紫外-可见-近红外分光光度计对薄膜进行光学表征

前言：该研究的详细情况发表在《应用光学》2012 年 1 月 10 日号（总第 51 卷，第二期）上。精确测定薄膜和多层镀膜的光学参数（使用光学镀膜的逆向工程）对于生产高质量的产品至关重要。这些数据可以给设计和生产环节提供反馈。对每一层依次进行评估后得到的逆向工程结果可以用来调整沉积参数，重校监测系统，改善对各层的厚度控制。通常是使用紫外-可见-近红外 (UV-Vis-NIR) 或傅里叶变换红外 (FTIR) 分光光度法进行光学表征，对透明基板上的薄膜样品垂直入射或接近垂直入射时的透射率 (T)和/或反射率 (R) 的数据进行分析。然而，基于垂直入射的透射率和反射率测量的光学表征以及基于垂直或接近垂直入射的透射率和反射率测量数据的可靠的逆向工程仍然十分困难。

本文中，我们展示了使用配备新的全能型测量附件 (UMA)的 Cary 5000 UV-Vis-NIR 分光光度计，将多角度光谱光度数据用于单层薄膜光学表征和多层光学镀膜逆向工程的适用性。表征致密的薄膜、磁控溅射生产的多层膜和电子束(e-beam) 蒸发薄膜通常是比较困难的。这些数据也可以通过 Agilent Cary 7000 全能型分光光度计 (UMS) 采集到。

实验部分样品研究中，我们测量了两组使用两种不同沉积技术的实验样品：磁控溅射和电子束蒸发。详情可参阅参考文献 [1]。仪器• Agilent Cary 5000 UV-Vis-NIR 分光光度计• 安捷伦全能型测量附件UMA 是高度自动化的可变角度镜面反射和透射系统，样品、检测器和偏振器位置可*通过软件控制。通过对入射光多种可控角度（0°–85° %T，5°–85° %R）的透射率 (%T) 和绝对反射率 (%R) 测量，它可以准确、快速和完整地提供样品的光学特性。能测量到照射样品的线偏振光的透射率。在入射平面上以样品为圆心移动检测器组件，可以测量绝对反射率。UMA 的这种多模式测量特性提高了分析效率，并使样品表征更为精确。UMA 的示意图如图 1 所示。

结果和讨论s 偏振光和 p 偏振光在 300–2500 nm 光谱范围内，以 7°、10°、20°、30° 和 40° 的入射角度，对样品进行了多角度光谱光度测量。在本研究的所有光学表征和逆向工程流程中，我们只采用了光谱范围 330–1100 nm 的测量数据。因为波长高于 1100 nm 时，基板吸收明显，使得对准确度的估算变得不可靠。高密度电介质薄膜使用了 UMA 来获取磁控溅射制备的 Ta2O5 和 SiO2 薄膜的多角度光谱光度数据，以对其进行光学表征。表 1 中给出了各项光学表征的数值：在 λ = 600 nm 处测量了薄膜的厚度和折射率。在不同的入射角、不同偏振态下测得的透射率和反射率数据具有很好的一致性。表 1 中列出的这两种材料的厚度和折射率 (n) 平均值的偏差均小于 0.1%。

结论我们研究了将多角度光谱应用到薄膜的光学表征和多层镀膜逆向工程上。UMA 作为安捷伦的新型先进分光光度附件（安装在 Agilent Cary 5000 UV-Vis NIR 分光光度计上），可以提供多角度、s 偏振态和 p 偏振态下的反射率和透射率数据。验证了测量数据的准确性，并证实了从紫外到近红外的宽光谱范围内，在入射角最高达到 40° 的情况下，所有的测量数据均具有很好的准确性。与传统的光谱分析相比，多角度光谱光度测定为研究人员提供了更多的实验信息。我们的研究表明，新的 UMA 分光光度计附件可以为各种光学镀层的表征及逆向工程问题的解决提供实验信息。