Поверхность 2003. № 10. с. 74

ПОЛУЧЕНИЕ МЕТОДОМ ИОННО-ЛУЧЕВОГО РАСПЫЛЕНИЯ И ОПТИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ПОЛУПРОЗРАЧНЫХ ПЛЕНОК СЕРЕБРА

Получены пленки серебра толщиной от менее 10 нм до более 20 нм на субнаногладких подложках из стекла К-8. Установлено, что пленки толщиной менее 12 нм не являются сплошными, вследствие образования проколов в местах совпадения выступов рельефа поверхности подложки с впадинами рельефа поверхности пленки. Пленки толщиной 12…18 нм обладают свойством полупрозрачности и представляют практический интерес для использования в светоделителях оптических приборов. Свойства пленок толщиной более 18 нм по мере увеличения толщины приближаются к свойствам массивного материала.

 

ВВЕДЕНИЕ

Пленки ряда металлов толщиной порядка десяти нанометров способны без значительного поглощения пропускать и отражать в примерно равных количествах излучение видимой области спектра [1-3]. Данное свойство полупрозрачности представляет практический интерес для изготовления оптических деталей, например светоделителей, с использованием тонких пленок серебра [2]. Такие детали в виде двух плоскопараллельных пластин, расположенных под углом 45° друг относительно друга, или в виде светоделительных кубиков, склеенных из двух призм, широко применяются в оптических схемах микроскопов визуального наблюдения и контроля. При этом отличительной особенностью полупрозрачных пленок серебра является их нейтральный "серый" цвет и более низкая по сравнению с диэлектрическими покрытиями чувствительность к состоянию поляризации падающего излучения. Чтобы обладать отмеченными оптическими свойствами, пленки серебра должны иметь гладкие поверхность и границу раздела пленка-подложка, быть однородными и сплошными, характеризоваться хорошей адгезией к подложке и относительной химической инертностью, исключающей деградацию пленок до и после нанесения защитных и диэлектрических покрытий. В связи с тем, что комплексное удовлетворение перечисленным факторам на практике сталкивается со значительными трудностями, работы по получению пленок серебра нанометровой толщины и исследованию их свойств остаются актуальными на протяжении длительного промежутка времени [3–5]. В настоящей работе для осаждения пленок серебра применяется метод ионно-лучевого распыления. В качестве подложек используются пластинки из оптического стекла К-8. Поверхность подложек характеризуется субнаноразмерными значениями шероховатостей благодаря финишному полированию методом последовательного ионно-лучевого осаждения–распыления [6].

 

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ОБОРУДОВАНИЕ

Установка ионно-лучевого распыления (рис. 1) содержит источник ионов на основе двухкаскадного самостоятельного разряда с холодным полым катодом 1 и модифицированный вариант источника ионов Кауфмана с открытым торцом 2 [6, 7]. Источник ионов 1 служит для распыления пучком ионов аргона с энергией 0,8 кэВ и плотностью тока 0,3 мА/см² мишени 3 из серебра чистотой не хуже 99,8%. По направлению потока распыляемого материала установлены подложки, закрепленные на четырех позициях вращающегося держателя 4. Поток ионов аргона со средней энергий 80 эВ и плотностью тока 0,45 мА/см² из источника ионов 2 служит для очистки и активации поверхности рабочей подложки в течение 2 минут перед нанесением пленки серебра. Источник ионов 2 во время нанесения пленки отключается, подача аргона через него прекращается, а термокатод используется для нагрева поверхности рабочей подложки до температуры более 80°С. Предельное давление в установке составляет менее 10^-3 Па, а рабочее давление во время осаждения пленки не превышает 1,5´10^-2 Па.

