Optical Characterization of Thin Films

Význam tématu

Optická charakterizace tenkých vrstev a vícevrstvých povlaků je zásadní pro kontrolu kvality a optimalizaci výroby optických komponent. Přesné stanovení tloušťky a indexu lomu jednotlivých vrstev umožňuje zpětnou analýzu (reverse-engineering) výrobních parametrů a zajišťuje konzistentní optické vlastnosti výsledných produktů.

Cíle a přehled studie / článku

Cílem studie je demonstrovat využití univerzálního příslušenství UMA pro měření pod různými úhly dopadu na spektrofotometru Agilent Cary 5000 (resp. Cary 7000) pro:

• optickou charakterizaci jednotlivých tenkých vrstev (Ta2O5, SiO2, HfO2)
• zpětnou analýzu vícevrstvých optických zrcadel s kvartvlnnými vrstvami
• porovnání výsledků pro vrstvy připravené magnetronovým naprašováním a e-paprskovou evaporací

Použitá metodika a instrumentace

Studie využívá následující vybavení:

• Spektrofotometr Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR
• Univerzální příslušenství UMA s automatizovaným nastavením úhlu dopadu (0–85°) a detektoru
• Polarizace světelného paprsku do s- a p-stavu

Měřicí rozsah spektra 300–2 500 nm, pro analýzu bylo použito data v rozsahu 330–1 100 nm (vynechány oblasti se silnou absorpcí substrátu nad 1 100 nm).

Hlavní výsledky a diskuse

Pro magnetronem naprašované vrstvy Ta2O5 a SiO2 bylo zjištěno:

• Průměrná tloušťka Ta2O5 ~292,4 nm, index lomu n~2,161 při λ=600 nm
• Průměrná tloušťka SiO2 ~401,6 nm, index lomu n~1,484 při λ=600 nm
• Odchylky tlouštěk i indexů lomu v různých úhlech a polarizacích <0,1 %

Pro 15vrstvé kvartvlnné zrcadlo s úmyslnými chybami tlouštěk (+5 %, +7 %, –5 %, +5 %) UMA spolehlivě detekovalo všechny plánované odchylky (obr. s relativními chybami vrstvy do ±8 %).

U e-paprskem evaporovaných vrstev HfO2 a SiO2 byly výsledky:

• Index lomu HfO2 se lišil až o 0,5 % mezi jednotlivými vrstvami v důsledku závislosti na tloušťce a krystalizaci
• Odchylky indexu SiO2 v rozmezí 1,5–1,7 % vůči referenční jednovrstvě
• Dobrá shoda reálných závislostí indexu lomu HfO2 na vlnové délce s literaturou potvrzuje kvalitu měření a různou krystalickou strukturu tenkých a silnějších vrstev

Přínosy a praktické využití metody

Multiúhlová spektrální fotometrie přináší následující výhody:

• Vícerozměrná data (různé úhly, polarizace) zvyšují spolehlivost a přesnost charakterizace
• Možnost zpětné analýzy složitých vícevrstvých struktur bez nutnosti mít k dispozici model vrstvy
• Automatizované měření šetří čas a minimalizuje chyby uživatele

Budoucí trendy a možnosti využití

Rozšíření aplikací multiúhlové spektroskopie lze očekávat v oblastech:

• In situ monitorování růstu vrstev při depozici
• Analýza nestandardních povrchů nebo zakřivených substrátů
• Pokročilé modelování anizotropních a gradientních vrstev

Závěr

Studie prokázala, že univerzální příslušenství UMA na spektrofotometru Agilent Cary poskytuje přesná a opakovatelná data pro optickou charakterizaci tenkých vrstev i reverzní inženýrství vícevrstvých povlaků. Multiúhlová měření významně zvyšují spolehlivost stanovení tlouštěk a indexů lomu a umožňují detekci i malých odchylek v průběhu výrobního procesu.

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.