23.03.2015 Spektralphotometrie in Charakterisierung und Gütekontrolle beschichteter optischer Komponenten Olaf Stenzel, Steffen Wilbrandt, Norbert Kaiser Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF Albert-Einstein-Str.7, 07745 Jena Qualitätssicherung von Hochleistungslaseroptiken Seminar am 26. März 2015 in Wetzlar © Fraunhofer IOF Spektralphotometrie in Charakterisierung und Gütekontrolle beschichteter optischer Komponenten Wovon reden wir? Was nutzen wir? Das Klassikerzitat Einzelschichtcharakterisierung: Bestimmung von n, k und d aus Transmissions- und/oder Reflexionsmessungen: Praxisbeispiele Das Fazit Anhang: Weitere Praxisbeispiele © Fraunhofer IOF 1 23.03.2015 Spektralphotometrie in Charakterisierung und Gütekontrolle beschichteter optischer Komponenten Wovon reden wir? Was nutzen wir? Das Klassikerzitat Einzelschichtcharakterisierung: Bestimmung von n, k und d aus Transmissions- und/oder Reflexionsmessungen: Praxisbeispiele Das Fazit Anhang: Weitere Praxisbeispiele © Fraunhofer IOF Gütekontrolle: Komplex von Messungen, der ausschließlich das Ziel hat, den Grad der Übereinstimmung tatsächlicher Probeneigenschaften mit einem Satz extern vorgegebener Zieleigenschaften (der Spezifikation) zu quantifizieren. Beispiel: Gütekontrolle einer hochreflektierenden Beschichtung erscheint mit dem Nachweis einer innerhalb der spezifizierten Toleranz liegenden, ausreichend hohen gemessenen Reflexion erledigt. Probencharakterisierung: Komplex aller experimentellen und theoretischen Aktivitäten, die die Aufklärung des tatsächlichen Aufbaus einer Dünnschichtprobe zum Ziel haben Beispiel: Ermittlung der Schichtdicken, optischen Konstanten, ggf. auch Rauheiten der Einzelschichten © Fraunhofer IOF 2 23.03.2015 Einfachste Messgrößen R T R A Einfallendes Licht Energieerhaltung: T + R + A = 100% © Fraunhofer IOF Spektralphotometrie in Charakterisierung und Gütekontrolle beschichteter optischer Komponenten Wovon reden wir? Was nutzen wir? Das Klassikerzitat Einzelschichtcharakterisierung: Bestimmung von n, k und d aus Transmissions- und/oder Reflexionsmessungen: Praxisbeispiele Das Fazit Anhang: Weitere Praxisbeispiele © Fraunhofer IOF 3 23.03.2015 Prinzipieller Strahlengang im VN-Einsatz in „V-Konfiguration“ M2 Probe M1 IT I L *T * RM 1 * RM 2 I 0 © Fraunhofer IOF 100%-Messung in V-Konfiguration M2 Luft M1 I100 I L * RM 1 * RM 2 I 0 © Fraunhofer IOF 4 23.03.2015 Referenzmessung zur Ermittlung des Dunkelsignals Blende M2 Luft M1 T IT I 0 I100 I 0 © Fraunhofer IOF Reflexionsmessung in der „N-Konfiguration“ M1 Probe M2 I R I L * R * RM 1 * RM 2 I 0 R I R I0 I100 I 0 © Fraunhofer IOF 5 23.03.2015 Gütekontrolle: Komplex von Messungen, der ausschließlich das Ziel hat, den Grad der Übereinstimmung tatsächlicher Probeneigenschaften mit einem Satz extern vorgegebener Zieleigenschaften (der Spezifikation) zu quantifizieren. Notwendig: Messeinsätze, deren Lichteinfallsgeometrie häufigen praktischen Anforderungen entspricht: senkrechter Lichteinfall, 45°, ggf. weitere Probencharakterisierung: Komplex aller experimentellen und theoretischen Aktivitäten, die die Aufklärung des tatsächlichen Aufbaus einer Dünnschichtprobe zum Ziel haben Notwendig: Messeinsätze, deren Lichteinfallsgeometrie maximalen Informationsgewinn für Dünnschichtcharakterisierung verspricht: Kombination von Messungen bei senkrechter Lichteinfall mit Messungen bei großen Einfallswinkeln Verfügbar: Messeinsätze bei 6°, 45°, und 60° Einfallswinkel in T und R © Fraunhofer IOF Strahlengang des Messstrahls (gelbe Linie) und des Referenzstrahls (grüne Linie) im 6°-VN-Einsatz für