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Bestimmung der Dicke und des Brechungsindex von nm-dicken Filmen mit Ellipsometrie

Wie dick ist eine Nanometer dünne Schicht genau? Diese Daten sind für viele Anwendungen in der Biosensorik oder Optoelektronik essentiell. Aber auch auf jedem Brillenglas sind bis zu 20 ultradünnen Schichten. Die Messung der Schichtdicke d von nur wenigen Nanometer dünnen Filmen erfordert jedoch die gleichzeitige Bestimmung des Brechungsindexes n der Schicht. Ellipsometrie liefert für diese Fragestellung schnelle und nicht-destruktive Antworten. Jedoch scheitert die übliche Ellipsometrie bei der Bestimmung von n und d, wenn die Filme zu dünn werden. Der Grund dafür liegt in einer Kopplung der beiden Parameter n und d für Filme dünner als 15 nm.

In der Konsequenz lassen sich die gemessenen Ellipsometrie-Daten durch sehr unterschiedliche und teilweise auch unphysikalischen (n,d)-Paare beschreiben. Hier wird eine Methode vorgeschlagen, diese schon lange bekannte Unsicherheit zu überwinden. Die Grundidee – die erstmals eine eindeutige Bestimmung der Schichtdicke ermöglicht – basiert auf einem neuen Ansatz die Messung durchzuführen und auszuwerten: Anstelle der bislang üblichen Fresnelschen Formeln werden die Gleichungen von Paul Drude für dünne Schichten bis zur 2. Ordnung entwickelt.

Es werden zwei unkorrelierte ellipsometrische Momente gefunden. Mit ellipsometrischen Messungen des dünnen Films und des unbeschichteten Substrats kann aus diesen beiden ellipsometrischen Momenten das (n,d)-Paar eindeutig bestimmt werden. Die Anwendbarkeit der Methode wurde für 5 nm dünne Polymerfilme demonstriert.

Einführend vorgestellt auf "Spotlight auf OSA (The optical socieyty)": www.osapublishing.org/spotlight/default.cfm
Publikation: Optics Express 25 (22) 27077-27085 (2017), www.osapublishing.org/oe/fulltext.cfm


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