Spektroskopische und abbildende Ellipsometrie

Spektroskopische Ellipsometrie

Spektroskopische Ellipsometrie.
© Fraunhofer IGB
Spektroskopische Ellipsometrie.

Die spektroskopische Ellipsometrie ist eine optische Untersuchungsmethode zur Messung der optischen Indizes n und k und der Dicke von Dünnschichten, z. B. Oxidschichten oder Polymerfilmen. Der Messbereich reicht dabei von einigen zehntel bis zu mehreren hundert Nanometern Schichtdicke. Weiterhin können Adsorptionsprozesse auf Oberflächen mit einer Nachweisgrenze von einer zehntel Monolage zeitaufgelöst (in situ) verfolgt werden. Ein großer Vorteil dieser Methode im Vergleich zur monochromatischer Ellipsometrie besteht darin, dass auch bei höheren Schichtdicken die Werte eindeutig ohne winkelaufgelöste Messungen, ermittelt werden können.

Messprinzip

Messprinzip: Spektroskopische Ellipsometrie.
Messprinzip: Spektroskopische Ellipsometrie.
Funktionsweise eines Ellipsometers.
Funktionsweise eines Ellipsometers.

Linear polarisiertes Licht wird unter einem relativ großen Einfallswinkel auf die Probenoberfläche fokussiert. Das reflektierte Licht ist im Allgemeinen elliptisch polarisiert. In Abhängigkeit von der Wellenlänge des einfallenden Lichtes werden der Polarisationszustand des reflektierten Lichtes, welcher durch Richtung und Verhältnis der optischen Hauptachsen charakterisiert ist, und der Absolutwert der Amplitude gemessen. Es lassen sich daraus Brechungsindex und Absorptionskoeffizienten von dünnen Schichten und zugleich die Schichtdicke berechnen. Mehrlagige Schichtsysteme können unter bestimmten Annahmen modelliert werden.

Ein besonderer Vorteil dieser Methode besteht darin, dass man bereits während der Filmbildung die Schichtdicke messen kann, wobei der Reaktionsablauf nicht gestört wird. Dieses Verfahren wird beispielsweise verwendet, um die Proteinadsorption auf Oberflächen oder die Bildung von self‑assembled Monolayers zu verfolgen.

Anforderungen an das Untersuchungsmaterial

Reflektierende (glatte) Oberfläche der Größe vonmindestens ca. 3 mm x 5 mm.

Messapparatur/Messmöglichkeiten

Spektroskopisches In‑situ‑Ellipsometer (SE801 der Fa. Sentech):

  • spektraler Messbereich von 280 nm – 850 nm (stabilisierte Xe‑Lampe für UV/VIS)
  • Messbereich Schichtdicke: ca. 0,1 – 1000 nm
  • Messfleck auf Probe ca. 1 mm x 3 mm
  • Extinktionsverhältnis 10-6
  • einstellbarer Einfallswinkel
  • automatisierte Messungen, z. B. für Prozesskinetiken
  • leistungsfähige Auswertesoftware
  • Messungen in Flüssigkeiten, Vakuum und verschiedenen Gasatmosphären (auch während Plasmaprozessen) möglich

 

Spektroskopische Ellipsometrie.
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Spektroskopische Ellipsometrie.

Abbildende Ellipsometrie

Die abbildende Ellipsometrie ist eine Untersuchungsmethode zur Charakterisierung dünner Schichten. Dünne Schichten können auf polierten Oberflächen auf ihre optischen Eigenschaften untersucht werden. Strukturierte Oberflächen können mit geringem Aufwand charakterisiert werden. Eine lokale Auswertung von speziellen Features auf der Oberfläche ist ebenfalls möglich.

Das Ellipsometer verfügt über sowohl über einen 633 nm‑Laser als auch über die Möglichkeit, die Proben in einem breiten Wellenlängenbereich zu bestrahlen. Die Auswertung erfolgt über Null‑Ellipsometrie. Bei dieser Methode wird die durch die Probe geänderte Polarisationsrichtung über einen rotierenden Polarisator ausgewertet. Die optischen Eigenschaften der untersuchten Probe werden aus den Messwerten über ein optisches Modell des Schichtsystems ermittelt.

Ein vollautomatisiertes Doppelarmgoniometer ermöglicht es, effektiv bei unterschiedlichen Einfallswinkeln zu messen. Daraus lassen sich weitere Eigenschaften der Probe wie beispielsweise der Brewsterwinkel bestimmen, was die Messung auf unterschiedlichen Substraten vereinfacht. Über die Winkelverstellung können zusätzlich höhere Genauigkeiten bei Schichten mit Dicken bereits unter einem Nanometer erreicht werden.

Messapparatur

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Abbildendes Ellipsometer.

Abbildendes Ellipsometer vom Typ nanofilm EP4 der Firma Accurion.