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Messsystem zur ortsaufgelösten optischen Charakterisierung dünner Schichten

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F. Mayrhofer, G. Zauner, G. Hendorfer, G. Darilion, T. Müller - Messsystem zur ortsaufgelösten optischen Charakterisierung dünner Schichten - Proceedings of FFH2008 Fachhochschul Forschungs Forum, Wels, Österreich, 2008, pp. 9999

Abstract

Motivation: Bei der Charakterisierung und Vermessung von dünnen Schichten ist die Bestimmung der optischen Eigenschaften ein zentraler Aspekt. Diese wird dadurch erschwert, dass das Reflexions- und Transmissionsvermögen - abhängig von Schichtdicke und Wellenlänge - stark von jenem des Bulk-Materials abweicht. Eine gängige Methode zur Bestimmung der komplexen Brechzahl eines Materials ist die Ellipsometrie. Diese ist sowohl vom messtechnischen Aufbau als auch von der Auswertung aufwändig, und daher für Insitu-Messungen nur bedingt geeignet. Soll das Wachstum einer Schicht auf einem Grundmaterial beobachtet werden, so kann dies durch Messung des Reflexionsgrads erfolgen. Der zeitliche Verlauf des Reflexionsgrades wird dann an ein bestehendes physikalisches Modell angenähert und somit die optischen Konstanten der beteiligten Materialien bestimmt. Dünne Schichten werden oft mittels thermischer Prozesse auf Bauteile aufgebracht, wobei eine ortsaufgelöste Kontrolle der Beschichtung wünschenswert ist. Ziel dieser Arbeit ist die Messung der spektralen, thermischen Strahlung (und somit des Emissionsgrades) mit Hilfe eines Flächen-Sensor und die Entwicklung einer einfachen Methode für die Bestimmung der optischen Eigenschaften aus diesen Messdaten. Ergebnisse: Für die Messung wurden polierte Stahlproben unter Stickstoffatmosphäre auf etwa 500-550°C erhitzt. Anschließend wurde Sauerstoff eingebracht und das Wachstum der Oxidschicht auf der Probenoberfläche beobachtet. Die thermische Strahlung wurde mit einer CCD-Matrix Kamera im nahen Infrarotbereich gemessen. Die Signale weisen aufgrund von Interferenzeffekten in der Oxidschicht charakteristische zeitliche Verläufe auf. Bei konstanter Probentemperatur ist die Änderung des Signals auf eine Änderung des Emissionsgrades zurückzuführen. Ausgehend von einem Reflexionsmodell (basierend auf den Fresnel - Koeffizienten und Maxwell - Gleichungen) kann unter Berücksichtigung der Energieerhaltung ein Modell für den Emissionsgrad gewonnen werden. Der Verlauf des Emissionsgrades in Abhängigkeit der Schichtdicke zeigt das abwechselnde Auftreten von Maxima und Minima, deren Amplitude mit zunehmender Schichtdicke abnimmt. Die Dämpfung zwischen zwei aufeinander folgenden Maxima oder Minima ist durch die Absorption in der Schicht bedingt. Unter bestimmten Voraussetzungen kann daraus die komplexe Brechzahl der Schicht bestimmt werden. Durch die Messung des Emissionssignals mit einer herkömmlichen Matrix-Kamera können örtliche Unterschiede im Schichtwachstum erkannt und zur Prozesskontrolle herangezogen werden. Diskussion und Schlussfolgerung: Die beschriebene Methode zur Bestimmung der komplexen Brechzahl einer dünnen Schicht zeichnet sich durch mehrere Punkte aus: Der apparative Aufwand zur Messung der Emission mittels CCD-Kamera ist gering. Trotzdem liefert die Messung eine ortsaufgelöste Kontrolle des Schichtwachstums. Die Brechzahl des Substrates muss dabei nicht bekannt sein. Weiters kann unterschieden werden, ob unterschiedliche Emissionsgrade an verschieden Stellen der Probe aufgrund variierender Schichtdicken oder aufgrund von Materialveränderungen zustande kommen. Neben den beschriebenen Oxidschichten können mit Hilfe dieses methodisch neuen Ansatzes auch andere semitransparente Schichten, welche durch einen Wärmebehandlungsprozess aufgebracht werden, vermessen werden.