Die Dicke von Dünnschichten während des Aufdampfens wird mit einer Vielzahl von Techniken gemessen, die jeweils ihre eigenen Vorteile und Einschränkungen haben. Echtzeit-Überwachungsmethoden wie die Quarzkristall-Mikrowaage (QCM) und die optische Interferenz werden üblicherweise eingesetzt, um das Schichtwachstum während der Abscheidung zu verfolgen. Nach der Abscheidung werden Techniken wie Ellipsometrie, Profilometrie, Interferometrie, Röntgenreflexion (XRR) und Querschnittselektronenmikroskopie (SEM/TEM) für präzise Messungen eingesetzt. Diese Methoden beruhen auf Prinzipien wie Interferenz, Brechungsindexanalyse und mechanischer Profilierung zur Bestimmung der Dicke. Die Wahl der Technik hängt von Faktoren wie den Materialeigenschaften, der erforderlichen Genauigkeit und davon ab, ob die Messung in situ oder nach der Abscheidung erfolgt.
Die wichtigsten Punkte werden erklärt:
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Quarzkristall-Mikrowaage (QCM)
- Grundsatz: QCM-Sensoren messen Massenänderungen an einem Quarzkristallresonator während der Abscheidung. Wenn die Schicht wächst, nimmt die Masse zu, was zu einer Verschiebung der Resonanzfrequenz des Kristalls führt.
- Vorteile: Echtzeitüberwachung, hohe Empfindlichkeit und Eignung für In-situ-Messungen.
- Beschränkungen: Erfordert eine Kalibrierung und ist empfindlich gegenüber Umweltfaktoren wie Temperatur und Druck.
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Optische Interferenz
- Grundsatz: Bei dieser Methode wird das Interferenzmuster analysiert, das durch die Reflexion von Licht an den oberen und unteren Grenzflächen der Folie entsteht. Die Anzahl der Interferenzspitzen und -täler wird zur Berechnung der Dicke verwendet.
- Vorteile: Berührungslose Echtzeitüberwachung und hohe Genauigkeit für transparente oder halbtransparente Folien.
- Beschränkungen: Erfordert die Kenntnis des Brechungsindexes des Materials und funktioniert möglicherweise nicht gut bei sehr dünnen oder stark absorbierenden Schichten.
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Ellipsometrie
- Grundsatz: Misst die Änderungen des Polarisationszustands des von der Filmoberfläche reflektierten Lichts. Die Dicke wird aus der Phasenverschiebung und der Amplitudenänderung des reflektierten Lichts abgeleitet.
- Vorteile: Hochpräzise, zerstörungsfrei und geeignet für sehr dünne Schichten (Nanometerbereich).
- Beschränkungen: Erfordert ein Modell zur Dateninterpretation und ist empfindlich gegenüber der Oberflächenrauheit.
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Profilometrie
- Grundsatz: Ein mechanischer Taststift oder eine optische Sonde tastet die Filmoberfläche ab, um Höhenunterschiede zwischen Film und Substrat zu messen.
- Vorteile: Direkte Messung, geeignet für eine breite Palette von Dicken (0,3 bis 60 µm).
- Beschränkungen: Erfordert eine Stufe oder Rille zwischen der Folie und dem Substrat und kann empfindliche Folien beschädigen.
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Interferometrie
- Grundsatz: Mithilfe von Interferenzstreifen, die von einer stark reflektierenden Oberfläche erzeugt werden, wird die Dicke gemessen. Der Abstand der Streifen entspricht der Schichtdicke.
- Vorteile: Hohe Auflösung und berührungslose Messung.
- Beschränkungen: Erfordert eine reflektierende Oberfläche und kann durch die Gleichmäßigkeit des Films beeinflusst werden.
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Röntgenreflexionsvermögen (XRR)
- Grundsatz: Misst die Intensität der vom Film reflektierten Röntgenstrahlen unter verschiedenen Winkeln. Die Dicke wird anhand des Interferenzmusters in den reflektierten Röntgenstrahlen bestimmt.
- Vorteile: Hohe Genauigkeit für ultradünne Schichten (Nanometerbereich) und mehrschichtige Strukturen.
- Beschränkungen: Erfordert spezielle Geräte und reagiert empfindlich auf Schwankungen der Oberflächenrauheit und -dichte.
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Querschnitt SEM/TEM
- Grundsatz: Mit Hilfe der Elektronenmikroskopie wird ein Querschnitt des Films aufgenommen. Die Dicke wird direkt vom Bild aus gemessen.
- Vorteile: Bietet detaillierte Strukturinformationen und eine hohe Auflösung.
- Beschränkungen: Zerstörerisch, erfordert eine Probenvorbereitung und ist zeitaufwändig.
