne osobine tankih slojeva

i

Izvor __ _ elektrona Sociva za fokusiranje

Projektivno sofivo

^

|

-DiD •OJD i

-OiD-

Mag. kontrola Skaniranje

llzorak Kolektor ka pumpnom sistemu

SI. 5.13. Formiranje slike u skanirajudem elektronskom mikroskopu

Ispitivanja karakteristika materijala SEM metodom vrsi se na uzorku u nativnom stanju bez specijalne pripreme. Dovoljno je da ispitivana povrsina bude elektricno provodna i da je prinos elektrona (sekundarnih i reflektovanih) veci od jedinice. Ukoliko je uzorak neprovodan na povrsinu se deponuje tanak sloj provodnog materijala (Au ili Pt, debljine do 10 nm) koji moze da odvede visak naelektrisanja sa povrsine i uz to ima visok prinos sekundarne elektronske emisije. Druge fizicke metode za karakterizaciju, navedene u tabeli 5.1, pruzaju informacije o hemijskom sastavu i raspodeli komponenata u depozitu. Radi toga nisu razmatrane u ovom poglavlju.

91

Fizika i tehnika tankih slojeva

nalnosti, koeficijent di dC/dx - gradijent konce

5.6. DIFUZIONI PROCESI U DEPONOVANOM SLOJU Sve promene u cvrstom telu posledica su difuzionih procesa aktiviranih dovodenjem energije. Put kojim se atomi krecu od jednog ravnoteznog polozaja do drugog u kristalnoj resetki, odgovara najnizoj potency alnoj barijeri koju cestica treba da savlada. Osnovne zakone koji odreduju procese zapreminske difuzije defmisali su krajem proslog veka A. Pick i S. Arrhenius pri ispitivanju zone koja nastaje na dodirnoj povrsini dva razlicita metala. Teorijska predvidanja mehanizma procesa i eksperimentalnu potvrdu utvrdili su A. Einstein i J. Perrin pocetkom ovog veka /23/.

Koncentracioni profil difuzi (D,=D2) i b) sistem u kome k

5.6.1. Parametri difuzionih procesa Kada se u neposredan kontakt stave dva komada metala sastavIjena od razlicitih vrsta atoma cije su koncentracije GI i C2 (C]>C2) konstantne, na dodirnoj povrsini se posle odredenog vremena formira oblast u kojoj se nalaze atomi oba materijala. Sirina formirane oblasti zavisi od: vrste materijala, stanja na dodirnoj povrsini i uslova na kojima se drzi materijal. Raspodela koncentracije materijala difuzionog para prikazana je na slici 5.14 (a i b) za sistem sa jednakim brzinama difuzije komponenata, kao i za sistem sa razlicitim brzinama difuzije. Koncentracioni profil ovog tipa dobija se direktnim metodama merenja, pri cemu se odreduje lateralna promena koncentracije sa rastojanjem od dodirne povrsine. Za stacionarni rezim difuzije dve razlicite vrste atoma, kolicina difundujuceg materijala (fluks atoma J) koja u jedinici vremena prolazi u pravcu ose x normalno na jedinicnu povrsinu, proporcionalna je gradijenru koncentracije sa promenjenim znakom: J = -D

dC dx

(5.8)

Jednacina predstavlja matematicki izraz I Fick-ovog zakona. Pri tome su: J - broj difundujucih atoma, D - konstanta proporcio92

U nestacionarnom ako se pode od cinjenic nivsi u jednacini za kon fluksa (jednacina 5.8) sa nom pravcu dobija se :

d d

sto za sistem u kome je E

Resenje jednacine I od pocetnih i krajnjih us biraju tako, da resenje jec ziju u jednom pravcu res<

Temperaturna zavis henius-ovim zakonom:

D

Strukturne osobine tankih slojeva

nalnosti, koeficijent difuzije jedne vrste atoma u drugu (cm2/s) i dC/dx - gradijent koncentracije (atoma/cm3) u pravcu x ose.

SI. 5.14. Koncentracioni profil difuzionog para: a) sistem sa jednakim brzinama difuzije (D,=D2) i b) sistem u kome komponente difunduju razliCitim brzinama (D|>D,).

U nestacionarnom rezimu resenje jednacine moze da se nade, ako se pode od cinjenice da vazi zakon o odrzanju materije. Zamenivsi u jednacini za konzervaciju materije dC/dt = -dJ/dx i vrednost fluksa (jednacina 5.8) sa Fick-ovom jednacinom za difuziju u jednom pravcu dobija se : dt

dx

dC dx

(5.9)

sto za sistem u kome je D = const, daje vrednost: dt

dx2

(5.10)

Resenje jednacine II Fick-ovog zakona, funkcija C(x,t), zavisi od pocetnih i krajnjih uslova defmisanih eksperimentom. Uslovi se biraju tako, da resenje jednacine ima sto jednostavniji oblik. Za difuziju u jednom pravcu resenje jednacine je D=kx2/t (k = const.). Temperaturna zavisnost koeficijenta difuzije definisana je Arrhenius-ovim zakonom: D=D0 exp(-Ea/kT)

(5.11) 93

Fizika i tehnika tankih slojeva

U jednacini su: D0- frekventni faktor (cm2/s), Ea - aktivaciona energija (eV) koja defmise sumu energija za formiranje i migraciju defekata (Ea=Efv+Emv za vakantni mehanizam difuzije), k - Boltzman-ova konstanta (1,3806- 10~23J/K) i T - termodinamicka temperatura. Jednacina omogucava da se na osnovu vrednosti koeficijenta difuzije na razlicitim termperaturama, odredi vrednost aktivacione energije, dakle i mehanizam difuzionog procesa. Dovodenjem energije u sistem atomi savladuju potencijalnu barijeru koja ih deli od drugog ravnoteznog polozaj a. Prelaz iz jednog u drugi ravnotezni polozaj moze da se obavi na 6 razlicitih nacina kako je to prikazano na slici 5.15.

Promena koncentr; ma za analizu sastava (* de za m.erenje param posledica difuzionog tr mena mikrotvrdoce, iz refleksije.

5.6.2. Difuzioni proc

Osnovna karakteri; mima je velika brzina p niskim temperaturama. strukture tankih slojev povrsine, predstavljaju ma gradijenta koncenti uzorkom difuzioni prc vecom brzinom.

U polikristalnom i difuziona procesa:

a- zapreminska di:

b- povrsinska difu

c- difuzija duz gra SI. 5.15. Osnovni mehanizmi difuzionih procesa u cvrstom telu: a) direktna izmena, b) kruzna zamena, c) vakantna difuzija, d) intersticijska difuzija, e) indirektna intersticijska izmena i f) zgusnjavanje.

Da bi se proces obavio najvecim deiom na osnovu jednog mehanizma difuzije, u eksperimentima je pogodno koristiti uzi temperaturski interval. Cak i pri dobro izabranim eksperimentalnim uslovima, u difuzionom transportu materijala ucestvuje vise od jednog mehanizma difuzije. 94

Zapreminska difu: komponenta posle term dubinu prodiranja. Za nizim temperaturma (rr zije jako zavisi od zrno depozita. Tako je uvede tanak sloj deponovan i izotropne difuzije sa e povsinska difuzija. N£ procesi na granicnoj \

Strukturne osobine tankih slojeva

Promena koncentracije najcesce se odreduje fizickim metodama za analizu sastava (AES, SIMS i RBS). Druge indirektne metode za merenje parametara difuzije odreduju osobine koje su posledica difuzionog transporta materijala: izmena topografije, promena mikrotvrdoce, izmena elektricnog otpora i promena opticke refleksije.

5.6.2. Difuzioni procesi u tankoslojnim sistemima Osnovna karakteristika difuziomh procesa u tankoslojnim sistemima je velika brzina procesa i znacajan transport mase na relativno niskim temperaturama. Efekti su posledica nesavrsenosti kristalne strukture tankih slojeva u kojoj defekti, granice zrna i granicne povrsine, predstavljaju puteve za vecu pokretljivost atoma u pravcima gradijenta koncentracije materijala. U poredenju sa komadnim uzorkom difuzioni procesi u tankoslojnim sistemima odvijaju se vecom brzinom. U polikristalnom uzorku mogu da se definisu tri karakteristicna difuziona procesa: a- zapreminska difuzija (Dv), b- povrsinska difuzija (Dp) i c- difuzija duz granica zrna (Dg). Zapreminska difuzija obuhvata transportne procese u kojima komponenta posle termicki aktiviranog procesa pokazuje uniformnu dubinu prodiranja. Za tankoslojne sisteme je konstatovano da na nizim temperaturma (manjim od 0,5 tacke topljenja, Tt) brzina difuzije jako zavisi od zrnovitosti materijala i kristalografske orijentacije depozita. Tako je uveden pojam difuzije duz granica zrna. Najzad, za tanak sloj deponovan na podlozi zapazeno je, da je moguc proces izotropne difuzije sa energijama manjim od 0,5 eV koji je nazvan povsinska difuzija. Na slici 5.16 sematski su prikazani difuzioni procesi na granicnoj povrsini tanak sloj/podloga i u sistemu dva deponovana tanka sloj a. 95

Fizika i tehnika tankih slojeva

5.7. ANALIZAHE3V RASPODELE E

TS,

SI. 5.16. Difuzioni procesi u tankoslojnim sistemima: zapreminska difuzija (Dv), difuzija duz granica zrna (Dg) i povrSinska difuzija (Dp).

Eksperimentalne vrednosti parametara difuzije tankoslqjnih sistema odreduju se na osnovu istih zakona kao i za komadne uzorke. Zapreminska difuzija se razmatra kao i klasicna difuzija u komadnom uzorku. Zbog neravnotezne koncentracije defekata, dobijene vrednosti parametara difuzije su uvek vece od vrednosti koje su nadene u komadnom uzorku. Karakteristican mehanizam difuzije u tankoslojnom sistemu ne moze da se definise jednoznacno. Usled velike koncentracije nisko temperaturskih puteva za difuziju i male termicke stabilnosti sistema, uvek se govori o dominantnom mehanizmu difuzije 7247. Rezultati pokazuju da se odnos brzina difuzije pomocu razlicitih mehanizama moze da predstavi na sledeci nacin: DvEs

(5.13)

Esperimentalne vrednosti koeficijenata difuzije koje se mogu naci u literaturi, pokazuju velika odstupanja za razlicite mehanizme procesa. Publikovani rezultati za Dv i Dg nalaze se u sirokom intervalu vrednosti: 1< Dg 7 Dv< 108. Poznata analiticka resenja za gradijent koncentracije definisana su samo za idealizovane granicne slucajeve. Dva takva difuziona para privukla su posebnu paznju: difuzija na dodirnoj povrsini ivica dva tanka sloja i medusobna difuzija dva preklopljena tanka sloja 725, 267. 96

Hemijski sastav m; komponenata u zoni pov mijskim, spektroskopsk Izbor metode zavisi od '. uzorka i agregatnog stan ke i od debljine depozit. jala na izabranoj podlozi je reda 10"3 gr. Niske koi cije reda ppm), fizickin mijske i mikrohemijske i bolje rezultate i ako prip greske.

5.7.1. Metode za anal

Fizicke metode za a novane su na interakciji magnetnog zracenja) sa refleksije i emisije sa uz<

Za analizu sastava d te elektronske mikropr (XPS) i masene spektror nenata koriste Oze anali Nuklearne tehnike (NRJ koriste zbog mogucnosti

1. - Metode analizc

Elektronske metode tankih slojeva i prevlaks tronskog snopa sa ispitiv; materijala elektronima o<

Strukturne osobine tankih slojeva

5.7. ANALIZA HEMIJSKOG SASTAVAI RASPODELE ELEMENATA U DEPOZITU Hemijski sastav materijala u odredenoj zapremini i raspodela komponenata u zoni povrsine mogu da se odrede razlicitim mikrohemijskim, spektroskopskim i fizickim metodama za karakterizaciju. Izbor metode zavisi od kolicine materijala koji se detektuje, oblika uzorka i agregatnog stanja, a kada se analiziraju tanki slojevi/prevlake i od debljine depozita. Minimalna kolicina deponovanog materijala na izabranoj podlozi koja moze da se odredi fizickim metodama je reda 10~3 gr. Niske koncentracije elemenata (necistoce, koncentracije reda ppm), fizickim metodama se tesko odreduju. Spektrohemijske i mikrohemijske metode za analizu sastava u torn slucaju daju bolje rezultate i ako priprema uzorka za analizu moze da bude izvor greske.

5.7.1. Metode za analizu sastava Fizicke metode za analizu sastava deponovanog materijala zasnovane su na interakciji upadnog snopa (elektrona, jona i elektromagnetnog zracenja) sa ispitivanim materijalom i analizi procesa refleksije i emisije sa uzorka. Za analizu sastava depozita najcesce se koriste razlicite varij ante elektronske mikroprobe (EPMA), rendgenske spektroskopije (XPS) i masene spektrometrije (SIMS), dok se za raspodelu komponenata koriste Oze analiza (AES) i Raderfordovo rasejanje (RBS). Nuklearne tehnike (NRRA i CPPA) za analizu sastava se manje koriste zbog mogucnosti radijacionog ostecenja depozita i podloge. 1. - Metode analize koriscenjem elektronskog snopa Elektronske metode za odredivanje hemijskog sastava povrsina, tankih slojeva i prevlaka zasnivaju se na interakciji upadnog elektronskog snopa sa ispitivanim materijalom. Prilikom bombardovanja materijala elektronima odredene energije, elektroni mogu biti apsor97

Fizika i tehnika tankih slojeva

bovani, reflektovani ili mogu da produ kroz uzorak pri cemu moze da dode do emisije sekundarnih elektrona ili X-zracenja sa uzorka. a) Oze elektronska spektroskopija Oze elektronska spektroskopija (AES) zasniva se na Ozeovom procesu (Auger, 1925). Pod dejstvom upadnog elektronskog snopa, na povrsini ispitivanog uzorka dolazi do Ozeovog procesa u kome ucestvuju tri elektrona. Elektron iz upadnog elektronskog snopa izbacuje elektron sa energetskog nivoa A atoma ispitivanog uzorka. Formirana supljina popunjava se elektronom sa viseg energetskog nivoa B, dok se sa nivoa C, koji se nalazi iznad nivoa B, emituje Oze elektron. Energije Oze elektrona su karakteristicne za svaki hemijski element u uzorku i njihovom energetskom analizom moguce je izvrsiti identifikaciju hemijskih elemenata u datom uzorku. Pomocu Oze elektronske spektroskopije moze vrlo uspesno da se odredi hemijski sastav povrsine ispitivanog uzorka do dubine od 0,5-5 nm. Uzorci deblji od 1 um do nekoliko milimetara mogu da se ispitaju pomocu AES-a uz dodatni uredaj za jonsko nagrizanje - istanjivanje materijala pomocu jonskog snopa (spaterovanje - katodno rasprasivanje). U toku AES analize mogu da se odrede svi hemijski elementi osim vodonika i helijuma. Vodonik i helijum ne mogu da se odrede ovom metodom zato sto u svojim elektronskim omotacima nemaju tri elektrona, koliko je potrebno za odvijanje Oze procesa. b) Elektronska mikroproba Ispitivanje materijala pomocu EMP metode sastoji se u bombardovanju uzorka upadnim elektronskim snopom i emisiji X-zracenja iz uzorka. Emitovani X-zraci imaju karakteristicne energije za razlicite hemijske elemente, sto omogucava odredivanje hemijskog sastava ispitivanog uzorka. EMP je obicno deo skenirajuceg elektronskog mikroskopa kome je dodat X-detektor. Ova metoda ne moze se u pravom smislu reci svrstati u povrsinske metode za odredivanje hemijskog sastava ispitivanog materijala. Naime, koriscenjem upadnog elektronskog snopa sa energijom od 20-50 keV emituju se X-zraci i iz dubljih slojeva uzorka. Prava slika hemijskog sastava povrsine uzorka dobija se pomocu upadnog elektronskog snopa

energije od 1 keV, ili a tronskim snopom. Odredivanje hemij nom uzorku vrsi se up spektrom X-zracenja s

U zavisnosti od vrs sa energetsko disperzivj zivnim spektrometrom (

i 2. - Metode analu

Jonske metode za tankih slojeva zasnivaju ispitivanim uzorkom. Jc ili reflektuju sa uzorka, ] do emisije elektrona, X~

a) Sekundarna jon

Kod sekundarne jor uzorka se bombarduje j< Pri tome se sa povrsim mete. Emitovani joni m odnosa mase i naelektris nata koji se vidi na moni

SIMS metoda je pc jonski mikroskop. Mete Pomocu SIMS metode n pe i jedinjenja datog ma od 1-100 urn, dokjedul

SIMS metoda se na stava povrsina, tankih si dubinsku profilnu analiz tankim siojevima i pre1 efektu ivice kratera, ra: selektivnom rasprasivanj

Strukturne osobine tankih slojeva

energije od 1 keV, ili ako se primeni metoda sa skenirajucim elektronskim snopom. Odredivanje hemijskih elemenata i njihove kolicine u ispitivanom uzorku vrsi se uporedlvanjem spektra X-zracenja uzorka sa spektrom X-zracenja standarda poznatog hemijskog sastava. U zavisnosti od vrste detektora X-zracenja, BMP moze da radi sa energetsko disperzivnim spektrometrom (EDS) ili talasno disperzivnim spektrometrom (WDS). 2. - Metode analize koriscenjem jonskog snopa Jonske metode za odredivanje hemijskog sastava povrsina i tankih slojeva zasnivaju se na interakciji upadnog jonskog snopa sa ispitivanim uzorkom. Joni iz upadnog snopa mogu da se apsorbuju ili reflektuju sa uzorka, pri cemu dolazi do izbacivanja jona i atoma i do emisije elektrona, X-zracenja ili svetlosti iz uzorka. a) Sekundarna jonska masena spektroskopija Kod sekundarne jonske masene spektroskopije (SIMS) povrsina uzorka se bombarduje jonskim snopom energije od nekoliko keV-a. Pri tome se sa povrsine uzorka rasejavaju (izbacuju) atomi i joni mete. Emitovani joni materijala prolaze kroz analizator. Analizom odnosa mase i naelektrisanja jona dobija se spektar hemijskih elemenata koji se vidi na monitoru SIMS uredaja. SIMS metoda je poznata i pod nazivom jonska mikroproba ili jonski mikroskop. Metoda je otkrivena 60-tih godina ovog veka. Pomocu SIMS metode moguce je odrediti hemijske elemente, izotope i jedinjenja datog materijala. Precnik upadnog jonskog snopa je od 1-100 |j,m, dok je dubina prodiranja jona od 5 do 10 nm. SIMS metoda se najcesce koristi za odredivanje hemijskog sastava povrsina, tankih slojeva i prevlaka. Takode se primenjuje i za dubinsku profilnu analizu implantiranih i difundovanih elemenata u tankim slojevima i prevlakama. Pri analizi treba voditi racuna o efektu ivice kratera, rasejanju jona, atomskom mesanju, difuziji, selektivnom rasprasivanju atoma mete i mikrohrapavosti uzorka. 99

