Способ определения изменения величины двулучепреломления тонкой пленки Советский патент 1993 года по МПК G01N21/23 

Изобретение относится к области оптической обработки информации и может быть использовано в материаловедении тонких пленок, поляризационной голографии и микроэлектронике.

Известен способ определения фотости- мулированных изменений коэффициента преломления и толщины тонкой пленки, основанный на том, что воздействие на пленку поглощаемым излучением, вызывающим фотостимулированные изменения,производят одновременно с непоглощаемым излучением выбранной длины волны. Величины фотостимулированных параметров находят путем определения пропускания пленкой непоглощаемого излучения и последующего расчета. Однако этот способ не дает возможности определения фотоиндуцированного двулучепреломления (ФДЛП),

вызываемого воздействием на пленку поглощаемого излучения.

Наиболее близким к изобретению является способ определения двулучепреломления, в котором исследуемый объект облучают зондирующим монохроматическим линейно поляризованным излучением, изменяют его состояние поляризации с заданной частотой между двумя ортогональными направлениями tii и и измеряют пропускание пленки Ти и Tj в соответствующих поляризациях. Однако этот способ не дает возможности определения ФДЛП, вызываемого воздействием на пленку поглощаемого излучения в любой момент воздействия на пленку этого излучения.

Целью изобретения является определение изменения ФДЛП в любой момент времени воздействия на пленку поглощаемогс излучения.

VI 00

О О OJ

Цель достигается тем, что по способу определения двулучепреломления в качестве воздействующего на пленку излучения берут поглощаемое линейно поляризованное излучение, а в качестве зондирующего излучения - непоглощаемое с электрическим вектором, меняющимся между направлениями, параллельным и перпендикулярным электрическому вектору поглощаемого излучения, воздействие на пленку поглощаемым излучением производят одновременно с непог0

лощаемым, а величину изменения двулучепреломления определяют из соотношения

(Ти - TjJ(t) K( nn) (т),

где Ти (t), Tj(t) - пропускание в момент времени т в поляризациях, параллельной и перпендикулярной электрическому вектору поглощаемого излучения;

(п L- nn) (t) - фотоиндуцированное двулу- чепреломление в момент времени т;

Способ заключается в том, что пленку одновременно облучают поглощаемым линейно поляризованным излучением с электрическим вектором индуцирующим двулучепреломление, и непоглощаемым монохроматическим линейно поляризованным излучением с электрическим вектором, меняющим свое направление с частотой f между направлениями II j J Е и синхронно детектируют на частоте f разность пропусканий э поляризациях и . Далее, используя расчетную формулу, вычисляют величину фотоиндуцированного двулучепреломления. 2 ил.

V

128 jrh n2S(n2-1 )(n2 -S2) sin

4 л: n h

I

4 яп h п

Я Г(п +1 )3(n +S2) + (n -1 )3(n -S2)-2(n2 -1 )(n2-S2) cos Ј h 1

n, h - коэффициент преломления и толщина пленки соответственно;

Я - длина волны непоглощаемого излучения;

S - коэффициент преломления подложки (S 1, если пленка свободная).

Изобретение поясняется фиг. 1 и 2.

Способ основан на явлении многолучевой интерференции света в тонкой пленке. Как правило, для практических применений представляют интерес пленки, на- пыленные на прозрачные подложки. Рассмотрим случай прозрачной пленки на прозрачной подложке (фиг. 1). Здесь цифрой 1 обозначен воздух с коэффициентом преломления п0 1; 2 - тонкая пленка толщиной h с коэффициентом преломления п; 3- толстая подложка с коэффициентом преломления S. Пусть непоглощаемое монохромагде пи - ФДЛП;

I/

Тн - Tj K( nn),

128 П h n2 S ( n2 - 1 ) ( n2 - S2 ) sin

(2)

47Tn h

A (n + l)3(n+S2)+(n-l)3(n-S2)-2(n2-l)(nZ-S2) co;

,2 ч . cos

константа, которую можно вычислить, зная параметры пленки п и h, подложки S и длины волны непоглощаемого излучения Я. Здесь п - скалярный коэффициент преломления пленки, неизменный в процессе облучения, n ( n ц)/2.

Таким образом, измерив кинетику (Ти - - TjJ (t) и зная вычисленное предварительно К, можно вычислить ФДЛП в любой момент времени воздействия t на пленку поглощаемым излучением.

