Измерение толщины углеродных покрытий

Аморфные (a-C) и гидрогенизированные аморфные углеродные (a-C:H) пленки отличаются множеством полезных физических свойств: жесткостью, малым трением, электроизоляцией, химической инертностью, оптической прозрачностью, биологической совместимостью, способностью к избирательному поглощению фотонов, гладкостью и устойчивостью к износу. Долгие годы такие технологически перспективные свойства притягивают огромный интерес к этим покрытиям. Они широко используются для изменения поверхности материалов и улучшения их трибологических характеристик.

Контроль толщины слоев и оптических постоянных – важнейший параметр для оптимизации покрытий в научно-исследовательских и производственных целях. Определение характеристик аморфных углеродных покрытий методом спектральной эллипсометрии позволяет осуществлять одновременное измерение этих характеристик, а также получать дальнейшую информацию о шероховатости поверхности и соотношении sp² и sp³ связей. Кроме того, эта методика позволяет получить данные о прилегании покрытия на границе раздела между подложкой и покрытием.

Характеристики алмазных и алмазоподобных материалов

Углеродные пленки с очень высокой жесткостью, высоким сопротивлением и диэлектрическими оптическими свойствами описываются как алмазоподобный углерод (таблица 1).

В настоящее время покрытия наносятся на огромное количество объектов, начиная с маленьких предметов и заканчивая большими шаблонами и литейными формами. Быстро распространяется применение алмазоподобных углеродных пленок, включающее в себя декоративные/маловязкие покрытия, покрытия для инструментов высокоскоростной обработки алюминия и медных сплавов, керамических прокладок в смесителях, направляющих в машинах для обработки текстиля, штампов/шаблонов, уплотнителей, метчиков и мн. др. Наибольшее применение эти пленки нашли в изготовлении магнитных запоминающих сред и оптических покрытий.

Таблица 1

Что представляет собой спектральная эллипсометрия?

Спектральная эллипсометрия (SE) – это оптическая методика, которая преимущественно применяется для определения толщины пленки и оптических постоянных (n,k) в однослойных или многослойных структурах.

Спектральная эллипсометрия основывается на измерении поляризованного излучения. Это неразрушающий метод, не требующий пробоподготовки. Методика очень чувствительная, что позволяет определять толщину пленки с разрешением в ангстремах.

Эллипсометрия очень информативна в описании многослойных покрытий, она позволяет определить границу раздела, шероховатость, градиент пленки, анизотропию пленки, и т.д.

Определение оптических характеристик алмазоподобных покрытий методом спектральной эллипсометрии

Пример 1

Тетраэдрические алмазоподобные углеродные пленки (ta-C) наносились фемтосекундным импульсным лазером на подложки c-Si в условиях высокого вакуума. Целью данного исследования было изучение влияния плотности энергии лазерного излучения на толщину АПУ покрытия (а также других характеристик, не указанных в данной заметке). Применение предполагалось для имплантируемых биоматериалов, целью являлось улучшение стойкости к истиранию покрытия, осажденного на протезные тазобедренные суставы.

Были изучены три образца со следующими условиями осаждения:

Измерения осуществлялись с помощью спектрального фазомодулированного эллипсометра UVISEL компании HORIBA Jobin Yvon по спектральному диапазону 1,5-5 eV (827-248 нм).

Первый образец был смоделирован из одной АПУ пленки, как показано на модели 1, второй и третий образцы демонстрируют шероховатый верхний слой над алмазоподобным слоем (см. модели 2 и 3).

Результаты показывают увеличение толщины АПУ пленки с увеличением плотности энергии лазерного излучения. То же самое происходит и с показателем преломления, и с коэффициентом затухания. Также можно заметить появление шероховатого верхнего слоя на образцах 2 и 3.

Оптические постоянные АПУ пленок моделировались по новой формуле аморфной дисперсии. График показывает сравнение оптических постоянных по образцам 1, 2 и 3.

Пример 2

Второй пример показывает результаты, полученные при определении характеристик очень тонкой аморфной углеродной пленки, нанесенной на подложку c-Si.

Синхронное и очень точное определение толщины пленки и оптических постоянных тонкого a-C покрытия осуществлено с помощью спектрального фазомодулированного эллипсометра UVISEL компании HORIBA Jobin Yvon. Благодаря методу фазовой модуляции и мощной оптической схеме, UVISEL обладает превосходными рабочими параметрами точности и чувствительности в сравнении с другими эллипсометрами, представленными на рынке.

Изображенная ниже модель использовалась для идеальной аппроксимации образца в расширенном спектральном диапазоне 190-2100 нм. Обратите внимание, что модель включает и собственный оксидный слой между подложкой и АПУ пленкой, и определение этого слоя очень важно из-за его адгезионной способности.

Запатентованная процедура аппроксимации под названием BLMC, содержащаяся в программном обеспечении DeltaPsi2, позволяет осуществлять точную обработку данных по сверхтонким пленкам.

Оптические постоянные аморфной углеродной пленки определялись по закону дисперсии New Amorphous.

Заключение

Спектральный эллипсометр UVISEL – идеальный инструмент для надежных измерений толщины пленки и оптических постоянных аморфных углеродных покрытий, даже в сложных случаях, когда толщина пленки очень мала. Прибор также позволяет определить шероховатость и адгезию на границе раздела.