Väitös fotoniikan ja nanotekniikan alalta, M.Sc. Masoud Rastgou

Väitöskirjan nimi: Advancements in optical metrology for gloss and thin-film characterization

Väittelijä: Masoud Rastgou
Vastaväittäjä: Prof. Mathieu Hébert, Université Jean Monnet Saint-Etienne, Ranska
Kustos: Prof. Erkki Ikonen, Aalto-yliopiston sähkötekniikan korkeakoulu

Tämä väitöskirja kehittää ja validoi optisia mittausmenetelmiä kahdelle arjessa tärkeälle mutta vaikealle suureelle: pinnan kiillolle ja läpinäkyvien pinnoitteiden paksuudelle (ohutkalvot). Tavoitteena on tuottaa tarkkoja, eri laitteiden välillä vertailukelpoisia ja standardeihin jäljitettäviä tuloksia, joihin laboratoriot ja yritykset voivat luottaa. 

Ensin tarkastellaan, miksi perinteiset kiiltomittarit voivat antaa erilaisia tuloksia. Niiden valotunnistimen aukon koko ja sijainti vaikuttavat mittaukseen. ISO 2813 -standardin mukaisella laboratorio gonio-reflektometrillä, ja vertaamalla kaupallisiin laitteisiin korkean, keski- ja matalan kiillon näytteillä, työ osoittaa, että peilimäisen heijastuksen ympärillä tehtävä kulmaskannaus mahdollistaa tarkat kiiltolukemat myös kapeammilla aukoilla. Skannaus paljastaa, miten todellisten pintojen epäsymmetrinen ja diffuusi heijastus voi vääristää vakiomittauksia, ja tarjoaa vankan tavan kvantifioida tavanomaisten aukkoasetusten aiheuttama mittausepävarmuus. 

Seuraavaksi verrataan kahta keskeistä ohutkalvomenetelmää—spektristä reflektometriaa ja ellipsometriaa—piidioksidi- ja alumiinioksidikalvoilla paksuusalueella 10–2000 nm. Menetelmien tulokset ovat yhteneviä epävarmuusrajojensa puitteissa; ellipsometria on erityisen tarkka hyvin ohuilla kerroksilla, kun taas reflektometria toimii parhaiten paksummilla kalvoilla. Analyysi tarjoaa selkeät ohjeet sopivan menetelmän valintaan paksuuden mukaan sekä kattavaan epävarmuuden arviointiin. 

Lopuksi esitellään uusi analyysitapa mikroskooppipohjaiselle reflektometrialle, joka soveltuu hyvin pienten alueiden mittaamiseen. Mallintamalla tulokulmien jakaumaa, korjaamalla instrumentin spektrisen kaistanleveyden vaikutuksen ja huomioimalla mittausalueen sisäiset paksuusvaihtelut, menetelmä tuottaa tuloksia, jotka vastaavat gonio-reflektometrin referenssiä ja parantavat selvästi mikromittakaavan mittausten tarkkuutta ja epävarmuusanalyysiä. 

Nämä edistysaskeleet tekevät optisesta metrologiasta luotettavampaa. Työ selventää menetelmien vahvuuksia ja rajoja, tarjoaa käytännölliset menettelyt epävarmuuden arviointiin ja tuottaa jäljitettäviä mittaustapoja, joita voidaan hyödyntää laadunvalvonnassa ja tutkimuksessa pinnoitteissa, optiikassa, elektroniikassa, puolijohdeteollisuudessa ja energiateknologioissa. Johtopäätöksenä on joukko huolellisesti testattuja keinoja kiillon ja ohutkalvon paksuuden mittaamiseen, jotka tukevat parempaa, näyttöön perustuvaa päätöksentekoa.

Linkki väitöskirjan sähköiseen esittelykappaleeseen (esillä 7 päivää ennen väitöstä): Aaltodoc