Universitäre Service-Einrichtung für Transmissionselektronenmikroskopie
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Optische Eigenschaften

Optische Eigenschaften ermittelt aus einem VEELS Spektrum (Siliziumnitrid)

Die Bestimmung optischer Eigenschaften (Dielektrizitätskonstante, Brechungsindex, Bandlücke, Absorptions- und Reflexionsvermögen) gewinnt durch die Miniaturisierung von Halbleiterbauelementen stark an Bedeutung. Optische Methoden erreichen nicht mehr die erforderliche Ortsauflösung, daher liegt einer unserer Forschungsschwerpunkte in der Bestimmung dieser Eigenschaften mittels Valenzelektronen-Energieverlustspektrometrie (VEELS).

Die bedeutendsten Vorteile von VEELS gegenüber optischen Methoden sind

  1. die hohe Ortsauflösung, welche nur durch die Delokalisierung des Energieverlustes bestimmt wird (in Abhängigkeit von benachbarten Dielektrika kann der Einfluss einige Nanometer betragen),

  2. der größere zur Verfügung stehende Energiebereich von 1 bis einige 100 eV (bei optischen Methoden ist man limitiert auf Infrarot - Ultraviolett, ca. 1 - 5 eV) und,

  3. die Möglichkeit zur streuwinkelabhängigen Bestimmung der dielektrischen Funktion.

 

Das Prinzip:

Aus dem Energieverlustspektrum wird nach Mehrfachstreuentfaltung die Verlustfunktion berechnet. Über die Kramers-Kronig Relation werden daraus die optischen Konstanten bestimmt.

Die empfindlichsten Schritte in dieser Prozedur sind die Berücksichtigung der relativistischen Effekte im Spektrum  sowie die richtige Normierung der Verlustfunktion. (Konventionelle Software kann beides nicht oder nur sehr eingeschränkt, weshalb USTEM auf diesem Gebiet forschend sehr aktiv ist. Resultierend daraus haben wir eine eigene Software entwickelt und erfolgreich in der Optoelektronik eingesetzt.)

Genauigkeit der Methode

Die Genauigkeit dieser Methode ist verblüffend. Berücksichtigt man alle Effekte, wie Retardierung, Probengrößeneffekte, Cerenkov-Verluste und Oberflächenplasmonen, so können zwei ähnliche Schichten, die sich im Brechungsindex um nur 2% unterscheiden, noch charakterisiert werden (siehe auch: M. Stöger-Pollach et al., Ultramicroscopy 108 (2008), 5; pp.439-444 ).

Vergleich zweier Siliziumnitridschichten mit leicht unterschiedlichen Brechungsindizes. Links: Messungen mit 60 keV Elektronen, um relativistische Effekte zu vermeiden, Rechts: Messungen mit 200 keV Elektronen und Auswertung der Daten mittels unserer eigenen Software.

Anfagen zu diesem Thema:

Bitte wenden Sie sich an Dr. Michael Stöger-Pollach.