Fizika i tehnika tankih slojeva

c) Raderfordova spektroskopija Raderfordova spektroskopija (RBS) pripada jonskim metodama za odredivanje hemijskog sastava materijala. Zasniva se na bombardovanju uzoraka jonima helijuma sa energijama od 1-3 MeV i merenju energija unazad rasejanih jona sa povrsine. Metoda je poznata i pod nazivom visokoenergetska jonska (unazad) rasejavajuca spektroskopija (HEIS). RBS je kvantitativna metoda za koju nisu potrebni kalibracioni standardi. Osnove metode je postavio Raderford eksperimentalno dokazavsi postojanje jezgra atoma i rasejanje energetskih cestica sa atomskih jezgara. Dalji razvoj nuklearnog rasejanja i njegova prakticna primena za odredivanje hemijskog sastava materijala vezan je za 60-te godine ovog veka. Pri RBS analizi materijala moguce je odrediti mase prisutnih hemijskih elemenata i njihovu dubinsku raspodelu (od 10 nm do nekoliko um) u odnosu na povrsinu uzorka. Ovom metodom moguce je odrediti i kristalnu strukturu. U praksi se RBS metoda prvenstveno koristi za odredivanje teskih elemenata u prevlaci koja se nalazi na osnovi od laksih elemenata. 3. - Metode analize pomocu X-zraka Za odredivanje hemijskog sastava tankih slojeva i prevlaka rendgenskim metodama, kao upadni snop koriste se X-zraci. Upadni X-zraci se apsorbuju, reflektuju ili prolaze kroz uzorak, pri cemu dolazi do emisije elektrona i X-zracenja iz ispitivanog uzorka. Za odredivanje hemijskog sastava uzorka ovom metodom, najcesce se koriste: X-fluorescencija i X-fotoelektronska spektroskopija. a) X-fluorescencija X-fluorescencija (XRF), je poznata kao X-fluorescentna spektroskopija (XRFS) ili X-fluorescentna analiza (XRFA), moze se u literaturi naci i pod nazivom i X-sekundarna emisiona spektroskopija. U toku XRF merenja ispitivani uzorak apsorbuje upadno X-zracenje, a zatim emituje sekundarno X-zracenje, karakteristicno za hemijske elemente koji se nalaze u uzorku. Poredenjem intenziteta emitovanog karakteristicnog X-zracenja sa uzorka i intenziteta 100

X-zracenja dobijenog moze se izvrsiti kvanti! tankih slojeva.

Nedestruktivna XE hemijskog sastava prov cenje ne dovodi do nag( Pomocu metode moze materijala do dubine do tativna merenja neophoi sastava.

b) X-fotoelektrons

X-fotoelektronska vom elektronska spektr toda predstavlja visokoe je otkrio Ajnstajn pocetl se u jonizaciji atoma is] sa unutrasnjih energetsk se umesto upadnog X-z od 50 eV), sa uzorka s< materijala. Efekat je os skopije (UPS). XPS pr< sastava povrsine materij slojeva uzorka do dubin informacija o vezama h stize pracenjem promen koji poticu iz valentne i korisna za hemijska ispil da. Na primer, moze di hemijskih elemenata 727

Strukturne osobine tankih slojeva

X-zracenja dobijenog iz standarda poznatog hemijskog sastava, moze se izvrsiti kvantitativna analiza hemijskog sastava povrsina i tankih slojeva. Nedestruktivna XRF metoda najcesce se koristi za odredivanje hemijskog sastava provodnika i poluprovodnika jer upadno X-zracenje ne dovodi do nagomilavanja naelektrisanja na povrsini uzorka. Pomocu metode moze se dobiti informacija o hemijskom sastavu materijala do dubine do koje prodire upadno X-zracenje. Za kvantitativna merenja neophodni su standardni uzorci poznatog hemijskog sastava. b) X—fotoelektronska spektroskopija X-fotoelektronska spektroskopija (XPS) poznata je i pod nazivom elektronska spektroskopija za hemijsku analizu (ESCA). Metoda predstavlja visokoenergetsku verziju fotoelektricnog efekta koji je otkrio Ajnstajn pocetkom 20-tog veka. Princip XPS metode sastoji se u jonizaciji atoma ispitivanog materijala izbacivanjem elektrona sa unutrasnjih energetskih nivoa pomocu upadnog X-zracenja. Ako se umesto upadnog X-zracenja koriste fotoni malih energija (manjih od 50 eV), sa uzorka se izbacuju elektroni iz valentne zone atoma materijala. Efekat je osnova ultravioletne fotoelektronske spektroskopije (UPS). XPS predstavlja metodu za odredivanje hemijskog sastava povrsine materijala. Fotoelektroni se emituju sa povrsinskih slojeva uzorka do dubine od 0,5-5 nm. Metodom moze da se dobije informacija o vezama hemijskih elemenata u materijalu. To se postize pracenjem promena oblika i izgleda linija u spektru elektrona koji poticu iz valentne zone atoma uzorka. Ova metoda posebno je korisna za hemijska ispitivanja organskih jedinjenja, polimera i oksida. Na primer, moze da se koristi za pracenje procesa oksidacije hemijskih elemenata 111I.

101

Fizika i tehnika tankih slojeva

5.8. LITERATURA 1. S. Methfessel, Tonkie Plenki ih Izgotovlenie iIzmerienie, Gosenergoizdat, Moskva, 1963. 2. G. Hass and R. Thun, Eds. Physics of Thin Films, Vol. 1, Academic Press, New York, 1963. 3. D. Pashlay, Adv. in Physic 14 (1965) 361. 4. M. Adamov, B. Perovic and T. Nenadovic, Thin Solid Films, 24 (1974) 89. 5. B. A. Movchan and H.V. Demichishin, Fizika metalov i metalovedenie, 28(1969)653. 6. J. A Thornton, Ann. Rev. Mat. Sci. 1 (1977) 239. 7. P. C. Vincett. W. A. Barlow and G. G. Roberts, J.Appl.Phys. 48 (1977) 3800. 8. T. Nenadovic, N. Kraljevic, N. Bibic, and V. Spasic, Microbeam Methods and Application, Selected Papers, Publication ULEMA, Belgrade, 1983. 9. N. Largard and G. K.Wehner, J.Appl. Phys. 32 (1961) 365. 10. L. S. Palatnik i I. Papirov, Orijentirovana kristalizacija, MIR, Moskva, 1964. 11. J. W. Mathews Ed. Epitaxial Growth, Academic Press, New York, 1975. 12. H. Gottsche, Z. Naturforsch. 1 la (1965) 55. 13. J. W. Mathews, Phil. Mag. 7,8 (1962) 915. 14. M. H. Jacobs, D. W. Pashley and M. J. Stowell, Phil Mag. 13 (1966) 129. 15. T. Nenadovic, Termotehnika 3-4 (1988) 303. 16. M. Born and E. Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press, New York, 1970. 17.1. M. Watt, The Principles and Practice of Electron Microscopy, Cambridge University Press, Cambridge, 1985. 18. P. F. Kane and G. B. Larrabee, Eds. Characterisation of Soid Surf aces, Plenum Press, New York, 1974. 19. G. Bining, H. Rohrer, Ch. Gerber and E. Weibel, Appl. Phys. Lett. 40 (1982) 178. 102

20. Z. RakoCevid, S. Strbi Films, 257 (1995) 83 21. G. Thomas, Transmit Sons, Inc., New York 22. J. I. Goldstein, H. Ya Plenum Press, New "^ 23. Y.Adda etJ. Philibei taires, Paris, 1966. 24. J. M. Poate, K. N. Ti and Reactions, J. Wil 25. T. Nenadovic, M. Adi 34(1976)175. 26. N. Popovic, T. Nena( tific, Singapore, 198< 27. D. K. Schroder: Sem John Wiley and Sons

Strukturne osobine tankih slojeva

20. Z. Rakocevic, S. Strbac, N. Bible, D. PeruSko, T. Nenadovic, Thin Solid Films, 257 (1995) 83. 21. G. Thomas, Transmission Electron Microscopy of Metals, J. Wiley and Sons, Inc., New York-London, 1962. 22. J. I. Goldstein, H. Yakowitz, Practical Scanning Electron Microscopy, Plenum Press, New York and London, 1975. 23. Y. Adda et J. Philibert, La diffusion dans les solides, Presses Universitaires, Paris, 1966. 24. J. M. Poate, K. N. Tu and J. W. Mayer, Eds.Thin Films, Interdiffusion and Reactions, J. Wiley, New York, 1978. 25. T. Nenadovic, M. Adamov, B. Meckel and B. Perovic, Thin Solid Films, 34(1976)175. 26. N. Popovic, T. Nenadovic, The Physics of Ionized Gases, Word Scientific, Singapore, 1984. 27. D. K. Schroder: Semiconductor material and device characterization, John Wiley and Sons, New York, 1990.

103

Elektricne osobine tankih slojeva

6. ELEKTRICNE OSOBINE TANKIH SLOJEVA 6.1. UVOD Kohezija cvrstog tela je posledica elektrostatickog privlacenja medu pozitivnim jezgrima i negativno naelektrisanim elektronima. Pri tome raspodela elektrona i jonskog ostatka odreduje razlicite oblike formiranja cvrstog tela. Valentni elektroni su najslabije vezani i pod dejstvom spoljne pobude krecu se slobodno kroz kristalnu resetku metala. Spoljna pobuda moze da bude inicirana: temperaturom, elektricnim poljem, magnetnim poljem i kombinacijom ovih cinilaca. Najcesce se ostvaruje toplotnim gradijentom energije atoma (cija mera moze da bude gradijent temperature) i gradijentom elektricnog potencijala, koji omogucavaju toplotnu i elektricnu provodnost metala. Zbog oscilacija u kristalnoj resetki oba procesa predstavljaju slozeno kretanje. Analiza osobina metala na osnovu klasicne teorije slobodnih elektrona omogucila je postavljanje Ohm-ovog zakona i deformisanje analogije izmedu elektricne i toplotne provodnosti. Ipak, na osnovu klasicne teorije nisu mogli da budu objasnjeni: velika duzina srednjeg slobodnog puta elektrona kroz kristalnu resetku (108-109 meduatomskih rastojanja) i mirovanje elektrona u izolatorima pod dejstvom elektricnog polja. Moderna (zonska) teorija cvrstog stanja pruza informacije o energetskim nivoima i njihovim zonama. Jedan od najvaznijih zakljucaka ove teorije je da je raspodela elektrona u zonama dozvoljene energije, razdvojena zabranjenim zonama /!/. Popunjenost i medusobni raspored zona definisu materijal: metal, poluprovodnik ili izolator. Ako su energetske zone delimicno popu* njene elektronima, kristal se ponasa kao provodnik (metal, ciji je otpor do 10~10 Qcm); kada su zone delimicno popunjene kristal se ponasa kao poluprovodnik; najzad, kada su zone kompletno popu105

Fizika i tehnika tankih slojeva

njene ili kompletno prazne kristal se ponasa kao izolator (otpornost 10 14 dol0 22 0cm). Zonska teorija je razvijena za beskonacne dimenzije kristala. Prisustvo povrsina kristala menja gustinu energetskih stanja i njihovu raspodelu. Efekat je najvise izrazen za poluprovodnicke materijale kod kojih su dozvoljeni diskretni energetski nivoi na povrsini, dok su zabranjene zone u unutrasnjosti kristala. Kada se radi o tankoslojnom sistemu - sistem sa dve povrsine - zonska struktura je jace izrazena i pojavljuju se kvantni efekti. Medusobna interakcija povrsina i njen uticaj na zonsku strukturu postaju znacajni cinioci provodenja elektrona kroz tankoslojni kristal.

6.2. ELEKTRICNA PROVODNOST KONTINUALNOG SLOJA Elektricna provodnost u kontinualnom metalnom kristalu je odredena usmerenim kretanjem slobodnih elektrona pod dejstvom elektricnog polja. Za tanak sloj se kretanje elektrona pod dejstvom polja razmatra u pravcu paralelnom ravni sloja, bez analize uticaja specificnog stanja Fermijevih povrsina (povrsina konstantne energije). U zavisnosti od stanja nukleacije i rasta tankog sloja, mogu da se definisu razliciti mehanizmi provodenja: termojonska emisija izmedu pojedinih zrna kristala (Schottky, pri medusobnom rastojanju vecem od 10 nm) i prenos naelektrisanja tunel-efektom (na manjim rastojanjima i povisenim temperaturama, >300 K). Srednja slobodna putanja elektrona A,, zavisi od brzine v sa kojom se elektroni neprekidno krecu kroz metal i od broja neelasticnih sudara ns: (6.1) Pod dejstvom elektricnog polja E, slobodni elektroni se usmeravaju u pravcu polja 111. Broj slobodnih elektrona n (na osnovu J. Thomson-oveteorije)ujedinici zapremine, naelektrisanja e i mase m, daje struju: 106

Pri tome jebroj sic

gdeje h-Plankovako

U komadnom mai njegova provodnost o c

Specificna otpornc i zavise od debljine d srednju slobodnu putar sloja.

Vrednosti specific jednacine su funkcija d eksperimentalnim vred atoma kristalne resetke

Na osnovu savrem nika potice od rasejava 131. Osnovni izvor otpo resetki.

a) Temperatura nule, srednji slobodni vibracijama resetke. R

Elektricne osobine tankih slojeva

1=

(6.2)

2mv

Pri tome je broj slobodnih elektrona u jedinici zapremine dat sa:

n

3

(6.3)

h

gdeje h - Plankova konstata. U komadnom materijalu specificna otpornost materijala p0 i njegova provodnost o dati su sa: 1

2mv ne2A,

(6.4)

Specificna otpornost i provodnost su konstante za dati materijal i zavise od debljine d materijala. Thompson je empirijski defmisao srednju slobodnu putanju uzorka male debljine u funkciji debljine sloja.

zad>X 4d

d(3 212

—

(6.5) za d < A,

Vrednosti specificnog otpora koje su dobijene na osnovu ove jednacine su funkcija debljine sloja, ali pokazuju slabu saglasnost sa eksperimentalnim vrednostima. Nesaglasnosti poticu od oscilacija atoma kristalne resetke oko njihovih ravnoteznih polozaja. Na osnovu savremene teorije, elektricni otpor metalnog provodnika potice od rasejavanja elektrona na putu kroz kristalnu resetku 131. Osnovni izvor otpora su temperatura kristala i defekti u kristalnoj resetki. a) Temperatura kristala. Na temperaturama iznad apsolutne nule, srednji slobodni put elektrona u idealnom kristalu je odreden vibracijama resetke. Rasejanje elektrona na vibracionim modovima 107

Fizika i tehnika tankih slojeva

resetke (elektron-fonon interakcija, Debye-jeva teorija) vrsi se u sirokom spektru vibracionih modova sa odredenom gornjom granicom. Debye-va temperatura 0 je defmisana na osnovu maksimalne ucestanosti sa: 0 _

nv max

k

(6.6)

gde je k- Bolcmanova konstanta. Na niskim temperaturama (T«0) otpor se menja u funkciji sa Tn (gde je nsS), dok na visokim temperaturama (T»0) otpor linearno raste sa temperaturom. Za mnoge metale Debye-va temperatura je blizu sobne temperature, pa je promena otpora sa temperaturom iznad nje prakticno linerna funkcija. To omogucava da se odredi temperaturski koeficijent otpora u temperaturskom intervalu dve ne mnogo bliske temperature.

R,-R 2

d) Ukupna vred javanja elektrona utif Vrednost otpora je de vrednost otpora u pr otpora svih individual

Pri merenju vrednosti metra cpp (rasejavanje veoma znacajan.

(6.7)

Pri tome su Tj > T > T2, dok je RT vrednost otpora na ispitivanoj temperaturi /4/. b) Tackasti defekti. Vakantna mesta, intersticijski atomi i necistoca u kristalu, su mesta na kojima se rasejavaju elektroni /5/. Sa porastom koncentracije ovih defekata otpornost materijala raste. Povecana koncentacija defekata u komadnom uzorku moze da poveca vrednost otpora do deset puta, dok u deponovanom tankom sloju zbog velike koncentracije defekata - otpor deponovanog metala moze da bude i nekoliko stotina puta veci. Pri losim vakuumskim uslovima u toku deponovanja - za metale kod kojih se oksidacijom formira izolatorska faza - otpor deponovanog materijala pri velikim debljinama moze da bude za faktor 103 veci od ocekivane vrednosti. Promena otpora usled izolatorske faze najlakse se analizira, posto je novoformirana faza koncentrisana na granicama zrna. c) Linijski defekti. Dislokacije malo uticu na rasejanje elektrona i povecanje otpora u metalnom uzorku. Gustina dislokacija od 1012/cm2 daje istu vrednost povecanja otpora kao i koncentracija 1% tackastih defekata i rastvorenih primesa. 108

Elektricni otpor s vakuumu priblizava nekim eksperimentirm samo nekoliko procen

6.3. ELEKTRICNI TANKOSLOJF

a) Dielektricni broj nosilaca naelektri provodnost tankoslojn - potice od promena u jskog odnosa), ili prirc da bude izvor dodatni nost dielektrika zavisi vima dielektrika, u ele provodenja elektrona Za naizmenicni napos ucestanosti napona (v osobine dielektricnih napon. Karakteristicn; lako se odreduje pome

Elektricne osobine tankih slojeva

Elektricni otpor slojeva vecih debljina, deponovanih u visokom vakuumu priblizava se vrednosti otpora u komadnom uzorku. U nekim eksperimentima je nadeno da je elektricni otpor depozita samo nekoliko procenata veci od iste vrednosti komadnog uzorka. d) Ukupna vrednost otpora u metalu. Razliciti procesi rasejavanja elektrona uticu na porast elektriCnog otpora u metalu 161. Vrednost otpora je definisana Matthiesen-ovim zakonom. Ukupna vrednost otpora u provodniku (cpu) jednaka je algebarskom zbiru otpora svih individualnih izvora otpora: (pu = (p-p +(p n +(Pn

(6-8)

Pri merenju vrednosti ukupnog otpora tankih slojeva doprinos parametra cpp (rasejavanje elektrona sa granicnih povrsina) moze da bude veoma znacajan.

