Caracterización óptica de sustratos metálicos mediante elipsometría espectroscópica

Abstract

La polarimetría es una técnica basada en el estudio de la variación del estado de polarización de un haz de luz que se refleja, transmite o difunde en su interacción con un medio material. Conociendo el estado de polarización del haz incidente, es posible detectar las variaciones inducidas por la muestra y, a partir de ellas, obtener sus propiedades ópticas. La elipsometría, una técnica derivada de la polarimetría, se enfoca exclusivamente en estados de luz polarizada. Su principio se basa en analizar la polarización de un haz que se refleja en una superficie o lámina delgada, con el objetivo de extraer las propiedades ópticas del material. Esta técnica es especialmente relevante en nanofotónica, y es empleada en sectores como la microelectrónica, la energía solar, la biomedicina y la fabricación de materiales avanzados, donde el control del índice de refracción complejo resulta crucial para el diseño y optimización de dispositivos funcionales. El propósito de este proyecto es diseñar y montar un elipsómetro con configuración PSAr, simular las condiciones óptimas para la realización de las medidas con dicho dispositivo y utilizarlo para obtener las propiedades ópticas de dos sustratos metálicos: el oro (Au) y el aluminio (Al). Para ello, se procedió al montaje experimental y alineamiento del elipsómetro, realizando un estudio del rango espectral de la fuente de luz y el rango operacional de los polarizadores empleados. En la simulación, se evaluaron las desviaciones relativas de los resultados en función de la variación de los parámetros libres (el ángulo de incidencia, el ángulo del analizador y el ángulo del polarizador), para determinar los intervalos adecuados para llevar a cabo las medidas minimizando errores sistemáticos. Finalmente, se realizaron medidas experimentales donde se obtuvieron los valores del índice de refracción complejo (n, k) en el rango del visible para ambos sustratos. La comparación con los valores de referencia y los datos tomados con un elipsómetro comercial de alta precisión evidencian una gran concordancia y exactitud de las medidas. Se identificó que la principal fuente de error en el experimento está relacionada con la determinación del ángulo de incidencia (ϕ0).

Polarimetry is a technique based on the study of changes in the polarization state of a light beam as it is reflected, transmitted, or scattered during its interaction with a material. By knowing the polarization state of the incident beam, it is possible to detect the variations induced by the sample and, from these, determine its optical properties. Ellipsometry, a technique derived from polarimetry, focuses exclusively on polarized light states. It is based on analyzing the polarization of a beam reflected from a surface or thin film, with the aim of getting the material’s optical properties. This technique is particularly relevant in nanophotonics and it is widely used in fields such as microelectronics, solar energy, biomedicine, and advanced materials manufacturing, where control of the complex refractive index is crucial for the design and optimization of functional devices. The purpose of this project is to design and assemble an ellipsometer with a PSAr configuration, simulate the optimal conditions for performing measurements with this device, and use it to determine the optical properties of two metallic substrates: gold (Au) and aluminium (Al). To this end, it was proceeded with the experimental setup and alignment of the ellipsometer, including a study of the spectral range of the light source and the operational range of the polarizers used. In the simulation, the relative deviations of the results were evaluated as a function of the variation of the free parameters (the angle of incidence, the angle of the analyzer and the angle of the polarizer), in order to determine the appropriate intervals for performing measurements while minimizing systematic errors. Finally, the complex refractive index (n, k) was obtained in the visible range for both substrates. The comparison with reference values and the data obtained using a high-precision commercial ellipsometer demonstrate a high degree of agreement and accuracy. The main source of error in the experiment was identified as being related to the determination of the angle of incidence (ϕ0).