Optical Characterization of Thin Films

Význam tématu

Optická charakterizace tenkých vrstev a vícenasobných optických nátěrů je klíčová pro kontrolu kvality a optimalizaci výrobních procesů v průmyslové a výzkumné praxi. Přesné určení parametrů jako tloušťka vrstev a disperzní indexy lomu umožňuje zpětnou inženýrinku (reverse-engineering), kalibraci depozičních systémů a zlepšení monitorování procesu nanášení vrstev.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem aplikacní poznámky je demonstrovat využití multiúhlové spektrofotometrie pro optickou charakterizaci jednotlivých tenkých filmů a vícivrstvých zrcadel. Studie ukazuje, jak data z přenosových (%T) a reflexních (%R) měření při různých úhlech a polarizacích zlepšují spolehlivost zpětné inženýrinky optických povlaků.

Použitá metodika a instrumentace

• Spektrofotometr Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR
• Univerzální měřicí příslušenství (UMA) pro variabilní úhly od 0° do 85° (T) a 5° až 85° (R)
• Měření přenosu a absolutní reflexe v rozsahu 300–2 500 nm, pro analýzu použita data 330–1 100 nm kvůli interní absorpci substrátu nad 1 100 nm
• Polarizace světelného svazku: s- a p-polarizace
• Vzorky: magnetronové nanášení Ta₂O₅ a SiO₂; e-beam evaporace HfO₂ a SiO₂; speciální 15-vrstvý čtvrtvlnný zrcadlový systém

Hlavní výsledky a diskuse

• Dielektrické filmy Ta₂O₅ a SiO₂ ukázaly konzistentní hodnoty tloušťky (~292 nm a ~401 nm) a indexu lomu (n≈2,16 pro Ta₂O₅, n≈1,485 pro SiO₂) při různých úhlech a polarizacích; odchylky pod 0,1 %.
• Reverse-engineering 15vrstvého zrcadla detekoval záměrné chyby tloušťky ±5–7 % v určených vrstvách, což potvrzuje spolehlivost multiúhlových dat.
• HfO₂ filmy z e-beam evaporace vykázaly závislost indexu lomu na tloušťce vrstvy: tenké filmy byly amorfní a tlustší snímky obsahovaly krystalickou fázi s vyšším n. Rozdíly indexů do 0,5 % mezi úhly a polarizacemi.
• SiO₂ vrstvy z e-beam evaporace vykázaly odchylky indexu lomu 1,5–1,7 % vůči jednovrstvému standardu.

Přínosy a praktické využití metody

• Multiúhlová spektrofotometrie poskytuje výrazně více experimentálních dat než klasická měření při normálním dopadu.
• Metoda umožňuje samoověření kvality analýzy díky srovnání výsledků z různých úhlů a polarizací.
• Výsledky podporují optimalizaci depozičních parametrů, zlepšení monitoringu a přesné řízení tloušťky vrstev.
• Metoda je ideální pro analýzu optických nátěrů při šikmém dopadu nebo rozptýleném osvětlení.

Budoucí trendy a možnosti využití

Další rozvoj směru zahrnuje automatizaci multiúhlových měření s vyšším počtem poloh a širším spektrem (např. do středního IR), kombinaci s jinými spektroskopickými metodami a využití v pokročilých oblastech, jako jsou fotonické struktury, optoelektronika a tenké vrstvy pro polovodiče.

Závěr

Studie potvrzuje, že univerzální měřicí příslušenství UMA v kombinaci se spektrofotometrem Agilent Cary 5000 představuje spolehlivý a přesný nástroj pro multiúhlovou optickou charakterizaci tenkých vrstev a vícivrstvých povlaků. Rozšířené množství dat z různých úhlů a polarizací umožňuje přesnou zpětnou inženýrinku a optimalizaci výrobních procesů.

Reference

1. Tikhonravov A. et al. Optical Characterization and Reverse-engineering Based on Multiangle Spectroscopy. Applied Optics, 2012, 51(2), 245–254.
2. Tikhonravov A. et al. Optical Parameters of Oxide Films Typically Used in Optical Coating Production. Applied Optics, 2011, 50, C75–C85.
3. Modreanu M. et al. Solid Phase Crystallisation of HfO₂ Thin Films. Materials Science and Engineering B, 2005, 118, 127–131.
4. Modreanu M. et al. Investigation of Thermal Annealing Effects on Microstructural and Optical Properties of HfO₂ Thin Films. Applied Surface Science, 2006, 253, 328–334.