Transmissions- (links) und Reflexionsmessung (rechts). Die Probe ist rot dargestellt. © Fraunhofer IOF 6 23.03.2015 Strahlengang des Messstrahls (gelbe Linie) und des Referenzstrahls (grüne Linie) im 45°-VN-Einsatz für Transmissions- (links) und Reflexionsmessung (rechts). Die Probe ist rot dargestellt, der Polarisator in Türkis. M3 M3 M1 M2 M2 M1 Polarisator Polarisator © Fraunhofer IOF Dispersionsmodelle: qEeiω t 2γm x m ω02 x m x , compare: F ma Coulombkraft Stöße Rückstellkraft (nur bei gebundenen Ladungsträgern) Freie Ladungsträger: Drude-Modell Gebundene Ladungsträger: Oszillatormodell nˆ 2 1 Nq 2 1 2 ε0m ω 2iωγ nˆ 2 1 Nq 2 1 2 2 2 nˆ 2 3ε0m ω0 ω 2iωγ © Fraunhofer IOF 7 23.03.2015 Approximationsformeln für Transparenzbereiche: bj M Sellmeier-Formel ε 1 n2 1 a Cauchy-Formel n 2 A B2 C4 B2 C4 j 1 ~ λ λ02j 2 1.58 n Brechzahldispersion eines optischen Glases im Transparenzbereich (n1/) 1.56 1.54 1.52 1.50 10000 20000 30000 n / cm -1 © Fraunhofer IOF Dispersion der optischen Konstanten (schematisch) Fundamentalabsorptionskante 4 Transparenzbereich n, K 3 n K 2 1 0 MW FIR MIR NIR VIS/UV X © Fraunhofer IOF 8 23.03.2015 Spektralphotometrie in Charakterisierung und Gütekontrolle beschichteter optischer Komponenten Wovon reden wir? Was nutzen wir? Das Klassikerzitat Einzelschichtcharakterisierung: Bestimmung von n, k und d aus Transmissions- und/oder Reflexionsmessungen: Praxisbeispiele Das Fazit Anhang: Weitere Praxisbeispiele © Fraunhofer IOF Das Klassikerzitat: „… we use the dispersion equations only as a convenient vehicle to describe the variations in n and k required to fit the experimental results and since we are not interested in ascribing any physical meaning to the actual values of …“ (free parameters) J. H. Dobrowolski, F. C. Ho, A. Waldorf: Determination of optical constants of thin film coating materials based on inverse synthesis; Appl. Opt. 22, (1983), 3191 Dort implementiert (1983): • Drudemodell • Oszillatormodell • Sellmeier-Ansatz © Fraunhofer IOF 9 23.03.2015 LCalc- Modell @ IOF • Drudemodell • Oszillatormodell • Sellmeier-Ansatz • Einfacher Cauchy-Ansatz • Urbach-Tail • Homogene isotrope Einfachschicht (T, R, beliebiger Lichteinfallswinkel, s und p-Polarisation) • Lichteinfall vorder- und rückseitig • Optional: Langskalige Oberflächenrauheit der obersten Grenzfläche bei senkrechtem Lichteinfall für nichtmetallische Schichten • Wahlweise absorbierendes/absorptionsfreies Substrat • Kombinationen aus alldem bei gleichem Schichtmaterial © Fraunhofer IOF Spektralphotometrie in Charakterisierung und Gütekontrolle beschichteter optischer Komponenten Wovon reden wir? Was nutzen wir? Das Klassikerzitat Einzelschichtcharakterisierung: Bestimmung von n, k und d aus Transmissions- und/oder Reflexionsmessungen: Praxisbeispiele Das Fazit Anhang: Weitere Praxisbeispiele © Fraunhofer IOF 10 23.03.2015 Beispiel1: Hafniumoxid auf SQ1 Re Im T R © Fraunhofer IOF T R Schichtdicke 195nm © Fraunhofer IOF 11 23.03.2015 T R Schichtdicke 216nm; Brechzahl korrekt © Fraunhofer IOF T R Schichtdicke 195nm ; Brechzahl zu hoch © Fraunhofer IOF 12 23.03.2015 T R Schichtdicke 195nm © Fraunhofer IOF T R Schichtdicke 182nm; Brechzahl zu hoch; korrekte opt. Dicke nd © Fraunhofer IOF 13 23.03.2015 Fit von T und R bei senkrechtem Lichteinfall gibt Zugang zu : Geometrischen Schichtparametern (Schichtdicke d) Materialspezifischen Schichtparametern (opt. Konstanten, Brechzahl n) Optischer Schichtdicke nd Kein ausreichender Spektrenfit bei falschen Parametern n und/oder d © Fraunhofer IOF Beispiel2: Kupferschicht auf Glas (Probendicke 112.3 nm) Extrem