6.3. ELEKTRICNA PROVODNOST NEMETALNIH TANKOSLOJNIH MATERIJALA a) Dielektricni materijali na sobnoj temperaturi imaju mali broj nosilaca naelektrisanja (manje od I/cm3). Nesto veca elektricna provodnost tankoslojnih dielektrika - u odnosu na komadni materijal - police od promena unetih u toku deponovanja (izmena stehiometrijskog odnosa), ili prirode kontaktnih elektroda (omski kontakt moze da bude izvor dodatnih nosilaca naelektrisanja) 111. Ujedno, provodnost dielektrika zavisi od napona. Za jednosmerni napon na krajevima dielektrika, u elektricnom polju su moguci razliciti mehanizmi provodenja elektrona: termicko, tunel-efektom i preko necistoca. Za naizmenicni napon, provodnost dielektricnih otpora zavisi od ucestanosti napona (v) i temperature merenja. Najcesce ispitivane osobine dielektricnih tankih slojeva su: disipacioni faktor i probojni napon. Karakteristicna velicina - disipacioni faktor, tg5 =l/toRC lako se odreduje pomocu vektorskog dijagrama kondenzatora. 109

Fizika i tehnika tankih slojeva

b) Poluprovodni ali je mehanizam njih< elektricne osobine pol povrsini posto eiektrici i menja transportne fei elektrona u poluprovoi nosilaca naelektrisanja vodnika) i njihovom pc

I/R

SI. 6.1.

Vektorski dijagram kondenzatora.

Pri cemu su: o> = 2nv, R - otpor dielektrika i C - kapacitet kondenzatora ciji je materijal dielektricni sloj kondenzatora: = 8S 0 -

(6.9)

U jednacini su: e - dielektricna konstanta materijala, s0 - dielektricna konstanta vakuuma (e0 = 8,85' 10"2 F/m), S - povrsina kontaktne elektrode i d - rastojanje izmedu elektroda.

Druga karakteristicna velicina dielektricnih tankih slojeva probojni napon - oznacava proces pri kome slobodni elektroni u elektricnom polju, dostizu takvu energiju da na svom putu pobuduju valentne elektrone. Proces moze da nastane i usled jonizacije primesa ili migracije defekata u materijalima. Svi navedeni procesi razrusavaju dielektricne osobine materijala. Vrednosti probojnog napona dielektricnih depozita vece su od vrednosti istog parametra u komadnom uzorku, ali mogu da budu znatno smanjeni prisustvom defekata i necistoca. Dielektricni tanki slojevi se koriste za izradu velikog broja komponenata elektronskih uredaja. Za primenu je potrebno da njihova kristalna struktura bude amorfha ili kvazi-amorfna. Polikristalni slojevi su losi dielektrici, dok se monokristalni slojevi izolacionih materijala veoma tesko deponuju.

no

Tipifine vrednosti 1000 cm2/Vs, daju vr< poluprovodniku X s 20

Za sloj eve debljim poluprovodnika utice i nje od talasne duzine e zauzimaju kvazi-diskn vodnickih tankoslojnih i dr.) kao i III-V grupe fotoprovodnosti, fotol cini ih privlacnim za la

c) Superprovodn vanja. Efekat nestajanjz otkriven je pocetkom o za Hg na kriticnoj temp u nauku: veliki projek zovao u Lajdenskoj sko makersschool) koja je tankoslojne sisteme, o derm, L.Cooper i J.Sch vu nagradu za fiziku ( ciste metale grupe I (m metali-Nb,Ta,V,W,& VGe, VGa).

Elektricne osobine tankih slojeva

b) Poluprovodnicki tanki slojevi su mnogo ispitivana oblast, ali je mehanizam njihove elektricne provodnosti malo poznat. Na elektricne osobine poluprovodnika od velikog uticaja je stanje na povrsini posto eiektricno polje prodire u zapreminu poluprovodnika i menja transportne fenomene elektrona. Srednja slobodna putanja elektrona u poluprovodniku je odredena koncentracijom slobodnih nosilaca naelektrisanja n0 (u komadnom materijalu n-tipa poluprovodnika) i njihovom pokretljivoscu u0 , =

hf 3 - -n

(6.10)

Tipicne vrednosti navedenih parametara n0=1018/cm3 i p.0= 1000 cnr/Vs, daju vrednost srednje slobodne putanje elektrona u poluprovodniku A, = 20 nm. Za slojeve debljine manje od 100 nm, na elektricnu provodnost poluprovodnika utice i tzv. kvantni efekat. Za debljine depozita manje od talasne duzine elektrona, elektronski nivoi u poluprovodniku zauzimaju kvazi-diskretna stanja /8/. Mogucnosti primene poluprovodnickih tankoslojnih sistema II-VI grape (CdS, CdSe, PbSe, PbTe i dr.) kao i III-V grape (GaAs, GaP, InAs, InSb i dr.) zbog znacajne fotoprovodnosti, fotoluminescencije i fotonaponskih karakteristika cini ih privlacnim za lasersku i mikrotalasnu tehnologiju. c) Superprovodni tankoslojni sistemi su novija oblast istrazivanja. Efekat nestajanja elektricnog otpora na niskim temperaturama otkriven je pocetkom ovoga veka (Kamerlingh Onnes, 1911. godina za Hg na kriticnoj temperaturi tecnog He). K. Ones je uveo novi stil u nauku: veliki projekti sa prakticnim resenjima. Projekte je realizovao u Lajdenskoj skoli za izradu instramenata (Leidse Instrumentmakersschool) koja je postala znacajna za razvoj Holandije 191. Za tankoslojne sisteme, objasnjenje na atomskom nivou dali su J.Bardenn, L.Cooper i J.Schrieffer (BCS teorija) sto im je donelo Nobelovu nagradu za fiziku (1972). Superprovodni materijali obuhvataju ciste metale grape I (meki metali - In, Pb, Sn i Al), grape II (tvrdi metali - Nb, Ta, V, W, Mo, Re), legure i jedinjenja (NbZr, NbTi, VTi, VGe, VGa). m

Fizika i tehnika tankih slojeva

Kriticna temperatura za superprovodne tankoslojne sisteme, uobicajeno je visa nego za ciste metale (nekoliko stepeni iznad apsolutne nule). Pri tome se kao kriticna temperatura oznacava vrednost na kojoj otpor pada na polovinu vrednosti otpora za dati materijal. Odsustvo rasejavanja elektrona na kriticnoj temperaturi u BCS teoriji objasnjeno je formiranjem elektronskog para sa suprotnim spinom na najnizoj energiji, kao i sa jednakim i suprotnim momentom usled privlacne elektron-fonon interakcije. Ipak, jos uvek teorija ne moze da objasni promenu TK saglasno sa eksperimentalnim rezultatima. Jedinstvene elektromagnetne osobine superprovodnih materijala omogucavaju njihovu brojnu primenu kao: prekidaca, radijacionih detektora, jakih magneta i memorijskih uredaja /10/. Najveci nedostatak mogucih primena je nedovoljno poznavanje strukturnih osobina superprovodnih slojeva. Ravna geometrija paralelne strukture sloja, nije dovoljna da objasni mnoge eksperimentalne rezultate. Cine se veliki napori da bi se upoznale osobine tankih slojeva i prevlaka ovih materijala.

U jednacini su pT - spec otpor na 273 K, dokjet ra se specifican otpor j poznata je i legura kod 1 tna (legura konstantana materijale, vrednost sp< temperaturom,

pri cemu su koeficijenti temperatura u K.

DC

6.4. ELEKTRICNI OTPOR TANKOSLOJNIH SISTEMA Na osnovu Ohm-ovog zakona, elektricni otpor metalnog provodnika odreden je razlikom potencyala na krajevima provodnika i intenzitetom struje koja kroz njega protice . Elektricni otpor provodnika je upravo proporcionalan duzini provodnika 1, obrnuto proporcionalan povrsini preseka S, a zavisi i od vrste materijala. R = pHS

(6.11)

Specifican otpor p predstavlja karakteristiku za dati materijal, a za ciste metale njegova vrednost raste sa porastom temperature. PT=Po(1

112

(6.12)

Elektricni otpor ta prikazane na slici 6.2 -1

Za uzorak kvadratnog nezavisno-od velicine se ,,slojna otpornost".

Kako ova vrednost uzorka, izrazava se u Q/ uvek se izrazava pome

Elektricne osobine tankih slojeva

U jednacini su pT - specifican otpor na temperaturi T, p0 - specifican otpor na 273 K, dok je a - koeficijent proporcionalnosti. Kod legura se specifican otpor sporije menja sa promenom temperature, a poznata je i legura kod koje je vrednost specificnog otpora konstantna (legura konstantana: 55% Cu i 45% Ni). Za poluprovodnicke materijale, vrednost specificnog otpora eksponencijalno opada sa temperarurom, p T =Aexp(xT)

(6.13)

pri cemu su koeficijenti % - karakteristika prirode materijala i T temperatura u K.

SI. 6.2. Definisanje slojne otpornosti.

Elektricni otpor tankoslojnog materijala - cije su dimenzije prikazane na slici 6.2 - u pravcu paralelnom povrsini dat je sa:

pd

(6.14)

Za uzorak kvadratnog oblika (1 = p) otpor izabranog materijala nezavisno od velicine - je odreden samo debljinom depozita i naziva se ,,slojna otpornost". R R

~-

(6.15)

Kako ova vrednost ne zavisi od dimenzija povrsine kvadratnog uzorka, izrazava se u Q/D. Elektricni otpor tankoslojnih provodnika uvek se izrazava pomocu slojne otpornosti, a dobijena vrednost 113

Fizika i tehnika tankih slojeva

moze da se koristi i za preliminarne provere drugih karakteristika uzorka (debljine i hemijskog sastava).

Slojna otpornost odreduje se na osnovu i

6.4.1. Merenje slojne otpornosti Najprostiju metodu za merenje slojne otpornosti predstavlja Wheatston-ov most koji meri otpor materijala deponovanog kroz masku na cijim su krajevima napravljeni kontakti. Kada se izmerena otpornost podeli sa brojem kvadrata povrsine uzorka dobija se direktno trazena vrednost. Za primenu je pogodnija ,,metoda cetiri tacke". Metoda se koristi u dve geometry e: kolinearni raspored cetiri sonde i kvadratni raspored cetiri sonde. Vrh sonde koji se koristi za merenje u oba slucaja je reda 100 um. a) Kolinearni raspored. Metoda sa cetiri kolinearne sonde prikazana na slici 6.3a, je najcesce koriscena nietoda za merenje slojne otpornosti. Cetri sonde na medusobno jednakom rastojanju stavljaju se u kontakt sa uzorkom deponovanim na izolatorsku podlogu. Kroz dve spoljne sonde propusta se struja I, dok se na dve unutrasnje elektrode meri pad napona V.

Sonde

Za male debljine d<

sto za slojnu otpornost c

Za merenje otpora greska merenja ovom m skoj podlozi i oko 10% i nost.

b) Kvadratni rasj kada je pri merenju pc depozita odreduje se na

Uzorak

Teskocu pri merenj no je da uzorak bude pn uzorka uzima se srednji tome se za obe probe ko SI. 6.3. Merenje slojne otpornosti ,,metodom cetiri tacke": a) kolinearni raspored sondi i b) kvadratni raspored sondi.

114

Rezultati merenja v deponovanog materijala

Elektricne osobine tankih slojeva

Slojna otpornost depozita u kolinearnom rasporedu sondi odreduje se na osnovu izraza: (6.16) Za male debljine depozita jednacina ima oblik /I I/: P=

V dn Sn2

(6.17)

sto za slojnu otpornost daje vrednost: (6.18) Za merenje otpora se koriste male struje (uA - mA). Relativna greska merenja ovom metodom je oko 20% veca za sloj na izolatorskoj podlozi i oko 10% niza za sloj u sredini koja ima veliku provodnost. b) Kvadratni raspored sondi (slika 6.3b). Metoda se koristi kada je pri merenju potrebna velika rezolucija. Slojna otpornost depozita odreduje se na osnovu izraza /12/:

K..X.2.

v

1 In 2

1

s

(6.19)

Te§kocu pri merenju cini geometrijski oblik uzorka - neophodno je da uzorak bude pravilan kvadrat. Za vrednost slojne otpornosti uzorka uzima se srednja vrednost merenja pomocu dve probe. Pri tome se za obe probe koristi isti izvor struje. Rezultati merenja vrednosti slojne otpornosti u funkciji debljine deponovanog materijala prikazani su na slici 6.4.

115

Fizika i tehnika tankih slojeva

renih slojeva ekvivale difuzioni put na podlo povoljnijih polozaja i sloj a.

Eksperimentalne 1 koje su dobijene na osn toga sto je teorijska k kome ima manje cental 100

d (nm)

SI. 6.4. Promena slojne otpornosti tankog sloja Au u funkciji debljine sloja i uslova deponovanja: naparen sloj a) 0,05 nm/sec, b) 1 nm/sec, rasprasen sloj c) 0,05 nm/sec i d) teorijska kriva.

Dobijeni rezultati pokazuju da debljina sloja i uslovi deponovanja (brzina deponovanja i koriscena metoda) u najvecoj meri odreduju slojnu otpornost depozita. Pri malim debljinama deponovanog materijala slojna otpornost ima velike vrednosti. Sa porastom debljine depozita vrednosti naglo padaju do konstantne vrednosti, priblizavajuci se vrednosti komadnog uzorka. Brzo opadanje vrednosti otpora - eksponencijalni deo krivih - nastaje usled promene kristalne strukture depozita (iz ostrvske u kanalsku, do kontinualnog sloja). Dalje postepeno smanjivanje otpora - pravolinijski deo krive potice od porasta zrnovitosti deponovanog materijala i manjeg rasejanja elektrona na defektima. Sa porastom temperature izvora za naparavanje (sa 1100 na 1400 za Au), dakle sa porastom srednje brzine naparavanja, deponovani materijal lakse difunduje na podlozi. Kontinualni sloj se formira na manjim debljinama i vrednosti slojne otpornosti su manje. Pored toga, pri vecim brzinatna deponovanja manja je mogucnost adsorbcije rezidualnog gasa sto takode doprinosi smanjivanju vrednosti otpora. Sa dijagrama se moze videti da su vrednosti slojne otpornosti slojeva deponovanih rasprasivanjem manje od istih vrednosti napa-

116

6.4.2. Promene elekl slojeva u toku

Za primenu tankih vani materijal ima stab i temperaturskom inter vakuumu vrsi se odgre1 do 2/3 Ttopij - tempera pozitu otpustaju, krisfc postaje stabilan. Pri toi opada. Samo u specifu odgrevanju. Porast otp reakciji sa okruzujuco slojeva koji pri tome fc

Teorijska analiza smanjuje distorziju to ,,kombindvanog tipa", ju ovih defekata potreb energiju E, koja ima samodifuziju. Ako je r fekta ,,kombinovanog premine sa energijom otpora usled nesavrsen

Fizika i tehnika tankih slojeva

renih slojeva ekvivale difuzioni put na podlo povoljnijih polozaja i sloj a.

Eksperimentalne 1 koje su dobijene na osn toga sto je teorijska k kome ima manje cental 100

d (nm)

SI. 6.4. Promena slojne otpornosti tankog sloja Au u funkciji debljine sloja i uslova deponovanja: naparen sloj a) 0,05 nm/sec, b) 1 nm/sec, rasprasen sloj c) 0,05 nm/sec i d) teorijska kriva.

Dobijeni rezultati pokazuju da debljina sloja i uslovi deponovanja (brzina deponovanja i koriscena metoda) u najvecoj meri odreduju slojnu otpornost depozita. Pri malim debljinama deponovanog materijala slojna otpornost ima velike vrednosti. Sa porastom debljine depozita vrednosti naglo padaju do konstantne vrednosti, priblizavajuci se vrednosti komadnog uzorka. Brzo opadanje vrednosti otpora - eksponencijalni deo krivih - nastaje usled promene kristalne strukture depozita (iz ostrvske u kanalsku, do kontinualnog sloja). Dalje postepeno smanjivanje otpora - pravolinijski deo krive potice od porasta zrnovitosti deponovanog materijala i manjeg rasejanja elektrona na defektima. Sa porastom temperature izvora za naparavanje (sa 1100 na 1400 za Au), dakle sa porastom srednje brzine naparavanja, deponovani materijal lakse difunduje na podlozi. Kontinualni sloj se formira na manjim debljinama i vrednosti slojne otpornosti su manje. Pored toga, pri vecim brzinatna deponovanja manja je mogucnost adsorbcije rezidualnog gasa sto takode doprinosi smanjivanju vrednosti otpora. Sa dijagrama se moze videti da su vrednosti slojne otpornosti slojeva deponovanih rasprasivanjem manje od istih vrednosti napa-

116

6.4.2. Promene elekl slojeva u toku

Za primenu tankih vani materijal ima stab i temperaturskom inter vakuumu vrsi se odgre1 do 2/3 Ttopij - tempera pozitu otpustaju, krisfc postaje stabilan. Pri toi opada. Samo u specifu odgrevanju. Porast otp reakciji sa okruzujuco slojeva koji pri tome fc

Teorijska analiza smanjuje distorziju to ,,kombindvanog tipa", ju ovih defekata potreb energiju E, koja ima samodifuziju. Ako je r fekta ,,kombinovanog premine sa energijom otpora usled nesavrsen

Elektricne osobine tankih slojeva

renih slojeva ekvivalentne debljine. Raspraseni atomi imaju duzi difiizioni put na podlozi, sto im omogucava zauzimanje energetski povoljnijih polozaja i vecu uredenost kristalne strukture pri rastu sloja. Eksperimentalne vrednosti slojne otpornosti vece su od onih koje su dobijene na osnovu teorijskih razmatranja. Razlike poticu pd toga sto je teorijska kriva izvedena za monokristalni tanak sloj u kome ima manje centara za rasejavanje elektrona.

