Femtosekundový sonar pro studium tenkých vrstev

Bc. Martina Tauchmanová

Master's thesis

Femtosecond sonar for thin-film studies

Abstract:

Tenké vrstvy jsou nedílnou součástí optického průmyslu a vědeckých aplikací. Jejich hlavní funkcí je zajistit požadované optické, mechanické a chemické vlastnosti. Zejména ty optické vlastnosti jsou úzce spjaty s tloušťkou samotných vrstev, jejich kvalitou a způsobem a kvalitou nanesení. Proto je věnována značná pozornost následné kontrole a charakterizaci. Existuje řada charakterizačních metod pro měření optických vlastností vrstev, avšak zkoumání jednotlivých rozhraní vrstev je obtížné. Obvykle se totiž jedná o několik nanometrů tenké přechodové vrstvy skryté různě hluboko pod povrchem. Jednou z možností, jak tato rozhraní zkoumat, je použití nástroje ultrarychlé spektroskopie tzv. femtosekundového (fs) sonaru, který je předmětem zkoumání této práce. S využitím fs sonaru, pracujícím na principu excitace a sondování (tzv. pump-probe), bylo provedeno zkoumání tenkých homogenních vrstev oxynitridu křemíku. Analyzované vzorky měly dvouvrstvou strukturu na substrátu křemíku: Ti/SiOxNy/Si a jednotlivé zkoumané vzorky obsahovaly různý poměr kyslíku a dusíku. Byl snímán časový vývoj změny odrazivosti vzorku v závislosti na pozici akustické vlny vyvolané excitačním pulzem o vlnové délce 1028 nm. Sondování bylo realizováno jednak kvazimonochromatickými pulzy s vlnovou délkou 514 nm, tak širokopásmovým superkontinuem s rozsahem přibližně 450-750 nm. V rámci provedených experimentů byl zkoumán vliv vlnové délky sondovacího pulzu na podobu signálu, vliv optického výkonu excitace a ověření generace akustické vlny v Ti vrstvě. Bylo provedeno i poziční měření. Analýza zahrnovala prokládání signálu navrženou funkcí, z čehož mohly být odečteny parametry signálu včetně akustické rychlosti v daném materiálu. Tyto výsledky jsou základním kamenem pro hlubší porozumění šíření akustické vlny tenkými vrstvami a jsou počátkem dalších bádání v této oblasti.

Abstract:

Thin layers are an essential part of the optical industry and science applications. Their main goal is to provide the required optical, mechanical and chemical characteristics. The optical characteristics are significantly influenced by the thickness and quality of the layer as well as the quality of the deposition process. Therefore great attention is given to the characterization of deposited layers. A broad variety of characterization methods is used to measure overall optical performance. However, measuring interfaces between singular layers is extremely difficult. These interfaces are usually only a few nanometers thick and deep below the surface of the sample. One possible way to study these interfaces is the use of ultrafast spectroscopy, namely the femtosecond (fs) sonar, which is the subject of this thesis. The fs sonar employs the pump-probe principle has been used to study homogeneous thin layers of silicon oxynitride. Analyzed samples have a two-layer structure on silicon substrate: Ti/SiOxNy/Si and individual samples had different oxygen-nitrogen ratios. The dynamics of the reflectivity of the sample was studied concerning the position of the acoustic wave created by the pump pulse at the wavelength of 1028 nm. Probing was done by either quazimonochromatic pulses at 514 nm wavelength or broadband supercontinuum with the wavelength range of 450-750 nm. The effect of the probe pulse wavelength and excitation power on the signal has been studied. Acoustic wave generation in the Ti layer has been verified and position scanning has been carried out. The analysis included signal fitting, which allowed for parameter extraction, for example, the acoustic speed in the sample. These results provide a cornerstone for further understanding of acoustic wave propagation through thin layers and set the starting point for further studies in the field.

Keywords

ultrarychlá spektroskopie, excitace a sondování, fs sonar, vrstvy oxynitridu křemíku, ultrarychlá akustika

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 9. 1. 2023

Thesis defence

• Supervisor: RNDr. Karel Žídek, Ph.D.

Technical University of Liberec

Faculty of Mechatronics, Informatics and Interdisciplinary Studies

Master programme / field:
Applied Sciences in Engineering / Applied Sciences in Engineering