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Interlaboratory comparison: optical property classification of carbon-based films by ellipsometry
(2017)
The paper addresses the “INTERLABORATORY COMPARISON: OPTICAL PROPERTY CLASSIFICATION OF CARBON-BASED FILMS BY ELLIPSOMETRY” and the following points are discussed in more detail: Established classification for mechanical properties, Complementary classification for optical properties, Ellipsometry for determination of optical constants n-k plane as material fingerprint, Samples, participants & set-ups (samples: Japan, participants: Japan, Germany, France, set-ups: Japan, Germany, USA) and Results of interlaboratory comparison: thickness, n & k.
Das Projekt KONTRAST adressiert die Qualitätskontrolle (QC) zur Erfassung nano- und mikroskaliger Belegung/Degradation mittels abbildender Ellipsometrie (IE). Das BAM-Teilvorhaben beinhaltet das Screening von Benchmark-Materialsystemen und die Validierung von Messstrategien. Im Ergebnis erfolgte eine Fokussierung auf das im Vergleich zur off Null Ellipsometrie (ONE) aussichtereichere Verfahren der referenzkompensierten Ellipsometrie(RKE), das marktstrategisch in RSE (referenced spectral ellipsometry) umbenannt wurde. Alle Materialsysteme der BAM-Unterauftragnehmer konnten mit IE visualisiert werden, mit dem RSE-System in wesentlich kürzeren Zeiten, auf größeren Flächen, bei vergleichbarer Empfindlichkeit und Auflösung, Komplementärverfahren waren für den schnellen Nachweis nano- und mikroskaliger Belegung nicht konkurrenzfähig, wobei zusätzliche Materialsysteme mit niedrigem Kontrast (SnO:Ni auf Glas bzw. Cr auf Chromstahl) in der BAM hergestellt wurden. Die öffentliche Präsentation des RSE-Prototyps erfolgte auf der ICSE-7 2016 mit der Publikation 2017 in Applied Surface Science.
Aufzählung der wichtigsten wissenschaftlich-technischen und anderer wesentlicher Ergebnisse
• ALD Abscheidungen auf Polymeren (PE, PP, PTFE) unter Atmosphärendruck und im Vakuum mit Ozon als Oxidationsmittel wurden durchgeführt:
- Mit Variation der Schichtdicke
- Mit Variation der Zykluszeit
- Mit und ohne Ozon Vorbehandlung der Oberfläche
• ALD Abscheidungen auf (PE, PP, PTFE) in Vakuum mit O2- und H2-Plasma Vorbehandlung wurden durchgeführt.
- Mit Variation der Schichtdicke
- Mit Variation der Zykluszeit
- Mit und ohne Plasma Vorbehandlung der Oberfläche
• Die ALD Prozesse wurden mit in situ Laserellipsometrie untersucht.
• Die ALD Schichten wurden für die Haftfestigkeit bei der BAM ausgewerte
Im Rahmen eines BMWi Projekts der Fa. Innovent Jena, bei dem ein neuartiger optischer Sensor zur Bewertung der Oberflächenqualität und Reinheit von optischen Gläsern im Fokus stand, wurden die abbildende Ellipsometrie, die IR-Mikroskopie und die Weißlichtinterferenzmikroskopie als Referenzverfahren herangezogen. Mittels Brewster-Winkelmessungen konnten „Wolkenstrukturen“ identifiziert werden, die bei nachfolgenden Beschichtungsprozessen zu Schichtdefekten führen können. Außerdem wurden mittels Ellipsometrie Änderungen im Brechungsindex der Floatgläser (Luft- bzw. Zinnseite) nachgewiesen. Topographie Oberflächenmerkmale wie Welligkeit, Rauheit und Kreuzrillen konnten mittels Weißlichtinterferenzmikroskopie bzw. abbildender Ellipsometrie identifiziert werden.
Die Angabe der Messunsicherheit wird im Rahmen von Konformitätsbewertungen gefordert. Die Messunsicherheit gibt an, wie sicher der wahre Wert der Messgröße getroffen wird. Für ihre Ermittlung gibt es unterschiedliche Ansätze, allen voran der „Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement“ (GUM). In der geplanten Auditoren- und Bewerterschulung sollen in einem Übersichtsvortrag "Uncertainty Budgets in Measurement and Testing for Surface Characterization: Ellipsometry, Hardness and Adhesion Testing" Herangehensweisen und Methoden zur Ermittlung der Messunsicherheit vorgestellt und anschließend anhand beispielhafter Anwendungen aus den Arbeitsbereichen der BAM erklärend untersetzt werden.
Mit dieser Schulung sollen die Auditoren und Bewerter der BAM befähigt werden, geltende Anforderungen zur Messunsicherheit handhaben und beurteilen zu können.