6.4.2. Promene elektricnog otpora tankih slojeva u toku odgrevanja Za primenu tankih slojeva i prevlaka, neophodno je da deponovani materijal ima stabilne karakteristike u odredenom vremenskom i temperaturskom intervalu. Stabilizacija materijala deponovanog u vakuumu vrsi se odgrevanjem na predhodno odredenoj ->• ne visokoj, do 2/3 Ttop|j - temperaturi. Odgrevanjem se defekti formirani u depozitu otpustaju, kristalna struktura se sreduje i tankoslojni sistem postaje stabilan. Pri tome je uoceno da elektricni otpor tankog sloja opada. Samo u specificnom slucaju otpornost tankog sloja raste pri odgrevanju. Porast otpora nastaje pri oksidaciji depozita, hemijskoj reakciji sa okruzujucom atmosferom i aglomeraciji veoma tankih slojeva koji pri tome formiraju ostrvsku strukturu /13/. Teorijska analiza anihilacije defekata u toku odgrevanja, koja smanjuje distorziju kristalne resetke, zasnovana je na defektima ,,kombinovanog tipa", vakancija - intersticijal /14/. Za rekombinaciju ovih defekata potrebno je kristalnoj fesetki dovesti karakteristicnu energiju E, koja ima vrednost od nule do aktivacione energije za samodifuziju. Ako je r(E) otpor usled prisustva jedne distorzije defekta ,,kombinovanog tipa", a N(E)AE broj distorzija u jedinici zapremine sa energijom raspada izmedu E i E+AE ukupno povecanje otpora usled nesavrsenosti kristala definisano je sa: 117

Fizika i tehnika tankih slojeva +00

Pi=

(6.20)

Jr(E)N(E)dE

15

Usled otpustanja defekata u toku odgrevanja vrednost p; se menja. Opsta teorija za anihilaciju defekata obuhvata delimicno i analizu koja se koristi za tankoslojne sisteme /15/. Eksperimentalne vrednosti za promenu elektricnog otpora tankih slojeva, pokazuju samo opstu saglasnost sa teorijom. Pored vakantnih mesta i intersticijskih atoma, u deponovanom sloju se formiraju: dislokacije (1010 linija/cm2), mikrodvojnici i nakupine okludovanog gasa. U toku odgrevanja ovi defekti iscezavaju razlicitim brzinama. Pri tome se promena elektricnog otpora usled iscezavanja svih navedenih defekata moze da predstavi krivom na slici 6.5.

10

Promene otpora tankih sloje temperature odgrevanja i b) v

Rezultati pokazuju debljinama vecim od 30 (slika 6.6a). Nagib pravi nja, opada u funkciji det zuje znacajne promene otpora potice od smanjiv

220

230

240

250

260

270

280

290

300 T (K)

SI. 6.5.

Promena slojne otpornosti naparenih tankih slojeva Au sa temperaturom odgrevanja

Na velicinu ispitanih promena otpora znatno uticu debljina deponovanog sloja, a zatim vreme i temperatura odgrevanja /16/. Na slici 6.6 prikazane su vrednosti promene slojne otpornosti tankih slojeva Au deponovanih rasprasivanjem. 118

Pri odgrevanju dep< elektricnog otpora su lin promena otpora pokazuji 6.4.3. Temperaturski

Od dva osnovna vr interakcija se menja sa t< tva defekata pri porastu i nosti temperaturskog ko pokazuju jako izrazenu TCR za manje debljine povrsina. Vrednosti TCE

Elektricne osobine tankih slojeva

AR(Q) 0.8 15

0.7 0.6

&R • R0 - R

0.5

10

0.4 0.3 0.2 0.1

1OO

20O

3OO

T( ° C j

10'

a

SI. 6.6. Promene otpora tankih slojeva Au deponovanog rasprasivanjem u funkciji: a) temperature odgrevanja i b) vremena odgrevanja.

Rezultati pokazuju da je sredlvanje kristalne strukture - pri debljinama vecim od 30 nm - eflkasnije za slojeve manjih debljina (slika 6.6a). Nagib pravih sa porastom logaritma vremena odgrevanja, opada u funkciji debljine. Kako stmkturno ispitivanje ne pokazuje znacajne promene velicine kristalita, to znaci da smanjivanje otpora police od smanjivanja koncentracije defekata u depozitu. Pri odgrevanju depozita pri niskim temperaturama promene elektricnog otpora su linearna funkcija temperature. Vece vrednosti promena otpora pokazuju slojevi deponovani naparavanjem.

6.4.3. Temperaturski koeflcijent otpora Od dva osnovna izvora otpora u kristalu prvi, elektron-fonon interakcija se menja sa temperaturom. Promena otpora usled prisustva defekata pri porastu temperature je mala. Eksperimentalne vrednosti temperaturskog koeflcijenta otpora (TCR, jednacina 6.7, otT) pokazuju jako izrazenu zavisnost od debljine depozita. Promene TCR za manje debljine poticu i od rasejanja elektrona sa granicnih povrsina. Vrednosti TCR definisane su sa /17/: 119

Fizika i tehnika tankih slojeva

/!_ )[}~l , za d / A, » 1 8d ^ P

f 1 + 3X (XTQ 1 O — (XT' 1

ctTS

i I' = aT{ In- +0,4228 f , d

(6.21)

zad/A.«l

elektricnih osobinaje komponenata elektro integrisanih kola. Ovi komponenata, usteda maske i moguce nakr snopom.

Vrednosti promeneTCR za tanke slojeve Au prikazane su na slici 6.7.

6.5. LITERATURE —7T\

:;

Fizika i tehnika tankih slojeva

Za merenje refleksij trofotometri sa Ulbrihto\

tove sfere do detektora d

SI. 8.2. Sematski prikaz: a) idealne ogledalske refleksije, b) idealne difuzne refleksije, c) ukupne refleksije

Ogledalska refleksija je u vecoj ill manjoj meri prisutna na svim povrsinama koje predstavljaju granicu razlicitih faza. Dominantna je kod glatkih pravilnih povrsina kao sto su povrsine aluminijuma, srebra, stakla ltd. Pod glatkom povrsinom podrazumeva se povrsina cije su neravnine manje od talasne duzine upadne svetlosti. Difuzna refleksija se javlja na mat povrsinama. Pod mat povrsinom podrazumevaju se povrsine koje imaju zrnastu strukturu kao sto su praskasti materijali, tekstilna tkanina, papir itd. Kod idealnih mat povrsina intenzitet difuzno reflektovane svetlosti isti je u svim pravcima i ne zavisi od upadnog ugla. Rasejanje svetlosti sa mat povrsina karakterise se koeficijentom rasejanja (s) koji zavisi od velicine i oblika zrna koja sacinjavaju mat povrsinu, gustine njihovog pakovanja, indeksa prelamanja i talasne duzine upadne svetlosti. Usled rasejanja intenzitet upadne svetlosti eksponencijalno opada prema sledecoj relaciji: -sd

(8.36)

gde je I0 - intenzitet upadne svetlosti, I - intenzitet svetlosti na dubini d, a s - koeficijent rasejanja. Zbir ogledalske i difuzne refleksije predstavlja ukupnu ili slozenu refleksiju /17/. 146

Sematski prikaz puta svet detektora: 1) oscilirajuce pada na referentnu plodici otvor, 7) otvor koji se kori

Princip rada spektn u sledecem:

- svetlosni zraci pr se prekidaju sa fi - po izlasku iz moi ono ogledalo koj 180° oko vertiks skrece monohror - posle visestruke na detektor, gde jacavacu; - signal sa uzoral plocice i kao rezi od talasne duzim

Opticke karakteristike tankoslojnih materijala

Za merenje refleksije sa optickih tankih slojeva koriste se spektrofotometri sa Ulbrihtovom sferom. Sematski prikaz puta svetlosnog zraka od izvora preko Ulbrihtove sfere do detektora dat je na slici 8.3.

SI. 8.3. Sematski prikaz puta svetlosnog zraka od izvora preko Ulbrihtove sfere do detektora: 1) oscilirajuce ogledalo, 2) zrak upucen na uzorak, 3) zrak koji pada na referentnu plocicu, 4) integraciona sfera, 5) ulazni otvor, 6) izlazni otvor, 7) otvor koji se koristi pri fluorescentnim merenjima, 8) detektor

Princip rada spektrofotometra sa Ulbrihtovom sferom sastoji se u sledecem: svetlosni zraci pre prolaska kroz monohromator kontinuirano se prekidaju sa frekvencijom od 400 Hz; - po izlasku iz monohromatora svetlosni zraci padaju na rotaciono ogledalo koje se okrene 12,5 puta u sekundi za ugao od 180° oko vertikalne ose. Na taj nacin ogledalo naizmenicno skrece monohromatski snop ka uzorku i referentnoj plocici; posle visestruke refleksije u unutrasnjosti sfere, zraci padaju na detektor, gde se javlja signal koji se pojacava na predpojacavacu; signal sa uzoraka uporeduje se sa signalom sa referentne plocice i kao rezultat dobija se refleksioni spektar u zavisnosti od talasne duzine upadnog zracenja. 147

Fizika i tehnika tankih slojeva

Sematski prikaz Ulbrihtove sfere dat je na slici 8.4.

8.3. REFLEKSIJA S^

Jednostruki opticki manja n, koeficijentom a nom nd. Opticki tanak s manja np i granici se sa v Svetlost koja pada jednacinom talasnog krel S

gdeje A-amplituda svel

Sematski prikaz pro na slici 8.5. SI. 8.4. Sematski prikaz Ulbrihtove sfere: 1) zrak za uzorak, 2) referentni zrak, 3) nosac kiveta, 4) otvor za ogledalski zrak, 5) referentna ploCica, 6) uzorak

Pomo6u spektrofotometra sa Ulbrihtovom sferom moguce je izvrsiti merenje ukupne i difuzne refleksije, dok se ogledalska refleksija dobija oduzimanjem spektara ukupne i difuzne refleksije. Merenje ukupne refleksije vrsi se kada je zastor 4 spusten, a merenje difuzne refleksije kada je zastor 4 na slici 8.4 podignut. U oblasti spektra od 200-350 nm kao izvor zracenja koristi se Hg lampa, a od 350-2500 nm koristi se volframova lampa. Detekcija reflektovanog zracenja u oblasti 350-750 nm vrsi se pomocu fotomultiplikatora, a u oblasti od 750-2500 nm pomocu PbS detektora

148

Sematski prikaz [

Zbog male opticke d svetlosti na granicnim po' koji prolazi kroz granicni sa granicne povrsine n/n interferirao sa novim upa nosti faze talasa koji ne it

Opticke karakteristike tankoslojnih materijala

8.3. REFLEKSIJA SA TANKOG SLOJA Jednostruki opticki tanak sloj karakterise se indeksom prelamanja n, koeficijentom apsorpcije k, debljinom d i optickom debljinom nd. Opticki tanak sloj se nalazi na podlozi sa indeksom prelamanja np i granici se sa vazduhom indeksa prelamanja n0. Svetlost koja pada na opticki tanak sloj moze se predstaviti jednacinom talasnog kretanja: S = A cos—nd

(8.37)

A 271

gde je A- amplituda svetlosnog talasa, a A = — nd - njegova faza. A,

Sematski prikaz prolaza svetlosti kroz opticki tanak sloj dat je na slici 8.5.

•K.

SI. 8.5. Sematski prikaz prolaza svetlosti kroz opticki tanak sloj

Zbog male opticke debljine tankog sloja dolazi do interferencije svetlosti na granicnim povrsinama n0/n i n/np. Faza svetlosnog talasa koji prolazi kroz granicni sloj n0/n, zatim kroz sloj n i reflektuje se sa granicne povrsine n/np, da bi na drugoj granicnoj povrsini n/n0 interferirao sa no vim upadnim talasom, jednaka je dvostrukoj vrednosti faze talasa koji ne interferira: 149

Fizika i tehnika tankih slojeva

AA = — nd A

(8.38)

Amplitudni koeficijenti reflektovanog i propustenog talasa mogu se izracunati pomocu sledecih Frenelovih izraza: rk-i,k

_ nk-i ~ n k - —nk_,+nk

T k-i,k

2n k-l nk_j+nk

=

(8.39)

Amplitudni koeficijenti refleksije r ](2 i r2>3 za slucaj prikazan na slici 8.5, dati su sledecim izrazima: n-n r

ru-n n

r2,3

=

471

+ r 23 cos

r,3 =

, nd

A, 471

(8.41)

r 12 r 23 cos—nd A

Kvadriranjem (8.41) dobija se refleksija sa jednostrukog optickog tankog sloja: r!2 + r23

i

2 2 - ,

cos

471

(8.42)

1 + rfarfc + 2r,2r23 cos— nd Izraz (8.42) ima ekstremnu vrednost kada je faza jednaka kn, odnosno kada je nd=A/4. Ukoliko je n > np, R = Rmax za nd = (2k+l)M4 i R = Rmin za nd = A/2. Za n < np, R = Rmin za nd = (2k+l)A/2,gdejek=l,2,3... Zamenom cos2 A = 1 u (8.42) za ekstremnu vrednost refleksije dobija se sledeci izraz: 150

Na osnovu (8.44) s< nuli (Re= 0) kada je ispu

(8.40)

U slucaju kada nema apsorpcije svetlosti, amplitudni koeficijent refleksije TI 3 se izracunava pomocu sledeceg izraza: r!2

Zamenom (8.40 je dobija se:

8.4. ODREDIVANJE TANKIH SLOJE

U pogledu vredno duzina 200 nm < A < 2f se mogu podeliti na: nis 1,7 < n < 1,9 i visokoind

U niskoindeksne im U srednjeindeksne NdF3,1203 i SiO.

U visokoindeksne rr TiO2 i HfO2.

U oblasti A > 3 |im, njeindeksni 2 < n < 3 i v

a) Spektrofotometi fleksije za n > np ili min prelamanja n tankog sloji

Kvadriranjem (8.44]

n 4 (R e -l) + n:

Opticke karakteristike tankoslojnih materijala

r12 -r23 "•e ~"

(8.43)

Zamenom (8.40) u (8.43) za ekstremnu vrednost refleksije dobija se: R., =

n 2 -n r n +n r

(8.44)

Na osnovu (8.44) se vidi da je refleksija sa tankog slojajednaka null (Re= 0) kada je ispunjen uslov da je n = np'/2 1191.

8.4. ODREDIVANJE INDEKSA PRELAMANJA TANKIH SLOJEVA U pogledu vrednosti indeksa prelamanja u oblasti talasnih duzina 200 nm < A, < 2500 nm, materijali za opticke tanke slojeve se mogu podeliti na: niskoindeksne sa n < 1,7, srednjeindeksne sa 1,7 < n < 1,9 i visokoindeksne san> 1,9. U niskoindeksne materijale spadaju: MgF2, SiO2 i Na3AlF6. U srednjeindeksne materijale spadaju: A12O3, CeF3, LaF3, NdF3,12O3 i SiO. U visokoindeksne materijale spadaju: ZrO2, Ta2C>5, ZnS, CeO2, TiO2 i Hf02. U oblasti K>3 (am, niskoindeksni materijali imaju n < 2, srednjeindeksni 2 < n < 3 i visokoindeksni n > 3. a) Spektrofotometrijska metoda. Merenjem maksimuma refleksije za n > np ili minimuma za n < np moze da se odredi indeks prelamanja n tankog sloja. Kvadriranjem (8.44) dobija se bikvadratna jednacina po n: n4(Re - 1) + n2 (Re + 1) np + np2 (Re - 1) = 0

(8.45) 151

Fizika i tehnika tankih slojeva

Resavanjem ove jednacine za n se dobija:

Na osnovu (8.50) (8.46)

(8.47) Izraz (8.46) se odnosi na sloj koji se nalazi na niskoindeksnoj podlozi (n > np1/2), a (8.47) na sloj na visokoindeksnoj podlozi (n < np1/2). Kriterijum za odredivanje da li je podloga niskoindeksna ili visokoindeksna proizilazi iz uslova za nultu refleksiju n = np1/2. Za n > n.,1/2 podloga je niskoindeksna, a za n < np1/2 podloga je visokoindeksna. Imajuci u vidu da se pri spektrofotometrijskim merenjima registruje refleksija i sa druge povrsine podloge na kojoj se ne nalazi sloj, potrebno je izvrsiti korekciju izracunatih ekstremnih vrednosti refleksije Re u odnosu na izmerenu vrednost refleksije. Refleksija sa granice np/n0 jednaka je:

n0+np

gde je Rm - ekstremna racunskim putem pome

Zamenom (8.51) v manja podloge (np) i < odrediti indeks prelaim

U slucaju kada se (n > np1/2) indeks prel; sledeceg izraza:

n= 1+

R m -R

[ + RmRp-

U slucaju kada se (n < np'/2) indeks prel sledeceg izraza:

(8.48)

Rm-R

RraRp-

Izmerena refleksija Rm iznosi: (8.49) 1-RpRe

gde je Re - ekstremna vrednost refleksije, Rp - refleksija na granici podloga/vazduh, Te = 1 - R e - ekstremna vrednost transmisije. U odsustvu apsorpcije zamenom Te = 1 - Re u (8.49) dobija se: (8.50)

Rm=Re + RpRe 152

R.

