Технология тонкопленочных микросхем (стр. 25 )

Интенсивность отраженного света характеризуется коэффициентом .

При выполнении условия коэффициент отражения . Отклонение показателя преломления пленки от оптимального значения даже на 10% приводит к отражению примерно в 1%. Отражение пленки, оптическая толщина которой составляет или любое четное число , равно отражению подложки без покрытия. Если n1 < ns, то отражение максимально, когда толщина пленки кратна . Это означает, что коэффициент отражения однослойного просветляющего покрытия не будет превышать коэффициента отражения чистой подложки. С другой стороны при n1 > ns минимум коэффициента отражения совпадает с коэффициентом отражения чистой подложки, а максимум определяется приведенным выше уравнением.

Для двухслойных покрытий можно рассмотреть следующие случаи.

Случай 1 – два слоя с одинаковыми оптическими толщинами (– геометрическая толщина пленки) и n0 = ns. Это будет обычный случай двойного слоя между одинаковыми средами: толщина каждого слоя кратна .

Случай 2 – . это соответствует двухслойному покрытию, дающему нулевое отражение, когда оптическая толщина каждого слоя составляет нечетное число . Если не выполнено условие для показателей преломления, минимальное отражение двухслойного покрытия – пленками не равно нулю. В этом случае минимальное отражение можно вычислить по формуле:

.

Случай 3 – с покрытием их двух пленок равной оптической толщины можно получит широкую спектральную область низких значений коэффициента отражения, если показатели преломления удовлетворяют соотношению .

Широкая спектральная область с низким и более постоянным отражением может быть получена при использовании трехслойных покрытий. Для системы с толщиной каждого слоя отражение равно нулю в двух случаях:

1) .

Если показатели преломления удовлетворяют этому условию, то имеется три нулевых минимума отражения: один на и по одному с каждой стороны от .

2) .

Это соотношение является обобщением случая 1, так как теперь не обязательно должен быть равным . Такой более широкий выбор позволяет использовать в качестве практического просветляющего покрытия для стекла систему – – .

Для системы, в которой толщина верхнего слоя равна , среднего – , внутреннего – , отражение будет равно нулю, если показатели преломления удовлетворяют условию .

Для изготовления просветляющих покрытий наиболее подходящими по своим оптическим свойствам и долговечностью являются следующие материалы: MgF2 (1,38), SiO2 (1,46), SiO (1,55-2), Al2O3 (1,60), ZrO2 (2,1), ZnS (2,35). В скобках указаны показатели преломления для =550 нм. Эти материалы можно получать путем напыления в высоком вакууме.

Пленки MgF2, напыленные с высокой скоростью на нагретую подложку из стекла () образуют долговечное покрытие, снижающее отражение подложки с 4 до 1,3%. В двухслойных покрытиях первый слой от подложки напыляют с малой скоростью и показателем преломления 1,7, а наружний слой – MgF2.

Для получения широкой спектральной области малого отражения используют покрытия, состоящие из пленки толщиной с большим показателем преломления, лежащей на стекле и пленки толщиной с малым показателем преломления (внешний слой).

Многие прозрачные в ИК – области материалы, особенно те, которые сильно поглощают в видимой области спектра, обладают высокими показателями преломления в ИК – области. В первую очередь это относится к таким полупроводникам, как Si, Ge, InAs и InSb, которые в настоящее время широко используются в инфракрасной технике для окон, линз и длинноволновых пропускающих фильтров. Их высокие показатели преломления приводят к значительным потерям вследствие френелевского отражения, так что даже тонкие непоглощающие пластинки из этих материалов пропускают лишь 50% или даже меньшую часть падающего излучения. Следовательно, для получения большого пропускания и хорошего изображения при применении оптических деталей из этих материалов необходимы просветляющие покрытия.

Оказывается, что в ближней ИК – области наиболее подходящим покрытием для кремния, германия и InAs является окись кремния SiO. Она не только эффективно снижает отражение, но и обладает хорошей адгезией и большим сопротивлением истиранию.

6.2.2. Отражающие покрытия для вакуумного ультрафиолетового излучения.

За последние годы наблюдается резкое возрастание интереса к физическим проблемам, связанным с измерением и использованием вакуумного ультрафиолетового излучения. Для этой области излучения требуются прозрачные материалы для длин волн короче нм, а также фильтры и зеркала. Хорошо известно, что для >200нм алюминий является зеркалом с коэффициентом отражения 90%, который уменьшается при меньших длинах волн. Термин «вакуумный ультрафиолет» будет относиться к области длин волн от 50 до 200 нм [13].

Коэффициент отражения алюминия, напыленного путем термического испарения в вакууме, зависит от скорости осаждения и давления остаточного газа в процессе напыления. Большие скорости осаждения и лучший вакуум приводят к пленкам, на которых вырастают более тонкие окисные слои, что способствует увеличению коэффициента отражения.

Алюминий имеет коэффициент отражения примерно 90% и выше во всем диапазоне длин волн от ИК области до нм, постепенно уменьшаясь до 86% при нм. При нм коэффициент отражения алюминия уменьшается до 40% после двухчасового пребывания на воздухе. За это время образуется слой окисла толщиной примерно 2 нм. Отсюда видно, что при определении отражения в области вакуумного ультрафиолета нельзя пренебрегать влиянием окисных или других загрязняющих пленок, даже очень малой толщины.

В качестве отражающих покрытий могут применяться пленки германия, золота и платины. Наивысший коэффициент отражения пленок германия составляет примерно 54% при нм, который уменьшался после выдержки германия в вакууме или на воздухе. Резкое уменьшение отражения со временем пребывания в вакууме непосредственно после испарения наблюдается не для всех напыленных материалов. К нечувствительным материалам относятся. в частности, золото и платина, для которых вначале наблюдается небольшое изменение отражения, а затем эта величина стабилизируется.

Для улучшения характеристик отражения применяется пленочная система, например алюминий с защитной пленкой MgF2. Высокий коэффициент отражения в области вакуумного ультрафиолета покрытий MgF2 на алюминии не уменьшается со временем при нормальных условиях хранения.

Во многих приборах для вакуумного ультрафиолета значительную трудность представляет устранение значительного по интенсивности длинноволнового рассеянного света. Для этих целей желательно иметь покрытия, которые бы обладали очень низким коэффициентом отражения в видимой и ближней ультрафиолетовой областях и высоким коэффициентом отражения в области вакуумного ультрафиолета. Например пленка MgF2 толщиной 25 нм, осажденная на пленку ZnS толщиной 80 нм, увеличивает отражение при нм от 33 до 46% и значительно уменьшает отражение для больших длин волн.