Der Vortrag widmet sich modifizierten Oberflächen zur Erhöhung der Kratzbeständigkeit sowie entspre-chenden Prüfmethoden und bewertet deren Praxis-tauglichkeit. Nach einer Übersicht zu Begriffen und Definitionen wird die wirtschaftliche Bedeutung der Kratzbeständigkeit aufgezeigt. Neben generellen Anforderungen an Mess-und Prüfverfahren hinsicht-lich Einsatzbereichen, Messunsicherheit und Validie-rung werden diverse Verfahren zur Erzeugung und Bewertung Einzel- und Vielfach-Kratzern nebst ent-sprechenden Normen vorgestellt. Die analytische Charakterisierung, werkstofftechnische Gesichts-punkte und eine Zusammenstellung aktuell gültiger Normen zur Kratzbeständigkeit schließen den Vortrag ab.
Das Fügeverfahren Kleben bietet viele Vorteile, wie das Verbinden verschiedener Materialklassen und eine Lastverteilung über den gesamten Fügebereich, und erfordert schnelle Prüfverfahren zur Ermittlung von Verbundeigenschaften.
Das Messprinzip CAT-Technologie® (Centrifugal Adhesion Testing) verwendet die radial gerichtete Zentrifugalkraft als Belastungsgröße, die durch programmierbare Variation der Drehzahl statisch oder dynamisch vorgegeben wird. Bei Erreichen der kritischen Beanspruchung trennt sich der Prüfstempel vom Substrat, zeitgleich wird ein positionsbezogenes Signal aus dem drehenden Rotor gesendet und zusammen mit der Drehzahl an die PC-Software übertragen. Für jede Probe wird die Bruchkraft berechnet und in Echtzeit angezeigt. Der Adhesion Analyser LUMiFrac® untersucht simultan bis zu acht Prüfkörper unter identischen Bedingungen. Das neue Messprinzip erfüllt die Anforderungen von DIN EN 15870, DIN EN 14869-2 und ISO 4624.
Neben der Festigkeitsbestimmung von Klebverbindungen ist die Haftung von Schichtsystemen ein weiterer wichtiger Anwendungsbereich. Ergebnisse für Zug- und Scherbeanspruchung, realisiert mit unterschiedlichen Prüfkörper-Layouts, werden vorgestellt und Festigkeit beeinflussende Faktoren, wie Prüfgeschwindigkeit oder Substratverformung bei Beanspruchung, werden aufgezeigt. Die Charakterisierung von Klebebandeigenschaften über die Möglichkeiten der Schälprüfung hinaus wird gezeigt. Des Weiteren werden experimentelle Ergebnisse durch zyklische Belastung (Ermüdung) im Vergleich zu Stan-dard-Tests diskutiert.
The talk addresses layer-based sensors for monitoring applications. In particular, sensor principles surface plasmon resonance (SPR), air-coupled ultrasonic, and magneto-optical coupling are discussed. Optical sensors on planar substrates are prepared by sol-gel, CVD- and PVD deposition techniques, ultrasonic sensors on planar and curved substrates are made by means of PVD processes, and magnetostrictive coatings for magneto-optical sensors are deposited on fibre-based Bragg gratings (FBGs) using PVD and ECD techniques. For all kinds of sensors design and function are explained and discussed, i.e. regarding sensitivity. It is shown that a) SPR enhanced ellipsometry is a promising tool for gas monitoring of hazardous gases, that b) thermos-acoustic and piezo-electric pulse-echo techniques are relevant for damage inspection of hidden volume defects of CFRPs, and that c) magnetostrictive-optical sensors with self-calibrating (magnetic reference field) function are useful for structural health monitoring in terms of strain sensors.
Background: Gas sensors are very important in several fields like gas monitoring, safety and environmental applications. In this approach, a new gas sensing concept is investigated which combines the powerful adsorption probability of metal oxide conductive sensors (MOS) with an optical ellipsometric readout. This concept Shows promising results to solve the problems of cross sensitivity of the MOS concept.
Results: Undoped tin oxide (SnOx) and iron doped tin oxide (Fe:SnOx) thin add-on films were prepared by magnetron sputtering on the top of the actual surface plasmon resonance (SPR) sensing gold layer. The films were tested for their sensitivity to several gas species in the surface plasmon resonance enhanced (SPREE) gas measurement. It was found that the undoped tin oxide (SnOx) shows higher sensitivities to propane (C3H8) then to carbon monoxide (CO). By using Fe:SnOx, this relation is inverted. This behavior was explained by a change of the amount of binding sites for CO in the layer due to this iron doping. For hydrogen (H2) no such relation was found but the sensing ability was identical for both layer materials. This observation was related to a different sensing mechanism for H2 which is driven by the Diffusion into the layer instead of adsorption on the surface.
Conclusion: The gas sensing selectivity can be enhanced by tuning the properties of the thin film overcoating. A relation of the binding sites in the doped and undoped SnOx films and the gas sensing abilities for CO and C3H8 was found. This could open the path for optimized gas sensing devices with different coated SPREE sensors.
The 7th International Conference on Spectroscopic Ellipsometry (ICSE-7) was held in Berlin in June 2016, jointly organised by ICSE and BAM. The publication of the proceedings special issue in Applied Surface Science follows this event. In the special issue, about 100 articles on current topics of optics and surface science related to ellipsometry, polarimetry, and similar techniques are presented, underpinning the high significance of these techniques for many fields of materials science.