Kadajen = np1/2, F metode za odredivanje zato sto je tesko utvrdi gresaka merenja, ili si prelamanja materijala t

Greska spektrofot* tankog sloj a zavisi od manja podloge i apso tankog sloj a na podlo/

Opticke karakteristike tankoslojnih materijala

Na osnovu (8.50) sledi: l + R m R p -2R p

(8.51)

gde je Rm - ekstremna vrednost krive refleksije, a Re i Rp se dobijaju racunskim putem pomocu (8.44) i (8.48). Zamenom (8.51) u (8.46) i (8.47), uz poznavanje indeksa prelamanja podloge (np) i ekstremne vrednosti refleksije (Re), moze se odrediti indeks prelamanja tankog sloja n. U slucaju kada se tanak sloj nalazi na niskoindeksnoj podlozi (n>n p ' /2 ) indeks prelamanja tankog sloja se izracunava pomocu sledeceg izraza:

n= 1+

R m -R P RmRp

2R r

l+RmRp-2Rp

(8.52)

U slucaju kada se tanak sloj nalazi na visokoindeksnoj podlozi (n < npl/2) indeks prelamanja tankog sloja se izracunava pomocu sledeceg izraza:

1-

l+RmRp-2Rp

1 —• l+RmRp-2Rp

(8.53)

Kada je n = np172, Re = 0, Rm = Rp, primena spektrofotometrijske metode za odredivanje indeksa prelamanja tankog sloja nije moguca zato sto je tesko utvrditi da li mala odstupanja Rm od Rp poticu od gresaka merenja, ili su uslovljena razlicitom disperzijom indeksa prelamanja materijala tankog sloja ili materijala podloge. Greska spektrofotometrijskog odredivanja indeksa prelamanja tankog sloja zavisi od apsolutne greske odredivanja indeksa prelamanja podloge i apsolutne greske ekstremne vrednosti refleksije tankog sloja na podlozi. Pomocu refraktometrijske metode indeks 153

Fizika i tehnika tankih slojeva

prelamanja podloge moze da se odredi sa tacnoscu ± 5-10"5. Mala apsolutna greska indeksa prelamanja podloge dovodi do male promene u odredivanju refleksije sa podloge Rp. Na osnovu ovoga moze se zakljuciti da greska spektrofotometrijske metode odredivanja indeksa prelamanja tankog sloja u maloj meri zavisi od greske odredivanja indeksa prelamanja podloge, a da prvenstveno zavisi od apsolutne greske merenja refleksije (Rm) i odredivanja refleksije podloge (Rp) /20/.

gde je rp - amplitudni svetlosti u odnosu na uj leksije normalno polari

Sematski prikaz R je na slici 8.6.

b) Elipsometrija. Elipsometrija je opticka metoda pomocu koje moze da se odredi indeks prelamanja i debljina tankih slojeva i prevlaka metala i njihovih oksida. Elipsometrija se zasniva na analizi stanja polarizovane svetlosti koja je reflektovana sa ispitivane povrsine. Po svojoj prirodi elipsometrija predstavlja refleksionu spektroskopiju, odnosno refleksionu polarimetriju. Prilikom teorijske analize elipsometrije polazi se od cinjenice da se elektricni vektor polarizovane svetlosti moze razloziti na dve komponente Ep i Es, koje osciluju u dva uzajamno normalna pravca. Upadna ravan odreduje se uzajamnim polozajem Ep i Es kornponenata u odnosu na uzorak. Usled refleksije upadne svetlosti na uzorku dolazi do promene fazne razlike i amplituda Ep i Es komponenata vektora elektricnog polja. Kao rezultat slaganja dve uzajamno normalne oscilacije sa istom frekvencom i razlikom u fazi i amplitudi dobija se elipticna oscilacija. Kod ove oscilacije vrh rezultujuceg vektora opisuje helikoidalu, cija projekcija na ortogonalnu ravan u odnosu na pravac prostiranja oscilacija predstavlja elipsu.

Sematski prikaz Rudolf R ja, 2) kutija za laser, 3) prizma, 6) polarizaciona depolarizator, 9) oslabljiv ka, 12) automatski telesk okular, 16) analizatorski n zistorski detektor, 19) 632 ma, 21) postolje za uzora V-vertikalno rasejano las

Kod elipsometrijskih merenja stanje polarizovane svetlosti posle refleksije odredeno je elipsometrijskim parametrima \\i i A, koji su povezani sa fizickim svojstvima ispitivanog uzorka. Parametar \|/ predstavlja relativnu promenu fazne razlike, a parametar A relativne promene amplitude dve uzajamno normalne komponente elektricnog polja nakon refleksije. Elipsometrijski parametri povezani su sa Frensnell-ovim amplitudnim koeficijentima refleksije preko sledece relacije:

Elipsometrijska m elipticno polarizovanor linearno polarizovana s snop po izlasku iz las sometra gde se linearnc svetlost zatim prolazi k obrazovanja cetvrttalas

154

Opticke karakteristike tankoslojnih materijala

(8.54)

P»• = — = tg\|/exp(iA)

gde je rp - amplitudni koeficijent refleksije paralelno polarizovane svetlosti u odnosu na upadnu ravan, a rs - amplitudni koeficijent refleksije normalno polarizovane svetlosti u odnosu na upadnu ravan. Sematski prikaz Rudolf Research Auto ELEF je na slici 8.6.

n

elipsometra dat

SI. 8.6. Sematski prikaz Rudolf Research Auto ELER~" elipsometra: 1) spoljasnja kutija, 2) kutija za laser, 3) laser, 4) otvor za laserski snop, 5) polarizaciona prizma, 6) polarizaciona apertura, 7) polarizacioni modul, 8) cetvrttalasni depolarizator, 9) oslabljivac snopa, 10) kolimacioni objektiv, 11) delilac zraka, 12) automatski teleskop, 13) izvor svetlosti, 14) okrugla apertura, 15) okular, 16)analizatorski modul, 17)elektricni izlaz sa detektora, 18) fototranzistorski detektor, 19) 632.8 nm interferencioni filter, 20) analizatorska prizma, 21) postolje za uzorak, 22) uzorak, I-upadni zrak, R-reflektovani zrak, V-vertikalno rasejano lasersko zracenje, A-zracenje svetlosnog izvora

Elipsometrijska merenja izvode se tako sto se uzorak obasjava elipticno polarizovanom laserskom svetloscu, a zatim se detektuje linearno poiarizovana svetlost koja se reflektuje sa uzorka. Laserski snop po izlasku iz lasera prolazi kroz polarizacionu prizmu elipsometra gde se linearno polarizuje. Linearno poiarizovana laserska svetlost zatim prolazi kroz cetvrttalasni depolarizator, gde dolazi do obrazovanja cetvrttalasne razlike izmedu dve uzajamno normaine 155

Fizika i tehnika tankih slojeva

komponente vektora elektricnog polja. Ovako obrazovana elipticno polarizovana laserska svetlost pada na uzorak. Posle refleksije sa uzorka elipticno polarizovana svetlost ponovo prelazi u linearno polarizovanu. Reflektovana svetlost sa uzorka pada na analizatorsku prizmu, koja se podesava tako da dolazi do slabljenja intenziteta svetlosti. Po izlasku iz analizatorske prizme, monohromatska svetlost prolazi kroz interferencioni filter i pada na elektricni detektor. Kod savremenih elipsometara se obrada elipsometrijskih parametara i|/ i A vrsi automatski po izboru odgovarajuceg kompjuterskog programa. Za elipsometrijska merenjapogodniji su uzorci sa sto je moguce manjom debljinom prevlake (d < 1 um) i planparalelnim osnovama /12.21/. 8.5. OPTICKE KARAKTERISTIKE NEKIH PODLOGA ZA OPTICKE TANKE SLOJEVE Opticki tanki slojevi se najcesce nanose na podloge od bor-silikatnih (Bk) i barijum-flint (BaF) stakala u vidu planparalelnih plocica, prizmi, sociva itd. Bor-silikatna stakla sastoje se od oksida bora, aluminijuma i silicijuma sa primesama Pb, Mg, Zn i Ca. Ucesce primesa u ukupnoj masi stakla ne prelazi 12 %.

Tab. 8.1. Fizick Bk-'

Fizicki osob

Gustina (g/cm3)

Tvrdoca po KNi (N/mm2)-103

Hidroliticka kla:

Otpornost na mi a x 107(K)

Koeficijent Iran:

Tab. 8.2. Spektralna Bk-

A,(nm) 404,66 435,84 479,99

Barijum-flint stakla sastoje se od oksida barijuma, olova i silicijuma sa primesama oksida cinka i kalcijuma. Ucesce primesa u ukupnoj masi stakla ne prelazi 5%.

486,13

Fizicko-hemijske osobine bor-silikatnog stakla Bk-7 i barijum-flint stakla BaF-4 date su u tabeli 8.1, a spektralna raspodela njihovog indeksa prelamanja u tabeli 8.2. Spektralna raspodela refleksije sa ovih stakala data je u tabeli 8.3.

643,85

Kao podloga za ispjtivanje optickih osobina tankih slojeva u 1C oblasti cesto se koristi CaF2 monokristal cije su fizicko-hemijske karakteristike date u tabeli 8.4, a indeks prelamanja i refleksija u tabeli 8.5./20/,

1060

156

546,07 587,56 656,27 706,52 1500

2000

Opticke karakteristike tankoslojnih materijala Tab. 8.1. Fizicko—hemijske karakteristike bor-silikatnog Bk-7 i barijum-flint BaF-4 stakla.

Tipstakla

Fizicko-hemijske osobine stakla

Bk-7

BaF-4

Gustina (g/cm3)

2,51

3,50

Tvrdoca po KNOOP-u (N/mm2)-103

5,20

4,00

Hidroliticka klasa

2

2

Otpornost na mrlje

0

0

a x 107 (K)

71

79

0,991

0,979

Koeficijent transmisije

Tab. 8.2. Spektralna raspodela indeksa prelamanja bor-silikatnog Bk-7 i barijum-flint BaF-stakla.

rt A, (nm) Bk-7

BaF-4

404,66

1,5302

1,6299

435,84

1,5266

1,6232

479,99

1,5228

1,6161

486,13

1,5223

1,6153

546,07

1,5187

1,6089

587,56

1,5168

1,6056

643,85

1,5147

1,6021

656,27

1,5143

1,6015

706,52

1,5997

1060

1,5129 ' 1,5073

1500

1,5039

1,5763

2000

1,5018

1,5714

1,5844

157

Fizika i tehnika tankih slojeva Tab. 8.3. Spektralna raspodela refleksije sa bor-silikatnog Bk-7 i barijum-flint BaF-4 stakla

Tab. 8.5. Spektralna ras monokristala kao pod

ii

X(nm)

- -- -

Bk-7

BaF-4

404,66

0,0841

0,1086

435,84

0,0832

0,1068

0,4047

479,99

0,0823

0,1052

0,5461

486,13

0,0821

0,1048

0,6563

546,07

0,0814

0,1032

0,961

587,56

0,0810

0,1025

1,1560

643,85

0,0804

0,1016

1,4416

656,27

0,0802 -- — 0,0798

._0,1014 _. . 0,1010

2,0343

1060

0,0787

0,0972

3,8306

1500

0,0778

4,7146

2000

0,0774

0,0952 ' 0,0941

706,52

X, (pm)

2,9566

5,3036 5,8932

Tab. 8.4. FiziSko-hemijske karakteristike CaF? monokristala kao podloge za opticke slojeve u 1C oblasti spektra.

6,4823 7,0718

Karakteristike

158

Molekulska tezina

70,08

Kristalna struktura

kubna

Gustina (g/cm3)

3,18

Tacka topljenja (K)

1433

Tacka kljucanja (K)

2773

Dielektricna konstanta

6,7

Mikrotvrdoca pri opterecenju 30g

1680

8.6. FIZICKO-HEM OPTICKE KAR

Tankoslojne A12O3 umskog naparavanja ill

Vakuumski naparen ste kao zastitni slojevi z

Opticke karakteristike tankoslojnih materijala

Tab. 8.5. Spektralna raspodela indeksa prelamanja i refleksije monokristala kao podloge za optiCke slojeve za 1C oblast spektra

A, (urn)

n

R

0,4047

1,4415

0,0633

0,5461

1,4349

0,0618

1,4325 _.... .....

0,613

0,961

1,4292

0,0605

1,1560

1,4280

0,0603

1,4416

1,4266

0,0599

2,0343

1,4237

0,0594

2,9566

1,4183

0,0581

3,8306

1,4112

0,0565

4,7146

1,4024

5,3036

1,3953

0,0547 -. _ 0,0529

5,8932

1,3872

0,0513

6,4823

1,3782

0,0494

7,0718

1,3680

0,0473

0,6563 "

~ ~

' " ~~

__ .

8.6. FIZICKO-HEMIJSKE I OPTICKE KARAKTERISTIKE Tankoslojne A12O3 prevlake mogu se formirati metodom vakuumskog naparavanja ili anodnom oksidacijom aluminijuma. Vakuumski napareni A12O3 slojevi u optickoj industry i se koriste kao zastitni slojevi za Ag ogledala i slicne namene.

159

I

Fizika i tehnika tankih slojeva

Porozni A12O3 slojevi formirani anodnom oksidacijom aluminijuma koriste se kao osnova za elektrohemijsko bojenje aluminijuma. Boja elektrohemijski obojenog anodno oksidovanog aluminijuma zavisi od sastava elektrolita za bojenje i uslova bojenja.

Tab. 8.7. Spektr

U tabeli 8.6 date su fizicko-hemijske karakterisitike A12O3, a u tabeli 8.7 data je spektralna raspodela indeksa prelamanja A12O3 /20/.

Tab. 8.6. Fizicko-hemijske karakteristike

Osobine materijala Molekulska tezina

A1203

101,94

Gustina (g/cm3)

3,97

Tip kristala

D63d

Jonski radijus

0,0512

Tvrdoca po Knoopu (N/mm2)- 1 03

13,7

Tacka topljenja (K)

2313

Tacka isparavanja (K)

3700

a x 102(za -30+70 °C)

5,8

Specificna toplota (J/mol K)-103 Dielektricna konstanta Tvrdoca po Mosu

0,753 8,6 9

8.7. LITERATURA

1. M. Born, E. Wolf, Pri

2. M. Balkanski ed., Op sterdam, 1990.

3. F. Abeles ed., Optica dam, 1972.

4. F. Wotten, Optical Pt 1972.

5. M. Prutton, Surface P 160

Opticke karakteristike tankoslojnih materijala

Tab. 8.7. Spektralna raspodela indeksa prelama

"k (nm)

n

400

1,738

500

1,706

600

1,672

700

1,654

800

1,639

900

1,632

1000

1,629

1100

1,627

1200

1,625

1300

1,623

1400

1,621

1500

1,619

8.7. LITERATURA 1. M. Born, E. Wolf, Principles of Optics, Pergamon Press, 1970. 2. M. Balkanski ed., Optical Properties of Solids, N. Holland P.C., Amsterdam, 1990. 3. F. Abeles ed., Optical Properties of Solids, N. Holland P.C., Amsterdam, 1972. 4. F. Wotten, Optical Properties of Solids, Academic Press, New York, 1972. 5. M. Prutton, Surface Physics, Oxford University Press, Oxford 1983. 161

Fizika i tehnika tankih slojeva

6. N. F. Mott, H. Jones, The Theory of the Properties of Metals and Alloys, Dover P. Inc., New York, 1958. 7. C. Kittel, Introduction to Solid State Physics, Wiley and Sons, New York, 1976. 8. J. M. Ziman, Principle of the Theory of Solids, C. U. Press, Cambridge, 1979. 9. G. Mass, R. E. Thun, Physics of Thin Films, v. 1, Academic Press, New York, 1963. 10. G. Mass, M. H. Francombe, R. W. Hoffman, Physics of Thin Films, v. 8, Academic Press, New York, 1975. 11. G. Kortum, Reflectance Spectroscopy, Springer Verlag, Berlin, 1969. 12. E. D. Palik ed., Handbook of Optical Constans of Solids, Academic Press, Inc., Orlando, 1985. 13. G. Mass, R. E. Thun, Physics of Thin Films, v. 2, Academic Press, New York, 1964. 14. A. Milojevic, Talasna optika, Zavod za izdavanje udzbenika SRS, Beograd, 1970. 15. M. Pajic, Osnovi fizike, Sveucilisna naklada Libera, Zagreb, 1983. 16. P. Delahay, C. W. Tobias, Advances in Electrochemistry and Electrochemical Engineering, v.9, Wiley and Sons, New York, 1973. 17. E. F. Trojillo, Model DK-a Ratio Recording Spectrophotometers, Beckman Instruments Inc., Fullerton, California, 1967. 18. R. B. Pettit, Optical Measurement Techniques Applied to Solar Selective Coatings, Sandia Laboratories, SAND-77-0421, 1977. 19. P. Vretenar, Osnovi tehnologije optickih elemenata, Sarajevo. 20. P. Vretenar, Disperzija indeksa loma tankoslojnih komponenata YAG-a, Doktorska disertacija, Sarajevo, 1981. 21. A. V. Rzanov, Osnovi elipsometrii, Nauka, Novosibirsk, 1979.

9. VRSTEOPT]

Opticki tanki sloje^ se najcesce koriste met vakuumu. U cilju elimi: tanki slojevi treba da irr po poprecnom preseku. cnih povrsina, opticki ta lelne ploce.

Podela optickih ta strukturu ili funkciju tar

U odnosu na materi mogu biti: odjednog materi od vise materijal;

U odnosu na optick - antirefleksione (2 ogledala (za pov delitelje svetlosti podrucja), uskopojasnefiltn ivicne filtre (za p dihroicne filtre (2 - neutralne filtre (; odsecajuce filtre apsorpcione (za toplotnu ili elekti polarizacione (z£ fazne izmenjivaa

Oznake za razlicite slid 9.1. 162

Vrste optickih tankih slojeva

9. VRSTE OPTICKIH TANKIH SLOJEVA Opticki tanki slojevi mogu se formirati na vise nacina od kojih se najcesce koriste metode naparavanja i rasprasivanja u visokom vakuumu. U cilju eliminisanja efekata rasejavanja svetlosti, opticki tanki slojevi treba da imaju uniformnu debljinu i da budu homogeni po poprecnom preseku. Zbog male debljine i planparalelnosti granicnih povrsina, opticki tanki slojevi se mogu posmatrati kao planparalelne ploce. Podela optickih tankih slojeva moze se izvrsiti u odnosu na strukturu ili funkciju tankog sloja. U odnosu na materijal od koga se formiraju opticki tanki slojevi mogu biti: od jednog materijala (homogeni), od vise materijala (nehomogeni). U odnosu na opticku funkciju tanki slojevi se mogu podeliti na: antirefleksione (za smanjenje refleksije), ogledala (za povecanje refleksije i usmeravanje svetlosti), delitelje svetlosti (za razdvajanje svetlosti u dva spektralna podrucja), uskopojasne filtre (za propustanje uske oblasti zracenja), ivicne filtre (za propustanje jednog spektralnog podrucja), dihroicne filtre (za blokiranje dela zracenja), neutralne filtre (za smanjenje intenziteta zracenja), odsecajuce filtre (za odsecanje dela spektra), - apsorpcione (za apsorpciju zracenja i njegovu konverziju u toplotnu ili elektricnu energiju i tsl.), polarizacione (za polarizaciju svetlosti), fazne izmenjivace (za faznu modulaciju svetlosti itd.) III. Oznake za razlicite tipove optickih tankih slojeva date su na slid 9.1. 163

Fizika i tehnika tankih slojeva

9.1. ANTIREFLEK

Antirefleksioni si nata na kojima se nalaz nose poboljsanju kontn

SI. 9.1. Oznake za razlicite tipove optickih tankih slojeva: 1) antirefleksioni slqj, 2) polurefleksioni sloj, 3) refleksioni sloj na prednjoj strani date povrsine, 4) refleksioni sloj na zadnjoj strani date povrsine, 5) specijalni opticki tanalc sloj, 6) opticki filter

Zahvaljujuci antire ja optickih uredaja. Izb i namene optickih ured sioni slojevi mogu biti ni). U pogledu hemijsk geni po poprecnom pr nanosenjem sloj a sa ir prelamanja podloge. U jednim sloj em, koriste s oblasti spektra postoji jeve, dok je u infracrve

a) Jednostruki an ne apsorbuje i na koj izracunati pomocu sled

Kod visestrukih slojeva, povecanjem podslojeva raste broj granicnih povrsina odredenih indeksima prelamanja slojeva rij/nj+i. Opticki tanki slojevi se odlikuju optickim, mehanickim i klimatskim karakteristikama koje zavise od njihovog sastava i funkcije u optickim sistemima. Postojanost optickih tankih slojeva na trenje i udar zavisi od njihovih mehanickih karakteristika. Adhezija optickih tankih slojeva zavisi od hemijske prirode materijala podloge, materijala od koga su napravljeni slojevi i tehnoloskih uslova njihovog formiranja. Za dugotrajnu upotrebu optickih tankih slojeva bitna je njihova postojanost na klimatske uticaje. Za ispitivanje postojanosti optickih tankih slojeva na klimatske uticaje (vlagu, slanu maglu, alkalne i kisele rastvore, toplotne udare itd.) koriste se odgovarajuce klima komore /1-8/.

