Ocena jakości warstw optycznych i pomiar ich grubości

Dobrym przykładem warstwy pasywnej są powłoki antyrefleksyjne, które zapobiegają odbiciu światła na styku dwóch ośrodków np. powietrza i szkła. O ile pożądamy go w zwierciadłach, tak na przykładzie paneli fotowoltaicznych światło odbite przez ochronną warstwę szkła nie zostanie już zamienione w prąd. Zjawisko to nazywamy stratą optyczną i ma ono istotne znaczenie także we wszelkich urządzeniach zawierających soczewki, np. okularach, lunetach, lornetkach itp. [1]. 

Nowoczesne i efektywne warstwy antyrefleksyjne powinny zatem:

• być ultracienkie,
• być możliwie jednolite i pozbawione defektów,
• spełniać swoje zadanie bez znaczenia na kąt padania światła,
• mieć zastosowanie dla szerokiego pasma promieniowania.

Wykrywanie i analiza defektów warstw optycznych

Istotnym aspektem wykorzystywania powłok optycznych jest więc ciągła analiza ich parametrów oraz jakości poprzez wykrywanie i analizowanie defektów. To pozwala utrzymać jakość produkcji i ewentualnie usprawniać proces technologiczny.

Warstwy antyrefleksyjne charakteryzuje się na różne sposoby, aby określić ich jakość i funkcjonalność:

• własności optycznebada się za pomocą spektrofotometrii UV-Vis czy spektroskopii elipsometrycznej,
• strukturę krystaliczną charakteryzuje się dzięki dyfraktometrii rentgenowskiej,
• skład i właściwości chemiczne analizuje się z wykorzystaniem rentgenowskiej spektrometrii fotoelektronów, spektroskopii Ramana czy spektroskopii w podczerwieni.

Jednym z głównych czynników obniżających sprawność działania powłok optycznych jest występowanie na ich powierzchni różnego rodzaju defektów. Odzwierciedlają one niedoskonałości podłoża i powodują zwiększenie strat optycznych [2]. Ocena jakości powłok pod kątem wyżej wymienionych cech oraz pomiar ich grubości może być dokonany między innymi za pomocą metod spektroskopowych oraz mikroskopu dwuwiązkowego SEM/FIB.

Spektroskopia elipsometryczna bada zmianę polaryzacji fali elektromagnetycznej odbitej od badanego materiału. Umożliwia ona pomiar grubości bardzo cienkich warstw – nawet poniżej 10 nm [3]. Wadą tej metody jest jednak konieczność zastosowania modelu umożliwiającego konwersję uzyskiwanych z pomiaru informacji (stosunek amplitud, różnica faz) na parametry oczekiwane.

Analiza warstw optycznych w Nanores

W naszym laboratorium stosujemy efektywniejszą i szybszą metodę – analizę defektów i grubości warstw optycznych przez wykonanie przekroju próbki(np. soczewki) za pomocą zogniskowanejwiązki jonów FIB.  Aby uwidocznić powłoki antyrefleksyjne pod mikroskopem SEM/FIB, musimy jedynie nanieść na badaną próbkę cienką warstwę materiału przewodzącego (np. złota).

Dzięki takiemu zabiegowi możliwe jest obrazowanie i modyfikowanie struktury powłoki w skali mikro i nano. Realizujemy pomiar grubości i jednorodności kolejnych warstw następujących po sobie, w głąb próbki, (obraz poniżej) [4,5]. Ze względu na możliwość bezpośredniego obrazowania, możliwa staje się także analiza konkretnych defektów, których kształt może prowadzić do poznania przyczyny ich powstania [2].

Rozwiązujemy problemy

Jeśli w Państwa firmie ważną rolę odgrywają elementy optyczne z naniesionymi powłokami – zapraszamy do kontaktu. Nasz zespół inżynierów chętnie doradzi i zaproponuje możliwe usprawnienia z wykorzystaniem mikroskopów SEM/FIB. 

Bardzo serdecznie dziękujemy Panu Łukaszowi Remezowi i firmie PIK Instruments za pomoc w przygotowaniu materiałów do artykułu.

Źródła:
[1] Keshavarz Hedayati, Mehdi, and Mady Elbahri. „Antireflective coatings: Conventional stacking layers and ultrathin plasmonic metasurfaces, a mini-review.” Materials 9.6 (2016): 497.
[2] Cheng, X., & Wang, Z. (2014). Defect-related properties of optical coatings. Advanced Optical Technologies, 3(1), 65-90.
[3] https://www.horiba.com/en_en/spectroscopic-ellipsometry/
[4] Yeoh, T. S., Chaney, J. A., Leung, M. S., Ives, N. A., Feinberg, Z. D., Ho, J. G., & Wen, J. (2007). Three-dimensional failure analysis of high power semiconductor laser diodes operated in vacuum. Journal of Applied Physics, 102(12), 123104.
[5] Reddy, K. C. S., Karthik, D., Bhanupriya, D., Ganesh, K., Ramakrishna, M., & Sakthivel, S. (2018). Broad band antireflective coatings using novel in-situ synthesis of hollow MgF2 nanoparticles. Solar Energy Materials and Solar Cells, 176, 259-265.