 

Морфология поверхности подложек и пленок серебра анализировалась методом атомно-силовой микроскопии (АСМ) при помощи атомно-силового микроскопа Фемтоскан-001 (центр перспективных технологий, МГУ, Москва) с полем сканирования 5´5 мкм², работающего в контактном режиме, с использованием кремниевых кантилеверов (MicroMash, www.spmtips.com, Эстония). Поверхностное сопротивление пленок r(Ом/o) определяли четырехзондовым методом на серийном приборе ИУС-3. Спектры пропускания пленок в интервале длин волн 400-700 нм измеряли после осаждения на спектрофотометре "HITACHI-340" с погрешностью не более 0,3%. Призма Глан-Тейлора служила в качестве поляризатора. Измерение потерь излучения в пленке (коэффициентов поглощения А и рассеяния S) производилось на стенде, включающем He-Ne лазер (l=632,8 нм), поворотный стол с исследуемыми образцами и систему фотометрического контроля. На основании экспериментально полученных значений коэффициентов пропускания Т и отражения R при падении излучения под углом 45° по формуле R+T+A+S=1 определялась величина потерь излучения A+S в пленках.

 

РЕЗУЛЬТАТЫ И ИХ ОБСУЖДЕНИЕ

На рис. 2 показано АСМ-изображение поверхности подложки из оптического стекла К-8 после финишного полирования методом двойного ионно-лучевого осаждения–распыления и перед осаждением пленки серебра. Поверхность подложки является гладкой, причем размах высот на характерном рельефе поверхности длиной до 4 мкм не превышает 1 нм (вдоль линии на рис. 2), а среднеквадратическая шероховатость составляет менее 1 нм.

 

На рис. 3 показано АСМ-изображение поверхности пленки серебра, осажденной за 70 секунд. Глубокая царапина на рис. 3 специально нанесена для оценки толщины пленки. Царапина имеет отвесные боковые стенки и плоское дно, а поверхность пленки является гладкой вдали от царапины, поэтому можно оценить толщину пленки по глубине царапины в 16 нм, а среднюю скорость осаждения пленки – в 0,23 нм/с.

 

Исходя из полученного значения средней скорости осаждения, были построены кривые зависимости поверхностного сопротивления s, коэффициента пропускания Т и отражения R от толщины пленки (рис. 4). Кривые указывают на корреляцию между значениями поверхностного сопротивления и оптических коэффициентов. Для пленок толщиной от 12 нм до 18 нм поверхностное сопротивление убывает от значения 7 Ом/o до 3,5 Ом/o по нелинейному закону, но более медленно, чем у пленок толщиной менее 12 нм. Коэффициент пропускания Т несколько уменьшается, а коэффициент отражения R несколько увеличивается по мере роста толщины пленок от 12 до 18 нм так, что T+R³0,9, a T»R с точностью до 0,1. Пленки толщиной более 18 нм характеризуются линейным убыванием поверхностного сопротивления, резким ростом коэффициентов отражения и поглощения света по мере увеличения толщины. Поверхности пленок серебра толщиной от 12 до 18 нм и свыше 18 нм согласно АСМ-изображений мало отличаются друг от друга. Для примера на рис. 5 показан участок поверхности пленки толщиной 21 нм и сечение рельефа поверхности вдоль линии (рис. 5). Среднеквадратическая шероховатость участка поверхности размером 5´5 мкм² не превышает 1 нм, а максимальный размах высот на характерном пути длиной до 6 мкм составляет менее 2 нм.

 

 

Сравнение АСМ-изображений подложки, пленок серебра толщиной 16 нм и 21 нм (рис. 2, 3 и 5, соответственно) показывает, что сумма максимального размаха высот на границах раздела пленка-подложка и пленка-поверхность составляет менее 3 нм или менее 0,25 от средней толщины для пленок толщиной более 12 нм. Следовательно, границы этих пленок являются плоскопараллельными с хорошим приближением. Особенности поведения поверхностного сопротивления и оптических коэффициентов пленок толщиной менее 18 нм можно объяснить влиянием размерных эффектов, обусловленных сравнимостью толщины пленок с длиной свободного пробега электронов проводимости и более частым рассеянием последних на границах раздела [1]. Более толстые пленки по свойствам постепенно приближаются к своему массивному аналогу [2]. Однако резкий рост поверхностного сопротивления и коэффициента пропускания света в пленках серебра толщиной менее 12 нм обусловлен, скорее всего, влиянием морфологии границ раздела, а не толщины. Действительно, морфология поверхности пленки серебра толщиной 10 нм, согласно АСМ-изображения (рис. 6) отличается от более толстых наличием определенного числа глубоких проколов, поперечные размеры которых увеличиваются со временем. Проколы образуются во впадинах рельефа поверхности, причем не самых глубоких (см. характерные сечения на рис. 6). Это позволяет предположить, что причиной образования проколов является совпадение впадин границы пленка–поверхность и выступов границы раздела пленка–подложка. Учтем также наличие слоя естественного окисла толщиной ~2…4 нм на поверхности серебра [8]. В области совпадения впадин над выступами слой естественного окисла может прорастать быстрее и на большую толщину пленки аналогично рассмотренного в [9] модифицированного механизма низкотемпературного окисления Кабреры–Мотта (Cabrera–Mott) на шероховатых поверхностях наноразмерных металлических слоев. В результате в сплошной пленке серебра в локальных местах минимальной толщины формируется слой естественного окисла максимальной толщины, где и происходит разрыв пленки из-за разницы в механических свойствах серебра и его окисла. Косвенным подтверждением этого механизма является более темный цвет колец по границе проколов на общем фиолетово – голубом фоне и увеличение размеров проколов с течением времени, которые можно наблюдать визуально.

