Hochpräzise Bestimmung des Brechungsindex mittels FTIR- Spektroskopie. Dr. Denis Czurlok Bruker Optik Anwendertreffen Ettlingen,

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1 Hochpräzise Bestimmung des Brechungsindex mittels FTIR- Spektroskopie Dr. Denis Czurlok Bruker Optik Anwendertreffen Ettlingen, November 21, 2016

2 Grundlagen Dispersion: Frequenz/Wellenlängenabhängigkeit des Brechungsindex n Normale Dispersion: Abnahme des Brechungsindex mit zunehmender Wellenlänge der Strahlung Herkömmliche Herangehensweise zur hochgenauen Messung: Ellipsometrie Zeitaufwendig Ellipsometer, exp. Aufbau und Datenanalyse kompliziert Gesucht: Ansatz mittels konventioneller FTIR-Spektroskopie für einkristalline polierte Ge-Proben mit Dicken von einigen mm Relevanz: Charakterisierung optischer Materialien Abweichungen von Literatur: Chemische (od. physikalische) Ursachen November 21,

3 Transmittance [%] Idee Probe als Fabry-Pérot-Etalon: d Prinzip: Interferenz von Mehrfachreflexionen führen zu charakteristischen Transmissionsspektren Abstand zwischen 2 Maxima (Rule of thumb): 1 Δν ν = 2n ν d a n = 1 n T 1 T 2 T 3 T n T Häufig störender und unerwünschter Effekt ~ T (n) ~ Dn Kann für Schichtdickenbestimmung genutzt werden, OPUS Funktion Layer Thickness Brechungsindex muss bekannt sein und wird als konstant (frequenzunabhängig angenommen), Näherung November 21,

4 Herausforderungen Bedingungen: Planparallele Proben (u. U. < 10 arc sec notwendig) Möglichst senkrechter Einfall (a 0) Einfallender Strahl möglichst parallel keine Änderung von a über den Strahlquerschnitt Germanium (n 4), einige mm (d 10 mm) 1 Δν ν = 2n ν d = 1 = cm cm Parallelstrahleinheit A480/8 VERTEX80 mit High-Resolution Option November 21,

5 Parallelstrahleinheit A480/8 Eigentliche Verwendung: Präzise Transmissionsmessungen Vorjustierter Strahlweg Einfache Probenmontage, mit spez. Probenhalter, Proben bis 15 mm messbar Schneidenblende zur Vermeidung von Rückreflexionen Parallelstrahl mit senkrechtem Probeneinfall, daher: kein Fokusversatz (a) (b) und kein lateraler Versatz (c) (d) am Detektor Knife-edge aperture Passendes Zubehör für gegebene Fragestellung November 21,

6 VERTEX80 mit Hochauflösungsoption Hochauflösungsoption S 125/8V UltraScan TM -Interferometer mit verlängertem Strahlweg im beweglichen Arm des Interferometers Erreichbare optische Auflösung bis zu 0.06 cm -1, Ge-Proben 15 mm analysierbar Δν ν = 1 2n ν d S125/8V Passendes Spektrometer für gegebene Fragestellung November 21,

7 Experimenteller Aufbau S125/8V Ge, z.b. d = 10 mm Hochaufgelöste (S125/8V) Transmissionsmessung November 21,

8 Ergebnis Ge, d = 10 mm cm Zoom-In 2.5 µ 4 µ 6 µ 8 µ 10 µ 12 µ November 21,

9 Transmittance [%] Transmittance [%] Transmittance [%] Transmittance [%] Ergebnis 2.5 µ 4 µ 6 µ Effekt bei kleinen Wellenlängen/dickeren Proben schwächer MCT grundsätzlich empfohlen µ 10 µ 12 µ Auswerten der Oszillationen November 21,

10 Auswertung Mittels VB-Script Simulation der experimentellen Ergebnisse 6 Wellenlängenbereichen (2.5 µ, 4 µ, 6 µ, 8 µ, 10 µ und 12 µ; 4000 cm -1, 2500 cm -1, 1660 cm -1, 1250 cm -1, 1000 cm -1, 833 cm -1 ) Bereichsbreite von 50 cm -1 Jeweils Annahme eines frequenzabhängigen (!) Brechungsindex Probendicke wird vorgeben (!) (Iterative) Änderungen der Annahme des Verlaufs des Brechungsindex (für jeden Wellenlängenbereich) erneute Simulationen Ziel: bessere Übereinstimmung Messung Simulation Simulationen erfordern SCOUT-Software (LAYER), gesteuert durch Ergebnisspektrum ist im Detail eine Finesse-Funktion, das modelliert wird. Parabolischer Fit der Simulationsergebnisse November 21,

11 Auswertung Bedienung des VB-Scripts 1. Benutzername 2. Probenname 3. Probendicke!!! 4. Spektrum laden 5. Analyse (Simulationen) starten 6. ~ 1 Minute warten (7. Jeweils beste Simulation mit Messung vergleichen) November 21,

12 VB Script Automatische Report-Speicherung, pdf und csv-format Erlaubt optional auch das Starten von Proben- und Hintergrundmessungen gemäß einem hinterlegten xpm-file kompletter Ablauf über Script steuerbar November 21,

13 Transmittance [%] Transmittance [%] Weitere Ergebnisse 2mm Ge: Ge, d = 2 mm Sehr hoher Kontrast selbst bei 4000 cm -1 und 2500 cm -1 2 mm 10 mm November 21,

14 Zusammenfassung Hochgenaue Bestimmung des Brechungsindex von Germanium bis 15 mm Dicke bei verschiedenen Wellenlängen Benötigt Parallelstrahleinheit A480/8 und VERTEX80 mit Hochauflösungsoption S125/8V SCOUT-basierte Auswertung mittels VB-Script enthält automatische Report- Speicherung und optionale Kontrolle des Messablaufs Erweiterung der Methode auf andere Materialien denkbar Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit! November 21,

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