Multispektrales abbildendes Ellipsometer mit integriertem Rasterkraftmikroskop
Final Report Abstract
Das Forschungsgroßgerät wird für Grundlagenuntersuchungen im Bereich der Plasmaoberflächenbearbeitung und -beschichtung eingesetzt. Es ermöglicht insbesondere die Bestimmung von Schichtdicken (bis ca. 5 µm) und den optischen Eigenschaften verschiedener Materialien wie Metallen, Isolatoren und Halbleitern. Dies geschieht über Vermessung der Änderung des Polarisationszustands von Licht bei der Reflexion an den zu untersuchenden Oberflächen. Ein Schwerpunkt des Interesses im Projektzeitraum war die Charakterisierung und Qualitätskontrolle von großflächigen atomar dünnschichtigen Materialien. Die Charakterisierung ist eine große Herausforderung, insbesondere angesichts des rasanten Fortschrittes in den Dünnschichttechnologien und den hohen Anforderungen an die unterschiedlichen Materialien. Lichtmikroskopie oder Rasterelektronenmikroskopie stoßen bei der Analyse atomarer Schichten an ihre Grenzen. Das ellipsometrische Messverfahren zeigt einen hohen Kontrast atomarer Beschichtungen auf planen Substraten. Dadurch ist es in der Lage effektiv und berührungslos großflächige atomare Dünnschichten bezüglich Abdeckung, Lagenanzahl, Defekten und Kontaminationen zu charakterisieren. Ein weiterer Aspekt im Projektzeitraum war die Untersuchung der Laser-Materie-Wechselwirkungen, unter anderem beim selektiven Laser-Sintern von Keramik. Dieses Verfahren ermöglicht das direkte Sintern von keramischen Bauteilen innerhalb eines Pulverbettes mittels Laserstrahlung. Durch das Messsystem konnte ein erhöhtes Prozessverständnis durch die Kenntnis der optischen Eigenschaften von polierten isostatisch gepressten Siliciumdioxid-Grünkörpern gewonnen werden. Im Bereich der Lasermaterialbearbeitung wurde die Wechselwirkung von Laserstrahlung auf klassisch gefertigte Optiken mit Hilfe des Ellipsometers untersucht. Hierbei wurde der Einfluss des Poliermittels auf die oberflächennahen Materialeigenschaften des technischen Glases vermessen. Anschließend wurden die Erkenntnisse mit Versuchen zur Laserzerstörschwelle (LIDT) des Glases in Verbindung gebracht. Hieraus wurde ersichtlich, dass die Art der klassischen Optikfertigung einen großen Einfluss auf die LIDT beispielsweise durch Poliermittelrückstände oder Mikrorissbildung des technischen Glases hat. Um Holz vor UV-Strahlung zu schützen wurden mittels Kaltplasmaspritzen Zinkoxidpartikel abgeschieden. Mit dem Ellipsometer konnte die Bandlücke sowie Brechzahl von Zinkoxidpartikeln vermessen werden. Aus den Untersuchungen zur Bandlücke konnte die Tauglichkeit der Beschichtung als UV-Schutz verifiziert werden. Das Ziel im Projekt südniedersächsischer Innovationsverbund Faseroptischer Formaldehydsensor SNIFF ist die Maximierung der Empfindlichkeit eines Formaldehydsensors. Möglich wird dies durch eine Vergrößerung der spezifischen Oberfläche der Glasfaser. Dies erfolgt über die Herstellung einer SiO2-Beschichtung via Sol/Gel-Prozess. Das Ellipsometer wird hierbei zur Charakterisierung der mittels Tauchverfahren erzeugten SiO2-Beschichtung genutzt und ermöglicht dadurch eine gezielte Erhöhung der Sensorempfindlichkeit. Im weiteren Projektverlauf soll die Intensität des Detektorsignals durch den Effekt der Plasmonenresonanz von Edelmetallen gesteigert werden. Hierzu werden nanoskalige Silber- und Goldpartikel in die SiO2-Beschichtung integriert. Die Einbettung von Nanopartikeln in die Sol/Gel-Schicht lässt sich im Anschluss durch Anpassungen des ellipsometrischen Modelles berücksichtigen. Insgesamt konnten durch den Betrieb des Forschungsgroßgerätes Erkenntnisse generiert werden, die über ein deutliches Verwertungspotenzial verfügen. In weiteren Forschungsprojekten soll dieses ausgeschöpft werden, um den Transfer der Forschungsleistung in die Industrie zu ermöglichen.
Publications
- Investigation of nonuniform surface properties of classically manufactured fused silica windows, Applied Optics Vol. 56, No. 26, 2017
Christoph Gerhard, Daniel Tasche, Olivier Uteza, Jörg Hermann
(See online at https://doi.org/10.1364/AO.56.007427) - Investigation of surface contamination by aluminum on classically-manufactured fused silica windows, 9th Euro-Mediterranean Symposium on LIBS, 2017
Christoph Gerhard, Olivier Uteza, Jörg Hermann
- l, Topographic, optical and chemical properties of zinc particle coatings deposited by means of atmospheric pressure plasma, Applied Surface Science 410, 2017
Lena Wallenhorst, Leander Loewentgal, Georg Avramidis, Christoph Gerhard, Holger Militz, Gisela Ohms, Wolfgang Viöl
(See online at https://doi.org/10.1016/j.apsusc.2017.03.021) - Fast, Non- Contact, Wafer-Scale, Atomic Layer Resolved Imaging of 2D Materials by Ellipsometric Contrast Micrography, ACS Nano 12(8), 2018
Philipp Braeuninger, Sebastian Funke, Ruizhi Wang, Peter H. Thiesen, Daniel Tasche, Wolfgang Viöl, Stephan Hofmann
(See online at https://doi.org/10.1021/acsnano.8b04167) - Plasma Post-Processed Zinc Crown Glass Surfaces, Appl. Sci. 8, 1556, 2018
Christoph Gerhard, Marco Stappenbeck
(See online at https://doi.org/10.3390/app8091556) - Coating method and workpiece, Patent: DE201710212974 20170727, 2019
Stefan Josten, Frank Wittland, Stephan Brückner, Christoph Gerhard, Wolfgang Viöl
