Способ определения спектральной зависимости коэффициента отражения тонкопленочных покрытий

Изобретение относится к области колориметрии и предназначено для измерения спектральной зависимости коэффициента отражения зеркально отражающих тонкопленочных покрытий из различных материалов. Измерения осуществляют с помощью приставки к спектрофотометру относительным способом, сравнивая образец с неизвестным коэффициентом отражения ρ с эталоном, коэффициент отражения ρ₀ от которого известен, при этом при измерениях коэффициентов отражения менее 20% в качестве эталона используют пластину с матированной зачерненной задней гранью, изготовленную из оптического стекла с известным коэффициентом отражения, а при измерениях коэффициентов отражения более 20% используют эталон в виде зеркала с наружным отражающим слоем хрома. Технический результат - повышение точности измерения, упрощение измерения спектральной зависимости коэффициента отражения тонкопленочных покрытий. 3 ил.

 

Изобретение относится к области колориметрии и предназначено для измерения спектральной зависимости коэффициента отражения зеркально отражающих тонкопленочных покрытий из различных материалов, что может быть использовано для определения их цветовых координат.

Известен способ определения цвета объектов и устройство для его осуществления [1], заключающийся в подаче излучения для освещения поверхности объекта коаксиально относительно приемного световода и регистрации на выходе приемного световода излучения, по параметрам которого судят о цвете объекта. При этом входное окно световода установлено на расстоянии не более 5 мм до объекта.

К недостаткам этого способа можно отнести его относительно низкую чувствительность из-за неизбежных оптических потерь, обусловленных поглощением и рассеянием света в приемном световоде, а также сложность получения малых углов падения света, близких к нормальному, при которых значение коэффициента отражения не зависит от угла падения и равно коэффициенту отражения при нормальном падении.

Известен способ измерения свойств цвета поверхности [2], в соответствии с которым измеряемую поверхность освещают заданными и спектрально различимыми видами излучения света, причем дневной свет считают эталонным видом излучения. При этом компоненты матрицы цвета вычисляют, используя измеренные спектральные плотности светового потока, рассеянного от измеряемой поверхности, с их нормировкой к спектральной плотности светового потока от эталонного вида излучения света, а также к нормируемой величине измеренной освещенности поверхности от эталонного вида излучения света и к нормируемому измеряемому телесному углу для светового потока, рассеянного измеряемой поверхностью.

Недостатками этого способа являются его сложность, невозможность непосредственного измерения спектральной зависимости коэффициента отражения исследуемых образцов и, в случае необходимости, определения их коэффициентов пропускания на той длине волны без перенастройки монохроматора.

Наиболее близким техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является способ определения интегрального коэффициента отражения [3], согласно которому измерения осуществляют относительным методом с использованием, в частности, рефлексометра типа ИФТ-32, сравнивая образец с неизвестным коэффициентом отражения с эталоном, коэффициент отражения от которого известен. При этом при измерениях в качестве эталона используют пластину, изготовленную из оптического стекла с известным коэффициентом отражения. Для устранения вредного светового потока, отраженного от нижней поверхности, эталон и исследуемый образец должны иметь клиновидность.

К недостаткам этого способа следует отнести невозможность совместного измерения коэффициентов отражения и пропускания одного и того же образца на строго определенной длине волны с целью определения поглощения, например, тонкопленочных покрытий, а также сложность изготовления клиновидных образцов.

Задача, на решение которой направлено изобретение, состоит в повышении точности измерений, а также в упрощении способа получения спектральной зависимости коэффициента отражения тонкопленочных покрытий, обеспечивающего измерение спектральной зависимости коэффициента пропускания этих покрытий на той же длине волны без перенастройки монохроматора.

Это достигается тем, что в способе определения спектральной зависимости коэффициента отражения тонкопленочных покрытий, в отличие от прототипа, измерения осуществляют с помощью приставки к спектрофотометру СФ-46 относительным способом, сравнивая образец с неизвестным коэффициентом отражения ρ с эталоном, коэффициент отражения ρ₀ от которого известен, при этом при измерениях коэффициентов отражения менее 20% в качестве эталона используют пластину с матированной зачерненной задней гранью, изготовленную из оптического стекла с известным коэффициентом отражения, а при измерениях коэффициентов отражения более 20% используют другой эталон - зеркало с наружным отражающим слоем хрома.

Сущность изобретения поясняется чертежами.

На фиг.1 представлена схема приставки с спектрофотометру СФ-46 для измерения коэффициента отражения. На металлической пластине устанавливают два зеркала 1 и 2 с наружным отражающим слоем алюминия. При юстировке эти зеркала могут поворачиваться вокруг вертикальных осей О₁ и О₂. На пластине устанавливают также окно АВ, к краям которого пружиной поджимается или алюминиевое зеркало 3 (при юстировке), или пластина с нанесенной на нее исследуемой пленкой. В отюстированной приставке монохроматический пучок света, выходящий из отверстия S₁ монохроматора спектрофотометра, последовательно отражается от зеркала 1, от зеркала 3 или от исследуемого образца и после отражения от зеркала 2 через отверстие S₂ попадает на катод фотоэлемента.