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Spektralphotometrie
- Grundsatz: Misst die Intensität des Lichts, das durch die Folie hindurchgeht oder von ihr reflektiert wird. Die Dicke wird auf der Grundlage des Interferenzmusters und der Materialeigenschaften berechnet.
- Vorteile: Berührungslos, geeignet für mikroskopisch kleine Probenahmebereiche und für eine breite Palette von Dicken.
- Beschränkungen: Erfordert die Kenntnis der optischen Eigenschaften des Materials und funktioniert möglicherweise nicht gut bei sehr dünnen oder stark absorbierenden Schichten.
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Tastschnittgerät Profilometrie
- Grundsatz: Ein mechanischer Stift fährt über die Filmoberfläche, um den Höhenunterschied zwischen Film und Substrat zu messen.
- Vorteile: Einfache und direkte Messung.
- Beschränkungen: Erfordert eine Stufe oder Rille und kann die Folie beschädigen.
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Berührungslose optische Techniken
- Grundsatz: Verwendet optische Methoden wie Interferometrie oder Spektrophotometrie zur berührungslosen Dickenmessung.
- Vorteile: Zerstörungsfrei, hohe Genauigkeit und geeignet für empfindliche Folien.
- Beschränkungen: Erfordert eine reflektierende oder transparente Oberfläche und kann durch die Gleichmäßigkeit des Films beeinflusst werden.
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass die Wahl der Technik von den spezifischen Anforderungen des Abscheidungsprozesses abhängt, z. B. von der Notwendigkeit einer Echtzeitüberwachung, den Materialeigenschaften der Schicht und der gewünschten Genauigkeit. Die Kombination mehrerer Methoden kann ein umfassenderes Verständnis der Schichtdicke und Gleichmäßigkeit vermitteln.
Zusammenfassende Tabelle:
| Technik | Grundsatz | Vorteile | Beschränkungen |
|---|---|---|---|
| Quarzkristall-Mikrowaage | Misst Massenänderungen an einem Quarzkristallresonator | Überwachung in Echtzeit, hohe Empfindlichkeit | Erfordert Kalibrierung, empfindlich gegenüber Umweltfaktoren |
| Optische Interferenz | Analysiert Interferenzmuster aus Lichtreflexionen | Berührungslos, Echtzeit-Überwachung, hohe Genauigkeit | Erfordert Kenntnisse über den Brechungsindex, weniger effektiv für dünne/absorbierende Filme |
| Ellipsometrie | Misst Polarisationsänderungen im reflektierten Licht | Hochpräzise, zerstörungsfrei, geeignet für Filme im Nanometerbereich | Erfordert ein Modell zur Dateninterpretation, das auf die Oberflächenrauhigkeit anspricht |
| Profilometrie | Abtasten der Filmoberfläche mit einem mechanischen Stift oder einer optischen Sonde | Direkte Messung, geeignet für Schichten von 0,3 bis 60 µm | Erfordert eine Stufe oder Rille, kann empfindliche Folien beschädigen |
| Interferometrie | Verwendet Interferenzstreifen von einer reflektierenden Oberfläche | Hohe Auflösung, berührungslos | Erfordert eine reflektierende Oberfläche, die durch die Gleichmäßigkeit des Films beeinflusst wird |
| Röntgenreflexionsvermögen (XRR) | Misst die reflektierte Röntgenintensität unter verschiedenen Winkeln | Hohe Genauigkeit für ultradünne Folien und mehrschichtige Strukturen | Erfordert spezielle Ausrüstung, empfindlich gegenüber Oberflächenrauhigkeit und -dichte |
| Querschnitt SEM/TEM | Aufnahmen des Filmquerschnitts mittels Elektronenmikroskopie | Detaillierte Strukturinformationen, hohe Auflösung | Zerstörerisch, erfordert Probenvorbereitung, zeitaufwendig |
| Spektralphotometrie | Misst die Lichtintensität, die durch den Film durchgelassen oder reflektiert wird | Berührungslos, geeignet für mikroskopische Bereiche, großer Dickenbereich | Erfordert Kenntnisse der optischen Eigenschaften, weniger effektiv für dünne/absorbierende Filme |
| Tastschnittgerät Profilometrie | Misst Höhenunterschiede mit einem mechanischen Taststift | Einfache und direkte Messung | Erfordert eine Stufe oder Rille, kann die Folie beschädigen |
| Berührungslos Optisch | Verwendung optischer Methoden wie Interferometrie oder Spektrophotometrie | Zerstörungsfrei, hohe Genauigkeit, geeignet für empfindliche Filme | Erfordert eine reflektierende/transparente Oberfläche, die von der Gleichmäßigkeit des Films beeinflusst wird |
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