Необходимость использовать в качестве поглощаемого излучения линейно поля4 л: n h

I

4 яп h п2

Ј h 1

тическое излучение с постоянной длиной волны Я падает на пленку нормально (для упрощения интерференционных формул). Пропускание Т такой системы описывается известной формулой

25

Т

В - С cos р + D

0)

где А - 16n2S, В (п + 1)3 -(n + S2), С 2(п2 - 1) -(п2 - S2), D (п - 1)3 -(п - S2), р 4 л nh/Я.

При подстановке в формулу (1) показателей преломления пи и nj, соответствующих непоглощаемым пучкам света с электрическими векторами и и Ej соответственно, для разности пропусканий (анизотропии пропускания) Тп - Tj получается выражение в виде

(2)

47Tn h

2) co;

,2 ч .47Tn h , 2 cos ---j-- J

ризованное излучение следует из того, что ФДЛП возникает при облучении только линейно поляризованным излучением.

Необходимость использовать в качестве непоглощаемого излучения линейно поляризованное излучение следует из определения ФДЛП как разницы коэффициентов преломления для линейно поляризованных пучков света, имеющих электрический вектор и и Ej, по-разному ориентированный относительно оптической оси пленки, задаваемой направлением электрического вектора ЕГ поглощаемого излучения.

Регистрация кинетики изменения анизотропии пропускания существенна, так как именно кинетика и величина анизотропии пропускания, как видно из формулы (2), определяются кинетикой и величиной ФДЛП.

Модуляция поляризации непоглощаемого излучения с частотой f и синхронное детектирование анизотропии пропускания на частоте f существенны, так как реальные величины ФДЛП малы ( 10 ) и, еле- довательно, анизотропия пропускания также мала ( ). Поэтому, не используя модуляцию поляризации и синхронное детектирование, зарегистрировать анизотропию пропускания, а следовательно, и ФДЛП невозможно.

Связь между анизотропией пропускания и ФДЛП, выражаемая соотношением (2), установлена впервые при аппроксимации тонкой пленки интерферометром Фаб- ри-Перо.

Способ был реализован при определении кинетики ФДЛП в области прозрачности пленки халькогенидного стеклообразного полупроводника состава А825з, приготов- ленной методом высокочастотного ионно- плазменного распыления в вакууме. На фиг. 2 (левая ордината) представлен результат эксперимента - кинетика анизотропии пропускания пленкой непоглощаемого мо- нохроматического излучения He-Ne-лазе- ра (Я 6328 А) при одновременном облучении поглощаемым излучением Аг+ - лазера (Я 488 нм). На этой же фигуре (правая ордината) представлена вычисленная согласно формуле (2) описания кинетика изменения ФДЛП. Для данной пленки h 2 мкм, n 2,48. Коэффициент преломления подложки из силикатного стекла р 1,51. Значение К равно 5,8. Максимальная вели- чина ФДЛП составила 1,.

К

128 п h n2 S ( п2 - 1 ) ( п2 - S2 ) sin

(n+1)3(n+S2) + (n-1)3(n-S2)-2(n2-1)(n2-S2)

, h - коэффициент преломления и толщина 50S - коэффициент преломления подлож- ленки соответственно; ки пленки.

п

пленки соответственно;

Я - длина волны непоглощаемого излу чения;

Способ может найти применение для отбора необходимых сред, использующихся в устройствах для побитовой и голографиче- ской записи оптической информации. Формула изобретения Способ определения изменения величины двулучепреломления тонкой пленки, вызываемого воздействием на пленку поглощаемого излучения, включающий облучение пленки зондирующим монохроматическим линейно поляризованным излу- чением, изменение его состояния поляризации с заданной частотой между двумя ортогональными направлениями fii и Fj и измерение пропускания пленки Ти и соответствующих поляризацих, отличающийся тем, что, с целью определения изменения двулучепреломления в любой момент времени воздействия, в качестве воздействующего на пленку излучения выбирают линейно поляризованное излучение, а в качестве зондирующего излучения - непоглощаемое с электрическим вектором, меняющимся между направлениями, параллельным и перпендикулярным электрическому вектору поглощаемого излучения, воздействие на пленку поглощаемым излучением производят одновременно с непоглощаемым, а величину двулучепреломления определяют из соотношения

(Ти - TJ(t) K( ли) (т),

где Ти (т), Tj(t) -пропускание в момент времени t в поляризациях,параллельной и перпендикулярной электрическому вектору поглощаемого излучения;

(п j.-пм) (t) - фотоиндуцированное двулучепреломление в момент времени t;