Известно, что значение коэффициента отражения ρ зависит от угла падения i света на поверхность образца, однако при углах падения менее 20° для неполяризованного света он остается практически неизменным и равным коэффициенту отражения при нормальном падении. В предлагаемой приставке расстояния х и y выбирают таким образом, чтобы угол i падения луча на образец не превышал 10°, следовательно, коэффициент отражения, полученный с ее помощью, такой же, как и при нормальном падении.

Измерения с помощью предлагаемой приставки осуществляют относительным способом, состоящим в том, что образец с неизвестным коэффициентом отражения ρ сравнивается с другим образцом (эталоном) коэффициент отражения ρ₀ от которого известен.

На фиг.2 представлена зависимость коэффициента отражения ρ₀ от длины волны λ падающего света для стекла К-8 (1) и отражающего слоя хрома (2).

При измерениях коэффициентов отражения менее 20% в качестве эталона используют пластину из оптического стекла К-8. Во избежание отражения света от задней грани ее матируют и зачерняют. По известной зависимости коэффициента преломления от длины волны для этого стекла по формуле , где n - абсолютный показатель преломления стекла К-8, подсчитывают значения коэффициента отражения и по этим данным строят кривую 1 зависимости коэффициента отражения ρ₀ от длины волны λ падающего света.

При измерениях коэффициентов отражения более 20% в качестве эталона используют зеркало с наружным отражающим слоем хрома. Хром - химически стойкий элемент, мало подверженный действию атмосферы. Коэффициент отражения хрома незначительно изменяется с изменением длины световой волны. Этими качествами и обусловлен выбор хромового зеркала.

Способ определения спектральной зависимости коэффициента отражения тонкопленочных покрытий осуществляют следующим образом.

У окна АВ, в положении 3, устанавливают образец с исследуемой пленкой. Руководствуясь правилами работы на спектрофотометре, добиваются появления на табло микропроцессора показания 100%. Затем вместо исследуемой пленки в положении 3 помещают эталонную пластину с известным коэффициентом отражения ρ₀. На табло появляется значение α%. Коэффициент отражения от исследуемой пленки подсчитывают по формуле .

На фиг.3 представлена зависимость коэффициента отражения ρ от длины волны λ падающего света для пленок меди, построенная по литературным данным (1) и полученная экспериментально (2). Результаты измерения спектральной зависимости коэффициента отражения, полученные по предлагаемому способу, находятся в достаточно хорошем согласии с данными, приведенными в литературе. Это видно на примере кривых зависимости коэффициента отражения от длины волны для тонкопленочных медных покрытий. Кривая 1 построена по данным, приведенным в литературе для свеженапыленного слоя меди. Кривая 2 получена экспериментально по предлагаемому способу для пленки меди через 6 часов после вакуумного напыления.

Каретка кюветного отделения спектрофотометра фиксируется в нескольких положениях. Приставка в каретке располагается так, что измерения коэффициента отражения проводят, когда каретка находится в крайнем положении. Размеры приставки таковы, что впереди нее, ближе к отверстию S₁, на каретке возможно расположить держатель образцов для измерений коэффициента пропускания τ. Поэтому, если при нахождении каретки в крайнем положении измеряется коэффициент отражения образца, то при переводе каретки в другое положение можно измерить коэффициент пропускания τ того же образца без перенастройки монохроматора, что существенно упрощает измерение коэффициентов ρ и τ на одной и той же длине волны.

Технический результат состоит в том, что предлагаемый способ позволяет существенно повысить точность измерений, а также упростить измерение спектральной зависимости коэффициентов отражения и пропускания тонкопленочных покрытий.

Способ определения спектральной зависимости коэффициента отражения тонкопленочных покрытий, осуществляемый относительным методом путем сравнения образца с неизвестным коэффициентом отражения с эталоном, коэффициент отражения от которого на данной длине волны известен, отличающийся тем, что измерения осуществляют на спектрофотометре СФ-46, при этом для повышения точности в качестве эталона при измерении коэффициентов отражения менее 20% используют пластину с матированной зачерненной задней гранью, изготовленную из оптического стекла К-8, а при измерениях коэффициентов отражения более 20% - зеркало с наружным отражающим слоем хрома, вычисляя коэффициент отражения от исследуемой пленки по формуле

ρ=(ρ₀/α)·100%,

где ρ - коэффициент отражения тонкопленочного покрытия на данной длине волны; ρ₀ - коэффициент отражения эталона на данной длине волны; α - показание на табло микропроцессора спектрофотометра при определении коэффициента отражения эталона на данной длине волны, %.