schwaches Transmissionssignal Übliches ReflexionsSpektrum von Kupfer 0.1% R T 0% © Fraunhofer IOF 14 23.03.2015 Beispiel2: Kupferschicht auf Glas (Probendicke 112.3 nm) Spektrenfit mit Kombination aus Oszillator- & Drudemodell Fit Probendicke d=122nm R T © Fraunhofer IOF Vergleich mit optischer Konstanten von bulk-Kupfer 12 10 n, k 8 Kupfer: optische Konstanten n (unigit-Datenbank) k (unigit-Datenbank) n, LCalc k, LCalc 6 4 2 0 400 800 1200 / nm Offenbar führt der Fit von Transmissions- und Reflexionsspektren (senkrechter Lichteinfall) selbst bei derart schwach transparenten Metallschichten noch zu physikalisch sinnvollen Werten für die Dicke und opt. Konstanten der Schicht. © Fraunhofer IOF 15 23.03.2015 Spektralphotometrie in Charakterisierung und Gütekontrolle beschichteter optischer Komponenten Wovon reden wir? Was nutzen wir? Das Klassikerzitat Einzelschichtcharakterisierung: Bestimmung von n, k und d aus Transmissions- und/oder Reflexionsmessungen: Praxisbeispiele Das Fazit Anhang: Weitere Praxisbeispiele © Fraunhofer IOF Fazit: • Implementierte Modellansätze erlauben Bestimmung der optischen Konstanten von dielektrischen, halbleitenden und metallischen Schichten • Raue dielektrische Schichten rms Rauheit, Eingrenzung lateraler Rauheitsmaßstäbe • Sinnvolle optische Konstanten auch auf komplett intransparenten Substraten erhaltbar. • Nicht implementiert: Inhomogenität (Ausweg OptiChar, interne add-ons) • Nicht implementiert: Rigorose Rauheitsbetrachtung (Ausweg Unigit) • Einfaches Werkzeug zur Bestimmung der optischen Bandlücke aus Einzelschichten verfügbar • Gesamtheit verfügbarer Auswerteprogramme deckt eigentlich alle infrage kommenden Komplikationen bei der spektralphotometrischen Charakterisierung von „Problemeinzelschichten“ ab. • Erhaltene Daten sind physikalisch konsistent und sind in guter Korrelation mit spektralellipsometrisch erhaltenen Daten. © Fraunhofer IOF 16 23.03.2015 Spektralphotometrie in Charakterisierung und Gütekontrolle beschichteter optischer Komponenten Wovon reden wir? Was nutzen wir? Das Klassikerzitat Einzelschichtcharakterisierung: Bestimmung von n, k und d aus Transmissions- und/oder Reflexionsmessungen: Praxisbeispiele Das Fazit Anhang: Weitere Praxisbeispiele © Fraunhofer IOF Motivation: Zusatzinformation im Falle komplizierter Probentypen (z.B. T=0) Effekte bei schrägem Lichteinfall: Winkelshift der Interferenzstrukturen (Winkelabhängigkeit der opt. Dicke) Polarisationsabhängigkeit von T und R Zugewinn an Informationen! © Fraunhofer IOF 17 23.03.2015 Unerwünschte Spezialfälle bei isotropen Proben: Rp Rs n @ 0 Rp Rs2 n @ 45 (Abeles) Nutzung größerer Einfallswinkel vorteilhaft 45° Einfallswinkel 60° Einfallswinkel © Fraunhofer IOF Grenzwertig: Beispiel3 - ITO auf Si: 7 Parameter Re Im R Rs,45 Rp,45 © Fraunhofer IOF 18 23.03.2015 Grenzwertig: Beispiel3 - ITO auf Si: 7 Parameter n k © Fraunhofer IOF Re Grenzwertig: Beispiel4 - Al auf Si: 19 Parameter Im XRR: 24nm LCalc: 23….25nm XRR: 45nm © Fraunhofer IOF 19 23.03.2015 Grenzwertig: Beispiel4 - Al auf Si: 19 Parameter 30 25 n, K 20 15 10 5 0 10000 20000 30000 nin cm 40000 50000 -1 Optische Konstanten (schwarz: n und rot: k), wie sie aus dem Spektrenfit erhalten wurden. Die Symbole zeigen zum Vergleich Literaturwerte für bulkAluminium. © Fraunhofer IOF Sehr grenzwertig: Beispiel5 – poröses raues SiO2 auf Glas d = 88nm = 21,3nm T T d = 79nm = 16,5nm © Fraunhofer IOF 20 23.03.2015 Sehr grenzwertig: Beispiel5 – poröses raues SiO2 auf Glas: Brechzahl Erwartet waren 40% Porosität. © Fraunhofer IOF 21
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