Handbuch der Nanoanalytik Steiermark 2005 - lamp.tugraz.at
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M9: Ellipsometrie<br />
Methoden<br />
M9: Ellipsometrie<br />
Eins<strong>at</strong>zbereich und Genauigkeit<br />
des Verfahrens<br />
Die Ellipsometrie ist ein optisches Messverfahren,<br />
das die berührungslose Bestimmung von<br />
optischen Konstanten (Brechungsindex und Absorptionskoeffizient)<br />
und Schichtdicken von Dünnschichten<br />
und Dünnschichtsystemen erlaubt. Das<br />
Verfahren bietet – abhängig von den zur Verfügung<br />
stehenden Wellenlängen und <strong>der</strong> Qualität <strong>der</strong> untersuchten<br />
Schichten – eine Dickenauflösung bis<br />
hinunter in den Nanometerbereich. Der Bereich<br />
untersuchbarer Schichten reicht von wenigen<br />
Nanometern bis zu einigen zehn Mikrometern (in<br />
speziellen Fällen auch darüber hinaus). Im Bereich<br />
von 100 nm aufwärts können Brechzahl und Dicke<br />
simultan bestimmt werden, darunter verhin<strong>der</strong>t die<br />
zunehmende Parameterkorrel<strong>at</strong>ion zwischen den<br />
beiden Größen (verschiedene Wertepaare liefern<br />
„gleich gute“ Werte) eindeutige Lösungen. Zu großen<br />
Dicken hin besteht abermals die Möglichkeit<br />
<strong>der</strong> Mehrdeutigkeit nahe beieinan<strong>der</strong> liegen<strong>der</strong><br />
Lösungen, hier kann allerdings durch bekannte<br />
Dispersionsrel<strong>at</strong>ionen von M<strong>at</strong>erialien u. U. Abhilfe<br />
geschaffen werden. Die Genauigkeit <strong>der</strong> Brechungsindexbestimmung<br />
hängt wie<strong>der</strong>um von <strong>der</strong><br />
Schichtgüte und an<strong>der</strong>en Einflussfaktoren ab, gute<br />
Instrumente erreichen etwa 10 -3 . Voraussetzung<br />
für die Möglichkeit <strong>der</strong> Dickenbestimmung ist die<br />
hinreichende Transparenz <strong>der</strong> untersuchten Schichten<br />
für die verwendeten Wellenlängen, zumindest<br />
<strong>der</strong> erste von <strong>der</strong> Unterseite reflektierte Teilstrahl<br />
muss mit dem an <strong>der</strong> Schichtoberseite reflektierten<br />
Teilstrahl zur Interferenz kommen können.<br />
Bauformen<br />
Ellipsometer werden heute von einigen Firmen<br />
in verschiedenen Bauformen angeboten, wobei i.A.<br />
in Reflexionsgeometrie gearbeitet wird. Es existieren<br />
aber auch Geräte, die sowohl in Reflexion als<br />
auch in Transmission messen können, allerdings<br />
ist dabei eine vertikale Lage <strong>der</strong> Proben in Kauf zu<br />
nehmen. Der meistverwendete Spektralbereich ist<br />
<strong>der</strong> Bereich des sichtbaren Lichts (VIS) von etwa<br />
400 bis 800 nm. Die in diesem Bereich arbeitenden<br />
Geräte (Lichtquelle i. A. Xenon-Hochdruck<strong>lamp</strong>e)<br />
reichen zumeist in den ultravioletten Bereich (UV)<br />
bis zu etwa 300 o<strong>der</strong> 250 nm hinein. Für die Verwendung<br />
noch kleinerer Wellenlängen (bis zu etwa<br />
140 nm) muss aufgrund von Wasserdampf- und<br />
Sauerstoff-Absorptionen <strong>der</strong> Luft mit trockenem<br />
Stickstoff gespült werden, als Lichtquellen werden<br />
Deuterium-Lampen verwendet. Bis in den Bereich<br />
des nahen Infrarot (etwa 2 µm) können dispersiv<br />
arbeitende Ellipsometer (mit entsprechend infrarot-empfindlichen<br />
Detektoren) eingesetzt werden,<br />
für größere Wellenlängen bis etwa 30 µm werden<br />
Fourier-Transform<strong>at</strong>ions-Ellipsometer eingesetzt.<br />
Grundsätzlich sind – auch abhängig vom verwendeten<br />
Wellenlängenbereich – Bauformen mit<br />
unterschiedlichem optischem Design im Eins<strong>at</strong>z:<br />
Ellipsometer mit rotierendem Analys<strong>at</strong>or o<strong>der</strong> Polaris<strong>at</strong>or<br />
(RAE o<strong>der</strong> RPE), Geräte mit rotierendem<br />
Kompens<strong>at</strong>or (RCE) sowie Null-Ellipsometer.<br />
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<strong>Handbuch</strong> <strong>der</strong> <strong>Nanoanalytik</strong> <strong>Steiermark</strong> <strong>2005</strong><br />
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