Caracterización óptica de películas delgadas mediante interferometría holográfica

Abstract

El objetivo es medir espesores de películas delgadas del orden de fracciones de la longitud de onda del láser utilizado, y lograr la reconstrucción tridimensional de las superficies como una imagen del contraste de fase a través del desarrollo de algoritmos de procesamiento de los hologramas digitales. Para el desarrollo del trabajo experimental, en una primera etapa se utilizó una muestra que contiene una película de plata depositada sobre silicio cristalino, de espesor conocido. Se aplicó la técnica de microscopía holográfica digital a dicha muestra, para obtener imágenes del diagrama de fases. La segunda etapa consistió en determinar la distancia focal optima, con tolerancias del orden de la décima de milímetro, situando la cámara (plano imagen) a diferentes distancias de la muestra (plano objeto) y analizando diferentes operadores de medición de foco. En la tercera etapa se desarrolló la corrección de las principales aberraciones ópticas presentes en el diagrama de fases por métodos de procesamiento numérico. Una vez cumplidos los tres pasos anteriores se procedió a obtener hologramas de la muestra de referencia. Se obtuvieron mediciones del espesor del depósito de plata de aproximadamente 160 nanómetros, con una tolerancia de 10 nanómetros . Por último se tomaron hologramas de una muestra que contiene una película delgada de óxido de silicio sobre silicio cristalino. Las imágenes de fases procesadas arrojaron espesores del óxido de silicio de aproximadamente 90 nanómetros, con una tolerancia de 10 nanómetros, obteniéndose también gráficas de los perfiles de la superficie y gráficas tridimensionales de la topografía superficial.

The objective is to measure thin film thicknesses on the order of fractions of the wavelength of the laser used, and achieve three-dimensional reconstruction of surfaces as a phase contrast image through the development of digital hologram processing algorithms. In a first stage a sample containing a silver film deposited on crystalline silicon was used, known thickness from measurements made in previous work. The digital holographic microscopy technique was applied to said sample, to get images of the phase diagram. The second stage consisted of determining the optimal focal length, with tolerances on the order of a tenth of a millimeter, placing the camera (image plane) at different distances from the sample (object plane) and analyzing different focus measurement operators using algorithms. In the third stage, the correction of the main optical aberrations in the phase diagram was developed by numerical processing methods. Once the three previous steps had been completed, holograms of the reference sample were obtained. Processing the phase images obtained measurements of the thickness of the silver deposit of approximately 160 nanometers, with a tolerance of 10 nanometers, which is in agreement with measurements made on the sample in the preceding experiences. Next holograms were taken of a sample containing a thin film of silicon oxide on a crystalline silicon substrate. The phase images processed gave measurements of the thickness of silicon oxide of approximately 90 nanometers, with a tolerance of 10 nanometers, also obtaining graphs of the surface profiles and three-dimensional graphs of the surface topography.