Gaining Deeper Insights into Thin Film Response

Význam tématu

Určování optických konstant tenkých vrstev je klíčové pro navrhování a optimalizaci multilayer antireflexních či zrcadlových povlaků. Přesná spektrofotometrická měření transmitance a reflektance umožňují spolehlivou charakterizaci tloušťky a refraktivního indexu filmů, což přímo ovlivňuje výkon optických systémů v oblasti výzkumu i průmyslové výroby.

Cíle a přehled studie

Cílem prezentované aplikace bylo prokázat, že použití univerzální měřicí přídavné jednotky (UMA) na spektrofotometru Agilent Cary 5000 eliminuje systematické chyby způsobené rozdílnými úhly dopadu a měřicími body u tenkých vrstev. Studie porovnávala experimentální a teoretické chování celkových ztrát (TL = 100 % – R – T) u Ta₂O₅ filmů a hodnotila reprodukovatelnost mezi různými přístroji UMA.

Použitá metodika a instrumentace

Výchozí vzorky:

• Ta₂O₅ na Suprasilu, tloušťka ~292 nm a druhý vzorek s mírně odlišnou tloušťkou.

Měřicí přístroje:

• Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR spektrofotometr
• Univerzální měřicí příslušenství UMA – variabilní úhel dopadu, absolutní měření reflektance i transmitance na stejném místě vzorku.

Měření:

• Transmitance s-polarizovaného světla při úhlech 7° a 10°
• Reflektance s-polarizovaného světla při 10°
• Výpočet celkových ztrát TL(λ) ze naměřených hodnot.

Hlavní výsledky a diskuse

1. Měření transmitance a reflektance na rozdílných úhlech vedlo k oscilačním artefaktům v TL až ~0,4 % amplitudy, v souladu s teoretickou predikcí.
2. Při měření na stejném místě vzorku a stejném úhlu (7°) byly oscilace prakticky potlačeny na úroveň ~0,15 %, odpovídající nepatrné tloušťkové neuniformitě (~0,1 % z hodnoty 292 nm).
3. Opakovaná analýza po několika měsících a na různých UMA jednotkách prokázala vynikající reprodukovatelnost dat.

Přínosy a praktické využití metody

• Odstranění systémových odchylek způsobených rozdílnými úhly a body měření.
• Vyšší přesnost a spolehlivost stanovení optických parametrů tenkých filmů.
• Možnost implementace v kontrolních laboratořích výrobců optických povlaků pro zajištění konzistence výroby.

Budoucí trendy a možnosti využití

• Rozšíření změřitelného spektra do středního infračerveného pásma pro materiály s vyšší absorpcí.
• Integrace UMA do plně automatizovaných výrobních linek s on-line monitorováním kvality povlaků.
• Využití kombinace spektrofotometrie a elipsometrie pro komplexní analýzu anizotropních či gradientních vrstev.

Závěr

Použití univerzálního měřicího příslušenství (UMA) u Agilent Cary 5000 významně redukuje oscilace v spektrech celkových ztrát způsobené rozdílnými úhly dopadu a místy měření. Experimentalní výsledky odpovídají teoretickým predikcím a prokazují vysokou reprodukovatelnost i mezi různými přístroji. Metoda podporuje přesnou charakterizaci tenkých filmů v laboratorním i průmyslovém prostředí.

Reference

1. Amotchkina T. V. a kol. Oscillations in Spectral Behavior of Total Losses (1−R−T) in Thin Dielectric Films. Optics Express 20(14), 16129–16144 (2012).
2. Tikhonravov A. V. a kol. Effect of Systematic Errors in Spectral Photometric Data on the Accuracy of Determination of Optical Parameters of Dielectric Thin Films. Appl. Opt. 41, 2555–2560 (2002).
3. Woollam J. Ellipsometry, Variable Angle Spectroscopic. Wiley Encyclopedia of Electrical and Electronics Engineering, Supplement 1 (2000).
4. Tikhonravov A. V. a kol. Optical Parameters of Oxide Films Typically Used in Optical Coating Production. Appl. Opt. 50, C75–C85 (2011).
5. Tikhonravov A. a kol. Reliable Determination of Wavelength Dependence of Thin Film Refractive Index. Proc. SPIE 5188, 331–342 (2003).