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Auf dem Weg zu Industrie 4.0: Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets in der Oberflächentechnik
(2019)
Vorgestellt wurde die Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets für sehr unterschiedliche physikalische Größen, die in der Oberflächentechnik von hoher Relevanz sind: Stufenhöhe h, Schichtdicke d, Eindringhärte HIT und Haftfestigkeit. Die Unterschiede betreffen die Art der Prüfmethodik (optisch zerstörungsfrei vs. mechanisch invasiv/zerstörend), die laterale Größe des Integrationsgebietes der Messung (lokal: nano bis sub-mikro vs. global: mikro bis makro) und die Art der Bestimmung von Messunsicherheitsbudgets (physikalische Größen: direkt rückführbar; Werkstoffkenngröße: genormt; Systemkenngröße: genormt).
Im Rahmen von Industrie 4.0 werden ausgehend der geforderten Spezifikation des beschichteten Produkts (Mittelwert mit Vertrauensbereich oder Mindestwert) durchgehende Toleranzbänder zur Oberflächenmodifizierung/Beschichtung des Substrats, einhergehend mit Prozessfenstern, die diese Toleranzbänder garantieren, erforderlich, die zuverlässig erfasst werden müssen. Die Frage der anzuwendenden Mess- und Prüftechnik und die damit notwendige Betrachtung von Messunsicherheitsbudgets ist für die Digitalisierung von Konditionierungs-, Zustands-, Regel- und Steuergrößen unverzichtbar. Mit Blick auf die Einhaltung von Prozessfenstern und die dafür notwendige Prozessführung wird technologisches Kern-Know-how digitalisiert, das es unbedingt zu schützen gilt. Nur lokale Netze können diese Sicherheit garantieren, in globalen Netzen ist die Datensicherheit bestenfalls maximierbar
Functionality of optical systems requires optical coatings of
high quality which have to be adapted to the application in
terms of the performance of optical parameters such as
reflectivity (AR, low, defined, high), the substrate material of
interest (polymers, ceramics, and glass), the environmental
conditions (such as temperature or humidity), and the service
conditions (such spectral range and power density). Moreover,
in many cases, additional non-optical requirements have
to be met, including mechanical features such as scratch
resistance, hardness and modulus.
Consequently, thickness and overall uniformity requirements
are steadily increasing. In general, these demands can usually
not be achieved by a single film or coating. Instead, films with
specific design features (such as gradients), layer stacks and
multilayers are a prerequisite for high quality layers and their
reliability. For the development of such layer systems, a
versatile cluster deposition system consisting of three clusters
and a cluster-to-cluster handler has been designed. Besides a
PECVD cluster for DLC coatings, two PVD clusters implement
ion assisted electron beam evaporation and plasmabased
sputter technology. In addition to metallic films, preparation
of oxide and nitride optical coatings (SiO2, TiO2, Ta2O5,
ITO, Al2O3, TiN, AlN) in various process modifications (nonreactive,
partially reactive, full-reactive; rf-, dc-, mf- mode;
PEM control) has been carried out.
Within this paper, the effect of several process parameters on
layer quality (optical constants, density, and uniformity) is
discussed for selected applications examples (AR- and HR
coatings, applications at elevated temperatures and applications
of enhanced mechanical performance).
It has been shown that specific features of ion and plasma
assisted PVD processes, including ion-beam and plasma preand
post-treatment of substrates and layer systems, may
widen the application range and improve functionality features
of given coating/substrate systems.
Die Oberflächentechnik ist eine Schlüsseltechnologie in nahezu zu allen industriellen Branchen. Mit Ausnahme der mechanischen Stabilität, die das Substrat bereitstellt, werden verschiedenartigste Funktionen materialsparend, zum Teil hochintegriert mit maßgeschneiderten Schichtdesigns unter Ausnutzung von Nano- und Quanteneffekten auf Oberflächen appliziert. Ein Großteil der Fertigungskosten in der Mikro- und Nanotechnik wird durch Reinräume und die Umsetzung ausgeklügelter Reinigungsstrategien zur Vermeidung von Restverschmutzungen und partikulären Belegungen
verursacht, da diese unweigerlich zum Bauteilversagen führen. Die Validierung des Reinigungszustandes ist somit von zentraler Bedeutung für die Schichtqualität und Produktfunktionalität. Dies gilt in Abhängigkeit von der Applikation und den vertikalen Schicht- bzw. lateralen Strukturdimensionen sowohl für Fertigungsprozesse im Reinraum als auch für solche in robuster Umgebung. In der Praxis kommt es häufig vor, dass man mikroskopisch scheinbar saubere Substrate erst durch die Beschichtung „enttarnt" und dann Defekte oft mit bloßem Auge sichtbar werden. Noch problematischer ist der Einbau von Verunreinigungen während der Schichtabscheidung, die zunächst nicht sichtbar sind, dann aber zum Bauteilversagen führen.
