Absolutmessungen von gerichteter Transmission und Reflexion an Festkörperproben in der GPOB unter Nutzung von VN-Einsätzen und Anwendung auf die optische Charakterisierung dünner Festkörperschichten

Der Einsatz von spektralphotometrischen Messungen bei verschiedenen Einfallswinkeln und Polarisationszuständen erlaubt eine weitgehend ambiguitätsfreie Charakterisierung von Festkörperproben. Während eine genaue Messung des Transmissionsvermögens von Proben auf planparallelen, ebenen Substraten messtechnisch vergleichsweise einfach gelöst werden kann, ist die Realisierung einer genauen Reflexionsmessung durch das Fehlen einer stabilen 100% Referenz deutlich anspruchsvoller. Grundsätzlich kann das Reflexionsvermögen entweder durch eine Relativmessung gegen einen bekannten und als zeitlich unveränderlich angenommenen Reflexionsstandard oder durch eine Absolutmessung bei Verwendung eines geeigneten Strahlengangs realisiert werden. Bei den unterschiedlichen Lösungsansätzen wird immer gewährleistet, dass sich die Übertragungsfunktion für die Referenzmessung und die Messung an der Probe nur durch das Reflexionsvermögen der Probe unterscheidet. Insbesondere zur genauen Absolutmessung von hochreflektierenden Proben hat sich die VW-Konfiguration bewährt, bei der das Licht zweimal an der Probe reflektiert wird und entsprechend das Quadrat der Reflexion direkt gemessen werden kann. Für die Perkin Elmer Spektrometer der Serie Lambda 800/900 ist ein entsprechender Messeinsatz für einen Einfallswinkel von 7.5° verfügbar. Bei Proben mit geringem Reflexionsvermögen kann in der VN-Konfiguration ein besseres Signal-Rausch-Verhältnis erreicht werden, da das Licht nur einmal an der Probe reflektiert wird. Entsprechende Messeinsätze sind für die Perkin Elmer Spektrometer der Serie Lambda 800/900 für unterschiedliche feste bzw. auch für einstellbare Einfallswinkel des Lichts verfügbar. Dieses Messprinzip wurde am Fraunhofer Institut für Angewandte Optik und Feinmechanik IOF so angepasst, dass sowohl das Reflexions- als auch das Transmissionsvermögen einer Probe am gleichen Messfleck erfasst werden können (Abbildung 1). Der durch die Probe durchgelassene transmittierte Strahl und der an der Probe reflektierte Strahl werden durch die zwei Spiegel M1 und M2 auf symmetrischen Wegen in die Probenebene gelenkt. Beide Spiegel sind in einem schwenkbaren Spiegelhalter montiert. Die Drehachse, um die der Spiegelhalters geschwenkt werden kann, verläuft sowohl in der Einfallsebene des Messstrahles auf die Probe als auch in der Ebene der Probenoberfläche. Der Messstrahl (gelbe Linie) verlässt die Anordnung in der Drehachse. Durch eine 180°-Schwenkung des Spiegelhalters werden Transmissions- und Reflexionsstellung symmetrisch zur Drehachse ineinander übergeführt. Die Wirkungen verbleibender Unsymmetrien (Justierfehler, unsymmetrische Energieverteilung im Messstrahl) zwischen Transmissions- und Reflexionsstellung werden durch die zum Lieferumfang der General Purpose Optical Bench (GPOB) gehörende und dem Empfänger vorgelagerte Integrationskugel minimiert. Die Integrationskugel ist dabei so in der GPOB aufgestellt, dass ihr Eintrittsport vom Referenzstrahl des Spektrometers (grüne Linie) unmittelbar getroffen wird. Der Messstrahl (gelbe Linie) wird durch den ortsfesten dritten Spiegel M3 in die Integrationskugel gelenkt. Mit diesem Strahlengang lassen sich unterschiedliche feste Einfallswinkel realisieren. Während die Variante für 6° Einfallswinkel keinen zusätzlichen Polarisator benötigt, ist er für die 45°-Variante unverzichtbar. Empfehlenswert ist für alle Einfallswinkel außerdem die Verwendung des optional angebotenen Depolarisators. Die mit den VN-Einsätzen gewonnenen Eingangsdaten ermöglichen eine weitergehende Charakterisierung der betrachteten Festkörperschicht hinsichtlich ihrer Geometrie (Schichtdicke, Rauheit) und ihrer optischen Konstanten (Brechzahl, Extinktionskoeffizient).