164

gde je n0 - indeks pr podloge.

Ukoliko se na pod nja n, izracunavanje re mule:

Vrste optickih tankih slojeva

9.1. ANTIREFLEKSIONI SLOJEVI Antirefleksioni slojevi smanjuju refleksiju sa optickih elemenata na kojima se nalaze, stite opticke uredaje od ostecenja i doprinose poboljsanju kontrasta slike. Zahvaljujuci antirefleksionim slojevima povecava se transmisija optickih uredaja. Izbor antirefleksionih slojeva zavisi od kvaliteta i namene optickih uredaja i sistema. U pogledu strukture antirefleksioni slojevi mogu biti jednostruki, dvostruki ili visestruki (viseslojni). U pogledu hemijskog sastava mogu biti homogeni ili nehomogeni po poprecnom preseku sloja. Smanjenje refleksije se postize nanosenjem sloja sa indeksom prelamanja koji je nizi od indeksa prelamanja podloge. Ukoliko se smanjenje refleksije ne postigne sa jednim slojem, koriste se dva ili vise sloja. U ultravioletnoj i vidljivoj oblasti spektra postoji veliki izbor materijala za antirefleksione slojeve, dok je u infracrvenoj oblasti izbor materijala ogranicen. a) Jednostruki antirefleksioni sloj. Refleksija sa podloge koja ne apsorbuje i na koju pada svetlost pod uglom od 90°, moze se izracunati pomocu sledece formule: R=

(9.1) no+np

gde je n0 - indeks prelamanja vazduha, a np- indeks prelamanja podloge. Ukoliko se na podlogu nanese tanak sloj sa indeksom prelamanja n, izracunavanje refleksije se moze izvrsiti pomocu sledece formule: R=1

T = a 1 cos 2 5 1 +a 2 sin 2 5 1

! +a 4 sm 2 8 1

(9.2)

165

Fizika i tehnika tankih slojeva

gdeje ai=(n0-np)

a-> = n, -

a3=(n0+np)"

a4=

n, nonp

271

Sematski prikaz

5i = —nd

Materijali. Za formii koriste se materijali sa ind lamanja podloge. Ukoliko se stavi da je n\d- A./2, 3A72 ltd., 8 ima vrednosti 180°, 360° ltd., a formula (9.2) se svodi na formulu (9.1). Medutim za ^X/4, 3X/4, formula (9.2) dobija sledeci oblik:

Pregled vrednosti in jednostruke antirefleksior

Tab. 9.1. Prq podloga i ma

1o11p nl

+nonp

(9.3)

Izraz (9.3) ce imati najmanju vrednost ukoliko je n0< nj < np. Za nj = Jn 0 n p izraz (9.3)postajejednaknuli. Postojezavazduhn0=l, sledi da je Rm= 0 za nj = np1/2 . Na osnovu iznetog moze se zakljuciti da se jednostruki antirefleksioni sloj moze formirati od materijala sa indeksom prelamanja = n 1 7 2 i debljinom A,/4. U praksi je tesko naci materijal koji bi u potpunosti zadovoljio uslov n = n p 1 2 . Vecina materijala ima n > np 1/2 t a k o d a j e R > 0 /2,3/. Sematski prikaz jednostrukog antirefleksionog sloja dat je na slici 9.2.

indeks prelamanja podloge (np)

1,904

materijali

MgF,

indeks prelamanja materijala (n)

1,38

Za.formiranje jednc najcesce se koristi MgF2 mijske osobine. Kod poc formiranje antirefleksioni od MgF2. Zbog slabih m (Na3AlF6) se rede koristi

Spektralne krive ref dobijeni naparavanjem m na kron staklo, prikazane

166

Vrste optickih tankih slojeva

n,

staklo SI. 9.2. Sematski prikaz jednostrukog antirefleksionog sloja

Materijali. Za formiranje jednostrukih antirefleksionih slojeva koriste se materijali sa indeksom prelamanja manjim od indeksa prelamanja podloge. Pregled vrednosti indeksa prelamanja podloga i materijala za jednostruke antirefleksione slojeve dat je u tabeli 9.1 /4/.

Tab. 9.1. Pregled vrednosti indeksa prelamanja podloga i materijala za antirefleksione slojeve indeks prelamanja podloge (np)

1,904

2,074

1,849

1,883

2,045

materijali

MgF2

SiO2

Na3AlF6

LiF

CaF2

1,38

1,44

1,36

1,37

1,43

indeks prelamanja materijala (n)

1/2

Za.formiranje jednostrukih antirefleksionih slojeva na staklu najcesce se koristi MgF2 koji ima dobre klimatsko-mehanicke i hemijske osobine. Kod podloga sa indeksom prelamanja n p > 1,7 za formiranje antirefleksionih slojeva koristi se SiO2 koji je postojaniji od MgF2. Zbog slabih mehanickih osobina i higroskopnosti, kriolit (Na3AlF6) se rede koristi za jednostruke antirefleksione slojeve. Spektralne krive refleksija sa antirefleksionih slojeva koji su dobijeni naparavanjem materijala sa razlicitim indeksima prelamanja na kron staklo, prikazane su na slici 9.3 111, 167

Fizika i tehnika tankih slojeva

n, R « 2.8 2.4 2.0

Sematski prika

1.6

Refleksija sa dvostru nati pomocu sledece form

1.2 0.8 0.4

R,

0 0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

A, (jam) SI. 9.3. Spektralne krive refleksija sa antirefleksionih slojeva koji su dobijeni naparavanjem na kron staklo materijala sa razlicitim indeksima prelamanja (n =1,52): 1) n^l.430, 2) n,=l,384, 3) n,=l,330,4) ^=1,280, 5) n,=l,232

b) Dvostruki antirefleksioni sloj. U slucajevima kada se pomocu jednostrukog antirefleksionog sloja ne mogu dobiti dovoljno male vrednosti refleksije koriste se dvostruki ill visestruki antirefleksioni slojevi. Dvostruki antirefleksioni sloj sastoji se od dva sloja sa razlicitim vrednostima indeksa prelamanja. Formira se tako sto se na podlogu nanese sloj od visokoindeksnog materijala (\\\ np), a preko njega sloj od niskoindeksnog materijala (n2 < nj). Sloj od visokoindeksnog materijala se na podlogu nanosi u cilju ispunjenja uslova za nultu refleksiju n2 = ni 1/2 . Sematski prikaz dvostrukog antirefleksionog sloja dat je na slici 9.4.

168

gde je tip- indeks prelam od visokoindeksnog mat niskoindeksnog materijal

Na osnovu predhodn jednaka nuli kada je ispun

Na osnovu prethodn

U idealnom slucaju antirefleksionog sloja izm

gde je X0- talasna duzina

Ukupna opticka deb

Fizika i tehnika tankih slojeva

n, R « 2.8 2.4 2.0

Sematski prika

1.6

Refleksija sa dvostru nati pomocu sledece form

1.2 0.8 0.4

R,

0 0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

A, (jam) SI. 9.3. Spektralne krive refleksija sa antirefleksionih slojeva koji su dobijeni naparavanjem na kron staklo materijala sa razlicitim indeksima prelamanja (n =1,52): 1) n^l.430, 2) n,=l,384, 3) n,=l,330,4) ^=1,280, 5) n,=l,232

b) Dvostruki antirefleksioni sloj. U slucajevima kada se pomocu jednostrukog antirefleksionog sloja ne mogu dobiti dovoljno male vrednosti refleksije koriste se dvostruki ill visestruki antirefleksioni slojevi. Dvostruki antirefleksioni sloj sastoji se od dva sloja sa razlicitim vrednostima indeksa prelamanja. Formira se tako sto se na podlogu nanese sloj od visokoindeksnog materijala (\\\ np), a preko njega sloj od niskoindeksnog materijala (n2 < nj). Sloj od visokoindeksnog materijala se na podlogu nanosi u cilju ispunjenja uslova za nultu refleksiju n2 = ni 1/2 . Sematski prikaz dvostrukog antirefleksionog sloja dat je na slici 9.4.

168

gde je tip- indeks prelam od visokoindeksnog mat niskoindeksnog materijal

Na osnovu predhodn jednaka nuli kada je ispun

Na osnovu prethodn

U idealnom slucaju antirefleksionog sloja izm

gde je X0- talasna duzina

Ukupna opticka deb

Fizika i tehnika tankih slojeva

Materijali. Za formiranje dvostrukih antirefleksionih slojeva najcesce se koriste sledeci materijali: niskoindeksni - MgF2 ili SiO2 i visokoindeksni - TiO2, ZrO2, CeO2 i HfO2. Spektralna kriva refleksije sa dvostrukog antirefleksionog sloja prikazana je na slici 9.5 111.

n,

Sematski prika

4

Materijali. Trostruki deksnog + visokoindeksn X/4 + X/2 + X/4. Za izn koriste sledeci materijali: deksni - CeF3, LaF3, Nd 2,4),Ta205(n2 = 2,l),Zr(

3 2

Spektralna kriva refit data jena slici 9.7 /5/. 400

500

600

700

A,(nm) 4

SI. 9.5. Refleksija sa dvostrukog antirefleksionog sloja: n =1,51 (staklo), n,=l,70,n2=1.38

3 2

Zona minimuma refleksije kod dvostrukih antirefleksionih slojeva je relativno mala i iznosi oko 100 nm /3, 9/. c) Trostruki antirefleksioni sloj. Potreba za smanjenjem refleksije kod savremenih optickih uredaja koji rade u sirokoj oblasti spektra dovela je do formiranja trostrukih antirefleksionih slojeva. Pomocu trostrukih antirefleksionih slojeva postize se bolji minimum refleksije u zeljenom delu spektra u poredenju sa refleksijom sa jednostrukih i dvostrukih antirefleksionih slojeva. Sematski prikaz trostrukog antirefleksionog sloja dat je na slici 9.6. 170

!

400

Spektralna kriva refleki sionog sloja Al2O3+ZrC

Spektralne krive refle date su na slici 9.8 111.

Vrste optickih tankih slojeva d, d,

n,

staklo SI. 9.6. Sematski prikaz trostrukog antirefleksionog sloja

Materijali. Trostruki antirefleksioni sloj se sastoji od srednjeindeksnog + visokoindeksnog + niskoindeksnog materijala debljine A,/4 + ?t/2 + X/4. Za izradu trostrukih antirefleksionih slojeva se koriste sledeci materijali: niskoindeksni - MgF2 i SiO2, srednjeindeksni - CeF3, LaF3, NdF3, A12O3 i visokoindeksni - CeO2 (n2 = 2,4), Ta205 (n2 - 2,1), ZrO2 (n2 = 2,1), TiO2 (n2=2,4). Spektralna kriva refleksije sa trostrukog antirefleksionog sloja datajenaslici9.7 /5/.

400

500

600

700

X(nm) SI. 9.7. Spektralna kriva refleksije sa: 1) stakla, 2) trostrukog antirefleksionog sloja Al2O3+ZrO2+MgF2

Spektralne krive refleksije sa antirefleksionih slojeva na staklu date su na slici 9.8 111. 171

Fizika i tehnika tankih slojeva R 4

0

400

500

600 X (nm)

700

800

SI. 9.8. Spektralna kriva refleksije sa antirefleksionih slojeva na staklu: 1) staklo bez antirefleksionog sloja, 2) staklo sa jednim antirefleksionim slojem opticke debljine X/4 (MgF2), 3) staklo sa trostrukim antirefleksionim slojem opticke debljine X/4+A/2+X/4 (CeF3+Si02+MgF2)

Trostruki antirefleksioni slojevi se cesto koriste u optickoj industriji zbog dobrih spektralnih karakteristika, jednostavnosti kontrole nanosenja, visoke tvrdoce, dobre adhezije na supstratu, otpornosti na hemijske agense itd. d) Antirefleksioni slojevi za 1C oblast. Formiranje antirefleksionih slojeva za infracrvenu oblast je otezano zbog velike sirine spektralne oblasti u kojoj refleksija treba da ima malu vrednost, zbog ogranicenog izbora transparentnih materijala u ovoj oblasti, zbog izrazito visokog indeksa prelamanja podloge i velike debljine slojeva. U podrucju od 2-5 urn za antirefleksione slojeve koriste se sledeci materijali: SiO2 do 3,3 urn, TiO2 do 4,7 urn, A12O3 do 4,9 urn, I2O3 do 5,9 um i MgF2 do 5,3 um. Ovi materijali spadaju u postojane tako da se mogu koristiti i kao zastitni slojevi. U oblasti od 8-14 um opticki elementi su izradeni od Ge (n = 4) ili Si (n = 3,3). Za formiranje antirefleksionih slojeva na ovim

172

podlogama potrebni su manja. Kao visokoind PbTe sa n = 5,5 a kao r san = 2,4iCdTesan = tojani tako da se resenji indeksom prelamanja. paravanjem dva mater manja, pri cemu bi sast smanjenje gradijenta it sloja. Zadovoljavajuci kombinacija Ge/ThF4 i proizvodnji se izbegava za otezane klimatsko-rr klimatsko-mehanicke o sa konstantnim gradijen

Spektralna raspode duzine upadne svetlosti antirefleksione slojeve u

Tab. 9.2. Spektralna se koriste kao pod

Talasna duzina (um) 2,0 2,5

Ma

As2

3,5 4,0 4,5 5,0

2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4 2,4

8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0

2,3 2,3 2,3 2,37 2,36 2,35 2,34

3,0

Vrste optickih tankih slojeva

podlogama potrebni su materijali sa manjim i veci indeksom prelamanja. Kao visokoindeksni materijal za ovo podrucje se koristi PbTe sa n = 5,5 a kao niskoindeksni materijali ZnS sa n = 2,2, ZnSe sa n = 2,4 i CdTe sa n = 2,65. Medutim navedeni materijali su nepostojani tako da se resenje trazi u jednostrukom sloju sa promenjivim indeksom prelamanja. Ovo se moze postici istovremenim naparavanjem dva materijala sa niskim i visokim indeksom prelamanja, pri cemu bi sastav sloja trebao da bude takav da se postigne smanjenje gradijenta indeksa prelamanja od podloge ka povrsini sloja. Zadovoljavajuci rezultati mogu se dobiti pomocu sledecih kombinacija Ge/ThF4 ili Ge/Na3AlF6. Torijum je radioaktivan i u proizvodnji se izbegava. Kriolit je nepostojan tako da nije pogodan za otezane klimatsko—mehanicke uslove. Zadovoljavajuce opticke i klimatsko-mehanicke osobine pokazao je Ge/CdTe/CeF3+SiF2 sloj sa konstantnim gradijentom indeksa prelamanja. Spektralna raspodela indeksa prelamanja u zavisnosti od talasne duzine upadne svetlosti za materijale koji se koriste kao podloge za antirefleksione slojeve u 1C oblasti data je u tabeli 9.2 /4/. Tab. 9.2. Spektralna raspodela indeksa prelamanja materijala koji se koriste kao podloge za formiranje antirefleksionih slojeva

Materijali podloge i nji lovi indeksi prelamanja

Talasna duzina (nm)

AS2S3

2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 8,0 9,0 10,0 11,0 12,0 13,0 14,0

GaAs

Si

Ge

2,428 2,425 2,422 2,419 2,416 2,413

3,432 3,411 3,383 3,375 2,369 3,363 3,358

3,458 3,447 3,436 3,429 3,427 3,425 3,424

4,116 4,088 4,055 4,039 4,032 4,029 4,021

2,392 2,387 2,383 2,374 2,365 2,355 2,346

3,345 3,278 3,214 3,145 3,115 3,085 3,043

3,418 3,418 3,418 3,418 3,417 3,417 3,417

4,004 4,003 4,002 4,002 4,002 4,002 4,001

2,431

'

173

Fizika i tehnika tankih slojeva

Spektralna raspodela indeksa prelamanja materijala koji se koriste za formiranje antirefleksionih slojeva u podrucju od 2-5 um i od 8-11 urn data je u tabeli 9.3 /4/.