Public, hidden, and forensic features either encoded or directly legible are used for authentication. Fabry-Perot layer stacks as information carriers in combination with imaging ellipsometry as optical read-out system provide all-in-one anti-counterfeiting capability that may establish the new security level 'encoded forensic'. Different layer designs are described with regard to all three security levels: public features (e.g. color and tilt effect) perceptible by the human eye, hidden features (e.g. spectroscopic response in the UV or IR), and forensic features (ellipsometric quantities Ψ and Δ as a function of wavelength λ and angle of incidence AOI). Physically uncloneable functions (PUF) could be realized as a result of a multi-material and a multi-parameter deposition approach as well as by means of specific design features of the Fabry-Perot layer stack. Hence, they are not subject to any reverse engineering strategies. Examples of stratified, micro-structured, and laser-modified Fabry-Perot layer systems are considered that may be used at all perception levels (e.g. human eye, bar code reader, and imaging ellipsometry) for authentication against product counterfeiting and related areas. --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
Zur Authentifizierung werden offene, versteckte und forensische Merkmale entweder codiert oder direkt auslesbar verwendet. Mit Fabry-Perot Schichtsystemen als Informationsträger in Kombination mit der abbildenden Ellipsometrie als optischem Auslesesystem steht ein 'all-in-one' Fälschungsschutz-System zur Verfügung, das ein neues Sicherheitsniveau 'kodiert-forensisch' darstellt. Es werden unterschiedliche Schichtdesigns beschrieben, mit denen alle drei Sicherheitsniveaus realisiert werden können: offene Merkmale (z.B. Farbe und Kippeffekt), die mit dem menschlichen Auge wahrnehmbar sind, versteckte Merkmale (z.B. die spektrale Antwort im Sichtbaren oder im IR) sowie forensische Merkmale (ellipsometrische Größen Ψ und Δ als Funktion der Wellenlänge λ und des Einfallswinkels AOI).
Physikalisch nicht klonbare Funktionen (PUF) können im Ergebnis einer Multi-Material- und Multi-Parameter Beschichtungsstrategie sowie durch spezifische Design-Merkmale des Fabry-Perot Schichtsystems realisiert werden. Folglich sind solche Schichtsysteme dem 'reverse engineering' nicht zugänglich. Es werden Beispiele für lateral ausgedehnte, mikrostrukturierte und Laser modifizierte Schichtsysteme auf verschiedenen Ausleseniveaus (menschliches Auge, Barcode-Lesegerät, abbildendes Ellipsometer) vorgestellt, die zur Authentifizierung von Produkten und verwandte Gebiete geeignet sind.
The irradiation of ~0.9-µm-thick hydrogenated amorphous carbon (a-C:H) layers deposited on silicon substrates with single femtosecond (fs) laser pulses (35 fs pulse duration, 790 nm centre wavelength) in air is studied experimentally. Irradiation spots have been generated with different peak fluences and subsequently investigated by optical topometry, micro Raman spectroscopy and microscale mechanical indentation in order to evaluate their microscopic, topographical, structural and mechanical properties (e.g. elastic modulus). By this multi-method approach, a clear separation of different effects (delamination and graphitisation) becomes possible. The joint application of mechanical and spectroscopic techniques provides unique insights into the effects of the fs-laser radiation on the carbon layer.
Hybrid optical measurement technique for detection of defects in epitaxially grown 4H-SiC layers
(2022)
Recent developments in power electronics require the use of new wide bandgap compound semiconductor. We demonstrate the use of the ellipsometry and white light interference microscopy to detect defects in epitaxially grown SiC layers on SiC substrates. Such hybrid optical metrology methods can be used to better understand the mechanism of the development of the defects as well as their effects on the material´s optoelectronic properties.
Critical defects, also known as device killers, in wide bandgap semiconductors significantly affect the performance of power electronic devices. We used the methods imaging ellipsometry (IE) and white light interference microscopy (WLIM) in a hybrid optical metrology study for fast and non-destructive detection, classification, and characterisation of defects in 4H–SiC homoepitaxial layers on 4H–SiC substrates. Ellipsometry measurement results are confirmed by WLIM. They can be successfully applied for wafer characterisation already during production of SiC epilayers and for subsequent industrial quality control.
Hydrogen-Containing Amorphous Carbon Layers as Optical Materials in the Near-IR Spectral Range
(2007)
Hydrogenated amorphous carbon layers were deposited on various substrates by means of a plasma CVD process with a RF substrate bias as well as an ECR plasma source. The optical properties of the a-C:H layers were obtained via spectroscopic ellipsometry and correlated with their mechanical and chemical properties. The layers from pure RF plasma exhibit a higher absorption constant in the visible spectral range and a higher refractive index. All layers are nearly transparent in the NIR spectral range making them candidates for optical thin layer systems. The laser damage behaviour of the a-C:H layers was investigated with ultrashort pulses. The damage thresholds were consistent with the absorption constants of the layers. Interesting damage morphologies were observed indicating a sensitivity of this experiment to sub-structures in the layer.