Измерение оптических коэффициентов нанометровых металлических пленок на частоте 10 ГГц

Abstract

The optical coefficients of ultrathin (1-30 nm) films of copper, gold and platinum on silicon and quartz substrates at a frequency of 10 GHz are studied. The films are produced by magnetron sputtering. Measurements of the reflection and transmission coefficients were carried out in the waveguide using a matched termination. As an additional, a resonator method with a tunable reflecting mirror is proposed. The reflection coefficients of the films obtained by both methods agree with one another within the error of measurement. Theoretical calculations were performed using a semiempirical model that takes into account the dependence of the film conductivity on the thickness. It was showed that the conductivity of the films is almost an order of magnitude lower than in the bulk metal. The measured reflection coefficient of platinum films is very small, and only for thicknesses exceeding 15 nm it begins to grow. A detailed analysis of the morphology of the surface of the produced films was carried out using electron microscopy methods. It is shown that copper films with a thickness of up to 4 nm oxidize very rapidly in air, as a result of which a stable oxide layer with a complex structure is formed. However, starting from a thickness of 4 nm, the films exhibit metallic properties, and their structure becomes fairly homogeneous. Platinum films on the Si (100) substrate grow in a two-dimensional manner. Grains become conical with increasing the thickness of the film. At a thickness of 5 nm, a grain structure with clear intergranular gaps is already observed. A further increase in the thickness of the film leads to an increase in the grains, but the voids between them become wider, which reduces the conductivity of the films.

• optical coefficients
• waveguide measurements
• ultrathin films of metals
• morphological structure

Аннотация (на русском)

Измерение оптических коэффициентов нанометровых металлических пленок на частоте 10 ГГц

Исследованы оптические коэффициенты ультратонких (1- 30 нм) пленок меди и платины на кремниевых и кварцевых подложках на частоте 10 ГГц. Пленки изготовлены методом магнетронного распыления. Измерения коэффициентов отражения и пропускания проводилось в волноводе с использованием согласованной нагрузки. В качестве дополнительного предложен резонаторный метод с подстраиваемым отражающим зеркалом. Коэффициенты отражения пленок, полученные обоими методами, согласуются между собой в пределах погрешности измерений. Сравнение с теоретическими расчетами, выполненными с использованием полуэмпирической модели, учитывающей зависимость проводимости пленки от толщины, показало, что проводимость пленок почти на порядок меньше, чем в объемном металле. Коэффициент отражения пленок платины очень мал, и только для толщин, превышающих 15 нм начинает подрастать. Проведен детальный анализ морфологии поверхности полученных пленок с помощью методов электронной микроскопии. Показано, что пленки меди с толщиной до 4 нм очень быстро окисляются на воздухе, в результате чего формируется стойкий слой окисла со сложной структурой. Однако начиная с толщины 4 нм, пленки проявляют металлические свойства, а их структура становится достаточно однородной. Пленки платины на подложке Si (100) растут по двумерному механизму. Зерна с увеличением толщины пленки приобретают коническую форму. При толщине 5 нм уже наблюдается структура зерен с четкими межзеренными промежутками. Дальнейшее увеличение толщины пленки приводит к росту зерен, однако пустоты между ними становятся шире, что снижает проводимость пленок.

For citation

References

1. Reuter G.E.H., Sondheimer E.H. The theory of anomalous skin effect in metals. Proc. Roy. Soc. London Ser. A, 1948. Vol. 195. No. 1042. p. 336-364. DOI: https://doi.org/10.1098/rspa.1948.0123
2. R.S. Sennett, G.D. Scott. The Structure of Evaporated Metal Films and Their Optical Properties. Journal of the Optical Society of America, 1950, Vol. 40, Issue 4, pp. 203-211. DOI: https://doi.org/10.1364/JOSA.40.000203
3. P. F. Henning et.al. Infrared Studies of the Onset of Conductivity in Ultrathin Pb Films. Phys. Rev. Lett. 1999, Vol. 83, Issue 23, pp.4880-4883. DOI: https://doi.org/10.1103/PhysRevLett.83.4800
4. D. P. Arndt et. al. Multiple determination of the optical constants of thin-film coating materials. Applied Optics, 1984, Vol. 23, No. 20, pp. 3571-3596. DOI: https://doi.org/10.1364/AO.23.003571
5. В.Г. Андреев, В.А. Вдовин, П.С. Воронов. Экспериментальное исследование поглощения волн миллиметрового диапазона в тонких металлических пленках. Письма в ЖТФ. 2003. Т.29. №.22. С. 68-74.
6. Андреев В.Г., Ангелуц А.А., Вдовин В.А., Лукичев В.Ф. Спектральные характеристики пленок хрома нанометровой толщины в терагерцовом диапазоне частот Письма в ЖТФ. 2015. Т. 41. Вып.4. С. 52-60.
7. В.Г. Андреев, В.А. Вдовин, П.С. Воронов. Исследование оптических коэффициентов тонких металлических пленок в миллиметровом диапазоне длин волн. Известия Академии Наук. Серия Физическая. 2003. Т. 67. № 12. С. 1763-1766
8. В.И. Фролов, В.А. Вдовин, В.Г. Андреев. Ближнеполевой СВЧ микроскоп для измерения проводимости тонких металлических пленок. Ученые Записки Физического Факультета, № 5, 165412-1 - 165412-4, (2016).
9. I. Khorin, N. Orlikovsky, A. Rogozhin, A. Tatarintsev, S. Pronin, V. Andreev, and V. Vdovin. Experimental study of optical coefficients of nanometer-thick copper and gold films in microwave frequency range. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2016, Vol. 10224, p. 1022407-1-1022407-7.
10. K.M. Tsysar, V.G. Andreev, V.A. Vdovin. Effective optical constants of silver nanofilms calculated in wide frequency range. Proceedings of SPIE - The International Society for Optical Engineering, 2016, Vol. 10224, p. 1022408-1 - 1022408-6.
11. Y. Poo, R. Wu, X. Fan, and J. Q. Xiao. Measurement of ac conductivity of gold nanofilms at microwave frequencies. Review of Scientific Instruments. 2010, Vol. 81, 064701 DOI: https://doi.org/10.1063/1.3436450
12. S. Xu, B.L. Evans, D.I. Flynn, C. En. The study of island growth of ion beam sputtered metal films by digital image processing. Thin Solid Films, 1994. Vol. 238. pp. 54-61. DOI: 10.1016/0040-6090(94)90648-3
13. Agustsson, J.S. Electrical resistivity and morphology of ultra thin Pt films grown by dc magnetron sputtering on SiO2. J. Phys.: Conf. Ser., 2008. Vol. 100. 082006. pp. 1-4.