Metrologia óptica de superfícies e filmes dielétricos com extensão a recobrimentos de microestrutura inomogenea

Abstract

Em nosso trabalho, temos como objetivo a caracterização óptica de superfícies, filmes homogêneos e filmes inomogêneos. Utilizamos ao todo cinco técnicas experimentais, sendo três delas estendidas à caracterização de filmes inomogêneos com índice gradual. Estas extensões, o principal aspecto inovador em nosso trabalho, permitem uma medida direta do índice de refração próximo à superfície de filmes inomogêneos, que apresentam perfil de índice de refração variável com a profundidade. Para cada tipo de amostra, é apresentada uma análise intercomparativa dos resultados obtidos pelas diferentes técnicas empregadas. No caso de superfícies, utilizamos as técnicas de Brewster-Pfund e Elipsometria para a obtenção dos índices de refração de vidros, incluindo os substratos dos filmes analisados. Para os filmes homogêneos, empregamos a técnica de Curvas Envoltórias, cujos resultados apresentaram boa concordância com medidas da espessura óptica do filme, realizadas durante seu processo de produção. Finalmente nos filmes inomogêneos, utilizamos a técnica de Modos Guiados para a obtenção do perfil do índice de refração, cuja extrapolação permite a determinação do índice junto à superfície. Este resultado é comparado com medidas diretas, pelas extensões das técnicas de Brewster-Pfund, Abelès e Elipsometria a filmes inomogêneos. Estas apresentaram boa concordância entre si para o índice de refração, mas não com o valor extrapolado por Modos Guiados. Esta discrepância foi analisada, complementada por medidas de Espalhamento Rutherford (RBS), levando a um entendimento mais detalhado do perfil de índice na vizinhança da superfície, assim como das técnicas envolvidas.

Our objective in this work is the optical characterization of surfaces and films, homogeneous and inhomogeneous. Five experimental techniques were utilized, three of which were extended to the characterization of graded index inhomogeneous films. These extensions, the principal novelty in our work, allow a direct near-surface refractive index measurement of inhomogeneous films, which present a variable refractive index profile with depth. For each kind of sample, a comparative analysis is presented of the results obtained from application of different techniques. In the case of surfaces, we used the Brewster-Pfund and Ellipsometry techniques to obtain the refractive indices of glass samples, including substrates of the films under analysis. For the homogeneous films, we applied the Envelope Method, whose results presented good agreement with optical thickness measurements performed during the film production process. Finally in the inhomogeneous films, we used the M-Line Method to obtain refractive index profile, whose extrapolation allows determination of the near-surface refractive index. This result is compared with direct measurements, obtained by extensions of the Brewster-Pfund, Abelès and Ellipsometry techniques to inhomogeneous films. These extensions presented good mutual agreement in refractive index, but not with corresponding value obtained from extrapolation in the M-Line Method. This discrepancy was analyzed, complemented by Rutherford Back-scattering (RBS) measurements, leading to a more detailed understanding of the refractive index profile in the surface neighborhood, as well as from the techniques involved.