 

Суммируя данные АСМ по шероховатостям подложек и пленок, было предложено эмпирическое условие, ограничивающее толщину пленки серебра снизу в рассматриваемых экспериментальных условиях. Пусть a_s и a_f – максимальный размах высот на характерном сечении рельефа поверхности подложки и поверхности пленки, соответственно, а h – средняя толщина пленки. Тогда, если (a_s + a_f + d)£h/3, где d»2 нм – постоянная величина, определяемая толщиной слоя естественного окисла, то пленка серебра является сплошной, однородной и не содержит проколов. Для данного случая a_s£1,2 нм, а_f1нм, поэтому h³12 нм. Тонкая пленка серебра, не содержащая проколов и не подверженная быстрой деградации на атмосфере, представляет интерес с практической точки зрения использования оптических свойств, как это было отмечено в начале статьи.

 

Рис. 7 демонстрирует светоделительные свойства пленки серебра толщиной 16 нм. После осаждения металла образец был выдержан более 100 часов на атмосфере. На рис. 7 приведены спектры пропускания поляризованного в плоскости падения Т_р и в перпендикулярной плоскости падения Т_s света, падающего под углом 45° к поверхности пленки. Видно, что T_p»T_s и T_p+T_s³0,8 с точностью до 0,1 в интервале длин волн от 0,45 мкм до 0,65 мкм.

 

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В статье исследованы зависимости от толщины оптических и электрических свойств пленок серебра толщиной от менее 10 нм и до более 20 нм. Показано, что пленки толщиной менее 12 нм содержат проколы и не обладают стабильными свойствами. При помощи АСМ установлено влияние шероховатостей поверхности подложек и поверхности пленок на стабильность свойств пленок. Пленки толщиной от 12 до 18 нм не содержат проколов и обладают свойством полупрозрачности в диапазоне длин волн от 0,45 нм до 0,65 нм, что представляется перспективным для использования их в светоделителях оптических приборов.

 

ЛИТЕРАТУРА

1. П. Гроссе Свободные электроны в твердых телах. М.: Мир 1982. 270 с. (P. Grosse Freie Elektronen in Festkörpern. Springer Verlag. 1979.)

2. Ландсберг Г.С. Оптика. М.: Наука. 1976. 928 с.

3. Конозенко И.Д. // УФН. 1954. т. LII. вып. 4. с. 561.

4. Xianghenz PAN, Feng PAN, Yezhi YANG, Songnian YAO // Nucl. Instr. and Methods in Phys. Res. 1989. B39. p. 162.

5. Smentkowski V.S. // Progress in Surface Science. 2000. Vol. 64. p. 1.

6. Стогний А.И., Новицкий Н.Н., Стукалов О.М. // Письма в ЖТФ. 2002. т. 28. вып. 1. с. 39.

7. Стогний А.И., Новицкий Н.Н. // ПТЭ. 2002. № 1. с. 153-157.

8. Thin films – interdiffusion and reactions / Ed. by Poate J.M., Tu K.N., Mayer J.V. – A Willey-Interscience Publication John Wiley and Songs Inc. 1978.

9. A. de Bernabé, M.J. Capitán, H.E. Fischer // Vacuum. 1999. v. 52. p. 103.