Spektralne krive tra manijum bez antirefleksii slojem date su na slici 9.£

Tab. 9.3. Spektralna raspodela indeksa prelamanja materijala koji se koriste za formiranje antirefleksionih slojeva A, [urn]

2,0

2,5

:

3,5

4,0

4,5

5,0

1,447

BaF2

1,453

CeF3

1,593 j 1,581

1,573

1,566

A1203

1,708

1,699

1,695

1,686

Y203

1,875 I 1,870

ZrO2

2,053 ! 2,050 |_ 2,047

ZnS

2,276

2,273 ' 2,270

ZnSe

2,446

2,443

CdTe

2,677 1 2,676

PbSe

1,451 1 1,449

1,864 i 1,858

:

1,444

1,443

1,555

1,549

1,541

1,677

1,671

1,665

1,846 | 1,835

1,823

1,446

2,044 j 2,041

2,037

2,035

2,268

2,265

2,264

2,262

2,438

2,435

2,432 : 2,429

2,427

2,675

2,674

2,673

2,672

2,671

4,572 ! 4,584 | 4,591

4,598 i4!614 i 4,675

4,726

PbTe

5,284

5,352

5,423

5,482

A, [um]

8,0

10,5

11,0

5,309 | 5,318

9,0

8,5

Materijali

ZnS ZnSe - - . -

1

9,5

5,387

10,0 1

2,222 1 2,209 ! 2,197 2,185 2,174 ! 2,166 - •j1 \-i 2,411 2,407 ! 2,403 2,398 2,419 \5 — _

2,161

:

- T"

2,394

CdTe

2,667 i 2,666 | 2,665

2,664 j 2,663 j 2,662

2,661

CdS

2,555 ; 2,248 i 2,242

2,235

2,210

2,184

PbF2

1,669

1,663

CaF2

1,355

1,329 ! 1,312

BaF2

1,418 I !'412

\: 1,654 . _ _ - I - . 1,405

40

20

Spektralne krive transmisij* trukim antirefleksionim slo /1-10/.

Indeks prelamanja

i

80 60

Indeks prelamanja

Materijali

174

3,0

1,297 j 1,285 1,394

1,398 ;

2,193

1,274

1,265

-

-

9.2. OGLEDALA

Ogledala su opticki zracenja. Glatke povrsine gu se smatrati ogledalnin

U vidljivoj oblasti s sa stepenom mikrohrapa1 ledala, a povrsine sa 8 > upadno zracenje.

Za formiranje ogledi refleksijom iznad 80%. optickog sistema i uloge nalazenja na optickim el

Vrste optickih tankih slojeva

Spektralne krive transmisije infracrvenog zracenja kroz germanijum bez antirefleksionog sloja i sa trostrukim antirefleksionim slojem date su na slici 9.9 191.

80 60 40 20

SI. 9.9. Spektralne krive transmisije: 1) za germanijum, 2) za germanijum sa trostrukim antirefleksionim slojem (MgF2+GeO2+Si)

/1-10/.

9.2. OGLEDALA Ogledala su opticki element! sa visokom refleksijom upadnog zracenja. Glatke povrsine sa stepenom mikrohrapavosti 6 « A, mogu se smatrati ogledalnim. U vidljivoj oblasti spektra elektromagnetnog zracenja povrsine sa stepenom mikrohrapavosti 5 < 10 nm reflektuju svetlost kao ogledala, a povrsine sa 5 > 10 nm nisu ogledalne jer difuzno reflektuju upadno zracenje. Za formiranje ogledala mogu se koristiti opticki tanki slojevi sa refleksijom iznad 80%. Karakteristike ogledala zavise od sastava optickog sistema i uloge ogledala u njemu. U zavisnosti od mesta nalazenja na optickim elementima ogledala mogu biti prednjestra175

Fizika i tehnika tankih slojeva

nicna ili zadnjestranicna. Prednjestranicna ogledala se obicno formiraju vakuumskim naparavanjem Al ili Ag na staklu ili nekoj drugoj podlozi. Zadnjestranicna ogledala se formiraju od Ag slojeva a zasticuju slojem bakra i zastitnim lakom. U pogledu materijala od koga su izradena ogledala se mogu podeliti na metalna, metalno-dielektricna i dielektricna.

vidljivom delu spektra ledala.

a) Al ogledala. Ah i optickih osobina cesto dala za UV, V i blisku ir

U odnosu na spektralnu oblast u kojoj se primenjuju ogledala se mogu podeliti na ogledala za ulravioletnu, vidljivu i infracrvenu oblast /4/.

U vidljivoj oblasti Duzim stajanjem na va tanak A12O3 oksidni sic zracenje, sto dovodi do

9.2.1. Metalna ogledala

Spektralna raspode cije i refleksije sa Al ogi

Prilikom upada svetlosti na metalnu povrsinu deo svetlosti se apsorbuje a deo reflektuje. Stepen apsorpcije i refleksije upadne svetlosti zavisi od prirode povrsine i stepena njene mikrohrapavosti. U toku apsorpcije svetlosti na metalu dolazi do pojave fotoefekta, meduzonskih prelaza elektrona i drugih efekata. Koeficijent refleksije metalne povrsine moze se izracunati pomocu sledece formule:

(9.8) Imajuci u vidu da je kod netransparentnih sredina A=1-R, apsorpcija se moze izracunati pomocu sledeceg izraza:

4n

A=

(9.9)

(n gde j e n - indeks prelamanja metala, n0 - indeks prelamanja okolne sredine, k - koeficijent apsorpcije metala. Usled oksidacije na povrsini metala dolazi do formiranja oksidnog sloja koji menja opticke karakteristike metala. U cilju sprecavanja oksidacije metalne povrsine se pokrivaju zastitnim dielektricnim slojevima. Zbog nepostojanosti u toku vremena i pojave difuzionih procesa izbor metalnih ogledala u UV i V oblasti je ogranicen. U 176

Tab. 9.4. Spektraln; apsor]

X nm 220 260 300 340 380 400 436 492 500 546 600 650 700 800 950 2000 4000 6000 8000 10000 12000

—

Vrste optickih tankih slojeva

vidljivom delu spektra visoku refleksiju imaju samo Al i Ag ogledala. a) Al ogledala. Aluminijum se zbog dobrih fizickih, hemijskih i optickih osobina cesto koristi za formiranje prednjestranicnih ogledala za UV, V i blisku infracrvenu oblast. U vidljivoj oblasti spektra refleksija aluminijuma je oko 90%. Duzim stajanjem na vazduhu na povrsini aluminijuma se formira tanak A12O3 oksidni sloj na kome se delimicno apsorbuje upadno zracenje, sto dovodi do smanjenja refleksije sa aluminijuma. Spektralna raspodela indeksa prelamanja, koeficijenta apsorpcije i refleksije sa Al ogledala data je u tabeli 9.4 141.

Tab. 9.4. Spektralna raspodela indeksa prelamanja, koeficijenta apsorpcije i refleksije sa Al ogledala

X

Aluminijum (Al)

nm

n

k

R%

220 260 300 340 380 400 436 492 500 546 600 650 700 800 950 2000 4000 6000 8000 10000 12000

0,14 0,19 0,25 0,31 0,37 — 0,47 0,64 — 0,82 — 1,30 1,55 1,99 1,75 2,30 5,97 11,0 17,0 25,4 —

2,35 2,85 3,33 3,80 4,25 — 4,84 5,50 — 5,99 — 7,11 7,00 7,05 8,50 16,5 30,3 42,4 55,0 67,3 _

91,8 92,0 92,1 92,3 92,6 — 92,7 92,2 — 91,6 — 90,7 88,8 86,4 91,2 96,8 97,5 97,7 98,0 98,0 —

177

Fizika i tehnika tankih slojeva

Al ogledala se formiraju vakuumskim naparavanjem aluminijuma na staklu. Naparavanje se vrsi pri pritisku reda 10~5 Pa. Uticaj pritiska i brzine naparavanja aluminijuma na refleksiju sa Al ogledala u UV oblasti prikazan je na slici 9.10 /10/.

80 60 40

80

80

60

60

40

40

20

20

20 0 80

Zavisnost refleksije Al o 1. Al 99,99%, 2. Al 99,5

0

80

120

160

200

80

120

160

200

X,(nm)

a)

b)

SI. 9.10. Zavisnost refleksije od pritiska i brzine naparavanja Al slojeva kod Al ogledala: a) p = 133,3-10-5 Pa, 1. 2s, 2. 55s, 3. 130s, b) p = 133,3-1(F Pa, 1. l-2s, 2. 55s, 3. 120s

Na slikama se vidi da prilikom smanjenja pritiska dolazi do povecanja refleksije i da sa povecanjem brzine naparavanja dolazi do smanjenja refleksije. Kvalitet Al ogledala zavisi od cistoce Al za naparavanje. Zavisnost refleksije Al ogledala od cistoce aluminijuma za naparavanje data jena slici 9.11 AO/.

178

Na slici se vidi da porastom cistoce alumin

Za zastitu Al oglec SiO slojevi. Naparavanj koja je zagrejana na 523 optickom i hemijskom p je Si2O3 koji se formirai zastitu Al ogledala pred elektronskog snopa.

Spektralne krive re Al ogledalo sa zastitnim

Vrste optickih tankih slojeva

80 60 40 20 0

80

120

160

200

SI. 9.11. Zavisnost refleksije Al ogledala od cistoce aluminijuma za naparavanje: 1. Al 99,99%, 2. Al 99,5% (primese - Cu, Fe, Si)

Na slici se vidi da se refleksija sa Al ogledala povecava sa porastom cistoce aluminijuma. Za zastitu Al ogledala se koriste MgF2, Si2O3, SiO2, A12O3 i SiO slojevi. Naparavanje MgF2 se vrsi iz Ta cancica na Al podlogu koja je zagrejana na 523-573 K. Ovaj sloj dobro stiti Al ogledalo u optickom i hemijskom pogledu. Najbolji zastitni sloj za Al ogledalo je Si2C>3 koji se formira naparavanjem SiO2 u struji kiseonika. Dobru zastitu Al ogledala predstavlja A12O3 sloj koji se naparava pomocu elektronskog snopa. Spektralne krive refleksije za Al ogledalo bez zastitnog sloj a i Al ogledalo sa zastitnim slojem date su.na slici 9.12 111.

179

Fizika i tehnika tankih slojeva

tickim karakteristikarr dustriji.

Spektralna raspi sorpcije i refleksije sa

Tab. 9.5. S

koeficijem

nm 400

500

600

700

800

SI. 9.12. Refleksija sa: 1. Al ogledala bez zaStitnog sloja, 2. Al ogledala sa zastitnim slojetn MgF2 + ZnS

b) Ag ogledala. Srebro se koristi za izradu zadnjestranicnih ogledala za UV i V oblast spektra. Srebro se naparava iz W ill Ta cancica pri pritisku od 10"3 Pa na podlogu koja se nalazi na sobnoj temperaturi. Na kvalitet Ag ogledala utice cistoca srebra za naparavanje, temperatura podloge i brzina naparavanja. Za dobijanje kvalitetnih Ag ogledala koristi se srebro cistoce 99,99%. Sa porastom temperature podloge i brzine naparavanja dolazi do povecanja Ag zrna u Ag sloju. Ovo dovodi do porasta apsorcije i do rasejavanja svetlosti na Ag sloju cime se smanjuje kvalitet ogledala. Optimalna brzina naparavanja Ag sloja je 8-10 nm/s. Zagrevanje formiranog Ag sloja vrsi se u visokom vakuumu na 623 K. Debljina sloja srebra kod Ag ogledala iznosi 200 nm. Kada se zahtevaju bolje meham'cke osobine Ag sloja podloga se zagreva do 393 K. Ukoliko je temperatura podloge veca od 393 K dolazi do razgradnje Ag sloja. Zbog mekoce sloj srebra je podlozan korozionim i mehanickim ostecenjima. Zastita Ag ogledala se vrsi pomocu Al, MgF2, SiO i Cu slojeva i zastitnog laka. Ukoliko se Ag ogledalo zastiti MgF2 ili SiO slojevima docice do smanjenja refleksije. Zahvaljujuci dobrim op180

220 260 300 340 380 400 436 492 500 546 600 650 700 800 950 2000 4000 6000 8000 10000 12000

c) Metalna og

metalna ogledala do Mo, W itd. na stakh

Spektralne kri\

Vrste optickih tankih slojeva

tickim karakteristikama Ag ogledala se cesto koriste u optickoj industriji. Spektralna raspodela indeksa prelamanja, koeficijenta apsorpcije i refleksije sa Ag ogledala data je u tabeli 9.5 /4/.

Tab. 9.5. Spektralna raspodela indeksa prelamanja, koeficijenta apsorpcije i refleksije sa Ag ogledala.

X nm 220 260 300 340 380 400 436 492 500 546 600 650 700 800 950 2000 4000 6000 8000 10000 12000

Srebro (Ag) n __ — — — — 0,75 — — 0,05 — 0,06 — 0,075 0,09 0,11 0,48 0,89 4,15 7,14 10,69 14,5

k

R%

— — — — 1,93 — — 2,87 — 3,75 — 4,62 5,45 6,56 14,4 28,7 42,6 56,1 69,0 81,4

— — — — 93,9 — — 97,9 — 98,4 — 98,7 98,8 98,9 99,0 99,1 99,1 99,1 99,1 99,2

c) Metalna ogledala za 1C oblast. U 1C oblasti se koriste metalna ogledala dobijena naparavanjem Al, Ag, Cu, Au, Rh, Cr, Ta, Mo, W itd. na staklu. Spektralne krive refleksije Al, Rh, Ag, Cu i Au ogledala za 1C oblast date su na sl.9.13 i 9.14 121. 181

Fizika i tehnika tankih slojeva

9.2.2. Metalno-diele!

80

Metalno-dielektricr ve i dielektricnih slojeva tip ogledala je staklo / ogledalo se formira terrr kla a zatim se iznad / MgF2 + TiO2 + SiO2 slq slid 9.15/I I/.

60 40

20

0,2

0,5

1

2

3

4

5

10

SI. 9.13. Spektralne krive refleksije za 1C ogledala dobijena naparavanjem Al i Rh na staklu. 96

94

80

92

60 •Au 40 •

20 -

0,2

0,5

1

2

3

4

5

10

Refleksija sa metal-< TiO, + SiO,

SI. 9.14.

Spektralne krive refleksije za 1C ogledala dobijena naparavanjem Ag, Au i Cu na staklu.

Na slikama se vidi da navedena ogledala imaju visoku vrednost refleksije u 1C oblasti spektra elektromagnetnog zracenja.

182

Na slici se vidi da MgF2 + TiO2 + SiO2 im

U 1C oblasti spekt ogledala se dobijaju nan HfO2 ili SiO2.

Vrste optickih tankih slojeva

9.2.2. Metalno-dielektricna ogledala Metalno-dielektricna ogledala sastoje se od staklo / metal osnove i dielektricnih slojeva koji se nanose iznad metala. Primer za ovaj tip ogledala je staklo / Al + MgF2 + TiO2 + SiO2 ogledalo. Ovo ogledalo se formira termickim naparavanjem Al na podlogu od stakla a zatim se iznad Al sloja vakumskim naparavanjem nanose MgF2+ TiO2+ SiO2 slojevi. Refleksija sa ovog ogledala data je na slid 9.15/I I/.

98

96

94

92

450

500

550 600 X(nm)

650

700

SI. 9.15. Refleksija sa metal-dielektricnog ogledala staklo / Al + MgF2 + TiO, + SiO,

Na slici se vidi da metal-dielektricno ogledalo staklo / Al + MgF2 + TiO2 + SiO2 ima visoku refleksiju u vidljivom delu spektra. U 1C oblasti spektra od 8-14 (j,m stabilna visokorefleksiona ogledala se dobijaju nanosenjem na Al dielektricnih slojeva - Y2O3, HfO2 ili Si02.

183

Fizika i tehnika tankih slojeva

9.2.3. Laserska ogledala Visokoreflektujuca ogledala imaju znacajnu ulogu u radu lasera. U laseru se nalaze dva ogledala, jedno koje potpuno reflektuje i drugo koje je delimicno transparentno za lasersko zracenje. Sematski prikaz lasera dat je na slid 9.16 1121.

Laserska ogledala dielektricnih slojeva Zni planparalelne ili zakrivlj toce.

Ukoliko se na podli visokog (H) i niskog (L) n3,...n2, n3, refleksija oj raza:

refleksiona ogledala fles lampa

R

wwv/^o aktivna sredina

fles lampa

gdeje n - indeks prelam

U slucaju kada se na slojeva visokog i niskog pomocu izraza:

SI. 9.16. Sematski prikaz lasera

R 2N Svako lasersko ogledalo treba da ispuni tri uslova: 1. Da ima visoku refleksiju. Visokorefleksiono ogledalo treba da ima refleksiju 99%. Refleksija delimicno propusnog ogledala se krece u granicama od 20-80% i zavisi od grade lasera i uslova njegove primene. 2. Da ima sto manje gubitke u ogledalu. Gubici se javljaju usled apsorpcije i rasejavanja svetlosti u dielektricnim slojevima ogledala i zavise od vrste materijala i uslova naparavanja. 3. Da ima visok stepen cistoce i opticke obradenosti podloge. Delici prasine pre naparavanja slojeva odstranjuju se jonskim bombardovanjem. Na ovaj nacin se postize i bolja adhezija sloja za podlogu. 184

Na osnovu izraza (9 sa laserskog ogledala za^ loge, odnosa n2/n3 i broja

Za visokorefleksionc izlazno ogledalo 9-13 si manja. Povecanje broja s apsorcije i rasejavanja sv vrsi se naparavanjem L vakuumu nestaju higrosk otporniji/3, 4, 12-157.

