Reflektometer Ocean Optics NanoCalc-XR

Ein spektroskopisches Reflektometer dient dazu, die Lichtreflexion an einer Oberfläche in Abhängigkeit von der Wellenlänge zu messen. Das Gerät erzeugt ein Reflexionsspektrum, aus dem sich verschiedene Eigenschaften eines Materials oder einer Beschichtung ableiten lassen. Das Verfahren wird besonders häufig zur Bestimmung von Schichtdicken verwendet, etwa bei sehr dünnen Oxid-, Lack- oder Antireflexschichten. Dabei macht man sich zunutze, dass dünne Schichten durch Interferenzeffekte charakteristische Muster im reflektierten Licht erzeugen, aus denen sich die Dicke berechnen lässt. Darüber hinaus kann ein spektroskopisches Reflektometer auch optische Materialeigenschaften wie den Brechungsindex oder die Absorptionseigenschaften sowie die Oberflächenrauheit bestimmen. Es wird außerdem in der Qualitätskontrolle eingesetzt, um Beschichtungen zu prüfen, Defekte zu erkennen oder Produktionsprozesse zu überwachen. Anwendungsbereiche finden sich unter anderem in der Halbleitertechnik, Optik, Werkstoffkunde und Solartechnik.

• Wellenlänge: 250 – 1050 nm
• Schichtdicke: 10 nm – 100 µm
• Mehrschichtsysteme: max. 10 Schichten
• Auflösung: 0.1 nm
• Messfleck: 200 µm

Beim Auftreffen von Licht auf eine Grenzfläche zwischen zwei Medien mit unterschiedlichem Brechungsindex wird ein Teil der Strahlung reflektiert und ein anderer transmittiert. Die unterschiedliche Länge der zurückgelegten Wege der Teilstrahlen führt ein einem Gangunterschied und damit zur relativen Phasenverschiebung. Für jede eingestrahlte Wellenlänge kommt es zu Überlagerungen der an den beiden Phasengrenzen einer Schicht reflektierten Teilwellen in Abhängigkeit vom Einfallswinkel, dem Brechungsindex n und von der Schichtdicke d. Damit erhält man bei einem Reflektometer ein charakteristisches Reflexionsspektrum. Die Lage der Extrema im Spektrum ist abhängig vom Brechungsindex n und der optischen Weglänge n⋅d. Bei bekanntem Dispersionsverlauf (n in Abhängigkeit der Wellenlänge λ) kann die Schichtdicke von dünnen transparenten Beschichtungen im Bereich von 10 nm bis 100 µm durch einen Fit des theoretisch erwarteten Spektrums an das Messsignal ermittelt werden.

Die Voraussetzung, um die Schichtdicke von Multilagen-Schichtsystemen mit einem Reflektometer optisch zu messen, ist, dass der grundsätzliche Schichtaufbau bekannt ist. Des Weiteren muss die ungefähre Schichtdicke der jeweiligen Einzelschichten bekannt sein.

Es gibt zahlreiche Einsatzbereiche für Beschichtungen und somit ebenso zahlreiche unterschiedliche Varianten von Beschichtungen. Sehr dünne Schichten spielen beispielsweise bei Smartphones, technischen Gläsern, Brillengläsern, Bildschirmen, Halbleitern, Autoteilen und bei vielen anderen Produkten eine wichtige Rolle. Bei diesen sehr dünnen Beschichtungen entscheidet die Schichtdicke über die Funktion und die Effizienz der Beschichtung. Diese verhindern Kratzer, minimieren Reflexionen oder ermöglichen spezielle Funktionen. Beispiele hierzu sind:

• Antireflexionsschichten (ARC)
• Transparante leitfähige Oxide (TCO)
• Zinndotierte Indiumoxide (ITO)
• Medikamentenfreisetzende Beschichtungen (Drug Eluting Films)

Die Schichtdicken solcher Beschichtungen liegen im Nanometerbereich. Ein Nanometer verhält sich zu einem Meter wie der Durchmesser einer 1-Cent-Münze zu dem des Erdballs.