Vrste optickih tankih slojeva

Laserska ogledala se formiraju vakuumskim naparavanjem dielektricnih slojeva ZnS, ZnSe, Na3AlF6 ili MgF2 debljine A/4 na planparalelne ili zakrivljene osnove od kvarcnog stakla visoke cistoce. Ukoliko se na podlogu naizmenicno nanosi paran broj slojeva visokog (H) i niskog (L) indeksa prelamanja HLH.. .HL = n2, n3, n2, n3,...n2, n3, refleksija ogledala se izracunava pomocu sledeceg izraza:

R 2N

(9.10)

~

gde je n - indeks prelamanja podloge. U slucaju kada se na podlogu naizmenicno nanosi neparan broj slojeva visokog i niskog indeksa prelamanja refleksija se izracunava pomocu izraza: /

R 2N+1

\ /•

n

\2N

n2

(9.11)

n Na osnovu izraza (9.10) i (9.11) moze se zakljuciti da refleksija sa laserskog ogledala zavisi od vrednosti indeksa prelamanja podloge, odnosa n2/n3 i broja slojeva N /14/. Za visokorefleksiono lasersko ogledalo dovoljno je 17-21, a za izlazno ogledalo 9-13 slojeva sa niskim i visokim indeksom prelamanja. Povecanje broja slojeva ne dovodi do porasta refleksije usled apsorcije i rasejavanja svetlosti u njima. Zastita poslednjeg H sloja vrsi se naparavanjem L sloja debljine A/2. Prilikom pregrevanja u vakuumu nestaju higroskopne osobine MgF2 i sloj postaje mehanicki otporniji/3, 4, 12-157. 185

Fizika i tehnika tankih slojeva

9.3. DELITELJI SVETLOSTI Delitelji svetlosti su opticki elementi pomocu kojih upadna svetlost moze da se podeli po intenzitetu (intenzitetski delitelji) ili po spektralnim oblastima (dihroicni delitelji). Po geometrijskom obliku delitelji svetlosti mogu biti prizme ili planparalelne ploce. Zbog svojih dobrih osobina u optickim uredajima se cesce koriste delitelji svetlosti u obliku prizmi. Oni se formiraju lepljenjem dve ili vise prizmi po katetama ili po hipotenuzama na kojima se nalaze tankoslojni materijali za intenzitetsku ili spektralnu podelu svetlosti. Kubni delitelj svetlosti se dobija lepljenjem dve pravougaone prizme po hipotenuzi na kojoj se nalazi odgovarajuci tanak sloj. Sematski prikaz primene kubnog delitelja svetlosti kod fotoaparata prikazan je na slici 9.17 111.

a) Intenzitetski d( deo svetlosti propustaju. Odnos propustene i refl teristika tankog sloja i 1< podrucje. Pomocu sloze da se vrsi i polarizacija s

Sematski prikaz ku larizatora svetlosti dat je

SI. 9.18. Kubni delitelj svetlosti po in

Za izradu intenzite tanki slojevi hroma, alum

Tanki slojevi hrorm ravnomernu refleksiju u debljinama (10-12 nm) s od refleksije (20%). Pri se refleksija a smanjuje t svetlosti vec ogledalo.

SI. 9.17. Sematski prikaz primene kubnog delitelja svetlosti: 1. objektiv, 2. kubni delitelj svetlosti, 3. zizna ravan, 4. film, 5. oko, 6. okular, 7. ogledalo

Tanki slojevi alumin tetskih delitelja svetlosti nm. Zbog nepostojanosti koriste kod kubnih delite lom.

Za izradu intenzite dielektricni materijali: 186

Vrste optickih tankih slojeva

a) Intenzitetski delitelji. Intenzitetski delitelji svetlosti jedan deo svetlosti propustaju, a drugi deo reflektuju u odredenom pravcu. Odnos propustene i reflektovane svetlosti zavisi od optickih karakteristika tankog sloja i krece se od 0.24 - 4 za odabrano spektralno podrucje. Pomocu slozenijih delitelja svetlosti po intenzitetu moze da se vrsi i polarizacija svetlosti. Sematski prikaz kubnog delitelja svetlosti po intenzitetu i polarizatora svetlosti dat je na slici 9.18 i 9.19141.

SI. 9.18. Kubni delitelj svetlosti po intenzitetu

SI. 9.19. Kubni polarizator svetlosti

Za izradu intenzitetskih delitelja svetlosti najcesce se koriste tanki slojevi hroma, aluminijuma i dielektricnih materijala. Tanki slojevi hroma su otporni na spoljasnje uticaje i imaju ravnomernu refleksiju u celom spektralnom podrucju. Pri malim debljinama (10-12 nm) slojevi hroma imaju vecu transmisiju (50%) od refleksije (20%). Pri vecim debljinama slojeva hroma povecava se refleksija a smanjuje transmisija, tako da se vise ne dobija delitelj svetlosti vec ogledalo. Tanki slojevi aluminijuma koriste se kod polarizacionih intenzitetskih delitelja svetlosti. Kod njih je debljina Al slojeva reda 5-10 nm. Zbog nepostojanosti na spoljasnje uticaje Al slojevi se najcesce koriste kod kubnih delitelja svetlosti ili se pokrivaju zastitnim staklom. Za izradu intenzitetskih delitelja svetlosti koriste se sledeci dielektricni materijali: 187

Fizika i tehnika tankih slojeva

- visokoindeksni - TiO2, Ta2O5, ZrO2 i - niskoindeksni - MgF2 i SiO2. Spektralne krive refleksije i transmisije intenzitetskog delitelja svetlosti dobijenog naparavanjem TiO2 na staklu date su na slici 9.20 111. Spektralne krive transmisije intenzitetskih delitelja svetlosti sa razlicitim odnosom R:T date su na slici 9.21 111.

50 -

50

40 -

60

30

70

20 90

10

400

500

600

700

800

SI. 9.20. Spektralne krive refleksije i transmisije intenzitetskog delitelja svetlosti dobijenog naparavanjem TiO2 na staklu T (%) 80

b) Dihroicni delil razdvajanje upadne sv litelji jednu oblast spe malno reflektuju. Step prirode tankoslojnog ni dihroicni delitelj. Upad nog ugla svetlosti dov refleksije i do promen svetlosti. Sve ovo utia delitelja svetlosti.

Kadajeupadniug koristi se kombinacija sa malim brojem sloje vecanja transmisije up; kubnih dihroicnih deli deksnih i visokoindeks

U pogledu moguc losti se dele na delitel karakteristike dihroicn oblasti date su na slikai

80 60

60

40

40

20

20 500

600

700 400

SI. 9.21. Spektralne krive transmisije intenzitetskih delitelja svetlosti sa razli&tim odnosom refleksije i transmisije: 1. R:T = 60:40, 2. R:T = 50:50

188

Spektralna karakter oblast

Vrste optickih tankih slojeva

b) Dihroicni delitelji. Dihroicni delitelji svetlosti se koriste za razdvajanje upadne svetlosti po talasnim duzinama. Dihroicni delitelji jednu oblast spektra maksimalno propustaju a drugu maksimalno reflekruju. Stepen refleksije i transmisije svetlosti zavisi od prirode tankoslojnog materijala i upadnog ugla svetlosti u odnosu na dihroicni delitelj. Upadni ugao je najcesce 45° ± 10°. Promena upadnog ugla svetlosti dovodi do pomeranja maksimuma transmisije i refleksije i do promena u odnosu p i s komponenata polarizovane svetlosti. Sve ovo utice na izbor materijala za formiranje dihroicnih delitelj a svetlosti. Kada je upadni ugao svetlosti 90°, za formiranje tankih slojeva koristi se kombinacija niskoindeksnih i visokoindeksnih materijala sa malim brojem slojeva. Pri kosom upadu svetlosti dolazi do povecanja transmisije upadnog zracenja. U ovom slucaju se za izradu kubnih dihroicnih delitelja svetlosti koristi kombinacija srednjeindeksnih i visokoindeksnih materijala. U pogledu mogucnosti podele spektra dihroicni delitelji svetlosti se dele na delitelj e za V-V, V-IC i IC-V oblast. Spektralne karakteristike dihroicnih delitelja svetlosti za V-V, IC-V i V-IC oblasti date su na slikama 9.22, 9.23 i 9.24 /4/.

80 60 40 20

400

500

600

700

SI. 9.22.

Spektralna karakteristika dihroicnog delitelja svetlosti za V-V oblast

189

Fizika i tehnika tankih slojeva

9.4. OPTICKIFILT

80 60

40

20

400

600

800

1000

1200

SI. 9.23.

Spektralna karakteristika dihroicnog delitelja svetlosti za IC-V oblast

Opticki filtri preds snopa svetlosti propust duzine. U zavisnosti da mogu podeliti na transn kojoj se primenjuju na juce, uskopojasne itd. a) Kratkotalasni f staju zracenje sa kratkin sa dugim talasnim duzin Spektralna kriva tra paravanjem ZnS + MgF

80

60

40

60

20

40

400

600

800

1000

1200

20

SI. 9.24.

Spektralna karakteristika dihroicnog delitelja svetlosti za V-IC oblast

Dihroicni delitelji svetlosti cije su karakteristike date na predhodnim slikama formirani su od MgF2, kao niskoindeksnog materijala i LaF2 ili ZnS kao visokoindeksnih materijala. Za izradu ovih delitelja svetlosti koriscena je sledeca kombinacija materijala: za V-V oblast - (HL)8 H, za IC-V oblast - (HL)15, za V-IC oblast (HL) 9 H 72,4, 15/. 190

Spektralna kriva Iran ravanjem ZnS+MgF-

Na slici se vidi da o duzinama do 700 nm i d vecim od 800 nm.

Vrste optickih tankih slojeva

9.4. OPTICKI FILTRI Opticki filtri predstavljaju opticke elemente koji iz upadnog snopa svetlosti propustaju ili reflektuju svetlost odredene talasne duzine. U zavisnosti da li propustaju ili reflektuju svetlost filtri se mogu podeliti na transmisione i refleksione, a od oblasti spektra u kojoj se primenjuju na kratkotalasne, dugotalasne, rubne, blokirajuce, uskopojasne itd. a) Kratkotalasni filtri. Kratkotalasni transmisioni filtri propustaju zracenje sa kratkim talasnim duzinama a zaustavljaju zracenje sa dugim talasnim duzinama. Spektralna kriva transmisije kratkotalasnog filtra dobijenog naparavanjem ZnS + MgF2 na staklu data je na slici 9.25 111.

20 -

500

predtiateria ovih ila: za )last -

600

700

800

SI. 9.25. Spektralna kriva transmisije kratkotalasnog filtra dobijenog naparavanjem ZnS+MgF2 na staklu

Na slici se vidi da ovaj filter dobro propusta svetlost sa talasnim duzinama do 700 nm i da ne propusta zracenje sa talasnim duzinama vecim od 800 nm. 191

Fizika i tehnika tankih slojeva

b) Dugotalasni filtri. Dugotalasni transmisioni filtri propustaju duge talase a zaustavljaju kratke. Dugotalasni filtri se izraduju od Ge, As2S3 i Si koji imaju veliki indeks prelamanja, visoku refleksiju i malu transmisiju za vidljivi deo spektra elektromagnetnog zracenja. U cilju smanjenja refleksije preko njih se nanose antirefleksioni slojevi ZnS, MgF2, PbTe itd. Spektralna kriva transmisije dugotalasnog 1C filtra dobijenog naparavanjem ZnS + MgF2 na staklu dataje na slici 9.26 111. Spektralna kriva transmisije dugotalasnog filtra dobijenog naparavanjem ZnS + PbTe na As2S3 plocici dataje na slici 9.27 121.

T

Sematski priki jasnog transmi

T

100 100

Uskopojasni transn malnom transmisijom, misija maksimalana, 5^

SI)

60

60 40 10 0.5

1.0 X(um)

0-5Tmax .

1.5

0.4

0.8

1.2

1.6

2.0

U praksi se cesto k< ciji je sematski prikaz d

SI. 9.26. SI. 9.27. Spektralna kriva transmisije dugotalas- Spektralna kriva transmisije dugotalasnog 1C filtra dobijenog naparavanjem nog filtra dobijenog naparavanjem ZnS+MgF2 na staklu ZnS+PbTe na As,S3

c) Uskopojasni filtri. Transmisioni uskopojasni filtri propustaju odredenu usku oblast spektra elektromagnetnog zracenja. Pri ovome uskopojasni filtri zaustavljaju zracenje sa kracim i duzim talasnim duzinama. Uskopojasni filtri se sastoje od dva cetvrttalasna ogledalska sistema razdvojena tankim slojem opticke debljine nd = mA,0/2, gde j e m - red interferencije filtra i slojeva za apsorpciju kracih i duzih talasnih duzina. Sematski prikaz karakteristicnih parametara uskopojasnog transmisionog filtra dat je na si.9.28 121. 192

Sematski pril filtra Fabri-I slojevi, 2. ob 4. opticki lep staklo

Vrste optickih tankih slojeva

75

50

25

500

560 X(nm)

640

SI. 9.28. Sematski prikaz karakteristicnih parametara uskopojasnog transmisionog filtra

Uskopojasni transmisioni filtri se karakterisu sa: Tmax- maksimalnom transmisijom, Xmax- talasnom duzinom na kojoj je transmisija maksimalana, 5^ = A.^ - A,10;5 sirinom pojasa propustanja na 0-5Tmax . U praksi se cesto koristi uskopojasni filtar Fabri-Perotovog tipa ciji je sematski prikaz dat na slici 9.29.

SI. 9.29. Sematski prikaz poprecnog preseka uskopojasnog filtra Fabri-Perotovog tipa: 1—1'- antirefleksioni slojevi, 2. obojeno staklo, 3. blokirajuce ogledalo, 4. opticki lepak, 5. interferencioni filtar, 6. obojeno staklo

193

Fizika i tehnika tankih slojeva

Dobijanje filtra vrsi se nanosenjem antirefleksionog sloja na spoljasnju povrsinu obojenog stakla, nanosenjem ogledala na unutrasnju stranu polirane povrsine obojenog stakla, nanosenjem interferencionog filtra na unutrasnju stranu polirane povrsine optickog stakla, nanosenjem antirefleksionog sloja na spoljasnju povrsinu optickog stakla i lepljenjem ova dva opticka elementa sa nanetim slojevima. Izrada filtra zahteva hermetizovanje blokirajuceg ogledala uskopojasnog interferencionog filtra odmah nakon naparavanja na plocicu od optickog stakla cija debljina ne prelazi 1 mm.

80 60 40

20

Konfiguracija Fabri-Perotovog filtra je: P(HL)m HH(LH)mZ ili P(LH)m LL(HL)mZ

Spektralna kr Fabri-Perotov sloja TiO2 + Si

gde je P - podloga, Z - vazduh, HH i LL predstavljaju meduslojeve, (HL)m - visestruki sloj debljine X/4, m - broj slojeva. Uskopojasni interferencioni filter tipa Fabri-Perot odlikuje se sledecim karakteristicnim velicinama: talasnom duzinom maksimalne transmisije A, =1060 nm, maksimalnom transmisijom (Tmax), srednjom propusnom zonom (T^ ), refleksijom i transmisijom dielektricnih ogledala (Tt, T2, RI i R2), transmisijom sloja za razdvajanje TD, i kontrastom filtra /4/.

Specifican slucaj 1 stavljaju pojasni ili trapc nacijom tankih slojeva d sa odgovarajucom velici koriste slojevi visokoind jeni slojevima niskoindel

Spektralna kriva transmisije uskopojasnog filtra Fabri-Perotovog tipa, dobijenog naparavanjem 13 sloja TiO2 + SiO2 na staklu data jena slid 9.30 /16/.

d) Rubni filtri. Rut oblasti spektra i T = 0 iz^

194

Spektralna kriva tra njem 24 sloja TiC>2 + SiC debljinu X/4 data je na si

Vrste optickih tankih slojeva

80 60 40

20

600

620

640

660

SI. 9.30. Spektralna kriva transmisije uskopojasnog filtra Fabri-Perotovog tipa, dobijenog naparavanjem 13 sloja TiO2 + SiO2 na staklu

Specifican slucaj transmisionih uskopojasnih filtera predstavljaju pojasni ili trapezni filtri, kod kojih se pogodnom kombinacijom tankih slojeva dobija transmisioni spektar u obliku trougla sa odgovarajucom velicinom osnove. Za izradu pojasnih filtera se koriste slojevi visokoindeksnih materijala, koji su medusobno spojeni slojevima niskoindeksnog materijala opticke debljine A./4. d) Rubni filtri. Rubni filtri se karakterisu sa T = 1 u odredenoj oblasti spektra i T = 0 izvan ove oblasti. Spektralna kriva transmisije rubnog filtra dobijenog naparavanjem 24 sloja TiO2 + SiO2 na staklu, pri cemu svaki sloj ima opticku debljinu X/4 dataje na slici 9.31 /16/.

195

Fizika i tehnika tankih slojeva

Kod navedenog fil nm a ZnSe slojeva od 3 aZnSje2,42 72,4,8,1

9.5. LITERATURA 40

20

500

600

700

8(X)

9OO

X(nm)

SI. 9.31. Spektralna kriva transmisije rubnog flltra dobijenog naparavanjem 24 sloja TiO2 + SiO2 na staklu, pri cemu svaki sloj ima opticku debljinu X./4

e) Blokirajuci filtri. Transmisioni blokirajuci filtri imaju T > 0 u odredenoj oblasti spektra elektromagnetnog zracenja, a izvan ove oblasti T = 0. Spektralna kriva blokirajuceg flltra za 1C oblast, koji se sastoj i od 21 sloja vakuumski naparenog PbTe + ZnSe na staklu data je na slid 9.32/17/. T(%)A

SI. 9.32. Spektralna kriva blokirajuceg filtra za 1C oblast, koji se sastoj i od 21 sloja vakuumski naparenog PbTe + ZnSe na staklu 196

l.P. Vretenar, Bilten 2. B. Jovic, Bilten JUVA 3. A. Persin, Bilten JUW 4. P. Vretenar, Osnovi tel 5. r. Xacc, M. Opamci TOM 8, Mnp, MocKBa 6. S. Risticevic, Bilten Jl 7. M. Zukic, Bilten JUW 8. H. Pulker, Bilten JUV> 9. F. Xacc, P. Tyn, $H: 1967, 186-253. 10. F. Xacc, OasHKa TO 152-220. 11. S. Risticevic, Bilten Jl 12. V. Randelovic, D. Tat BullHN,Nis, 1994,4 13. Lj. Cirkovic, Kvantna 14. J. Lindav, A. Svajger, 15. P. Vretenar, Bilten JIT 16. H. Zorc, Bilten JUVA 17. S. Risticevic, Bilten J 18. S. Radovanovic, D. R 19. A. Demsar, J. Lindav,

Vrste optickih tankih slojeva

Kod navedenog filtra debljina PbTe slojeva se krece od 113-281 nm a ZnSe slojeva od 325-623 nm. Indeks prelamanja PbTe je 5,61 aZnSje2,42 /2, 4, 8, 15-197.

9.5. LITERATURA

0 re

1. P. Vretenar, Biiten JUVAK 23 (1989) 176. 2. B. Jovic, Biiten JUVAK 15 (1975) 26. 3. A. Persin, Biiten JUVAK 15 (1975) 42. 4. P. Vretenar, Osnovi tehnologije optickih elemenata, Sarajevo. 5. F. Xacc, M.