Entwicklung und Anwendung eines Messsystems zur Bestimmung des totalen Streulichts von optischen und technisch rauhen Oberflächen und Schichten

Gliech, Stefan GND

Abstract of dissertation "Design and application of a measurement system for the detection of total light scattering of optical and rough surfaces and thin film layers" from Stefan Gliech, born 04.01.1968 In this dissertation the conception, configuration and application of a self- developed light scatter measurement system are presented. The system can be used for the detection of total light scattering in backward and forward direction of surfaces and thin film layers with an international jutting position in sensitivity (> 7 orders of magnitude) and spectrum of measurement wavelengths (157 nm to 10.6 µm). The range of application covers substrates and thin film layers for optics in the UV to IR wavelength range as well as rough surfaces. Additionally the broad spectrum and high number of wavelengths especially allows measurements at the design wavelength of optical components. Different methods of light scatter measurement are compared and the reason of using a Coblentz is given. Single components of the measurement system and the imaging behavior of the Coblentz sphere are explained in detail and the maximum measurement error is estimated. For the first time the possibility of measuring in forward or backward scatter direction using one measurement system is realized by rotating the Coblentz sphere about the sample and locking in position. This configuration ensures that both measurement positions will be found accurately, rapidly and independently of positioning errors of the rotating system. The beam parameters (power, diameter, divergence) of the incident beam are maintained when switching between the two modes. Very good agreements between measurement results of this system and other total scatter measurement systems could be achieved by realization of a round robin experiment. Functional efficiency, capability and range of application of this measurement system are demonstrated by measurements on different types of surfaces. The agreements when comparing with measurement results of other methods are very satisfying. The range of application is demonstrated with superpolished silicon wafers, optical surfaces and layer systems as well as rough surfaces at specially selected wavelengths.

In der Dissertation wurden die Konzeption, der Aufbau und die Anwendung eines selbstentwickelten Messsystems zur Erfassung der totalen Streuung in Rückwärts- und Vorwärtsrichtung von Festkörperoberflächen und Schichten dargestellt. Dieses Messsystem nimmt u.a. durch die erreichten Sensitivitäten (> 7 Größenordnungen) und das verfügbare Messwellenlängenspektrum (157 nm bis 10,6 µm) eine international herausragende Stellung ein. Das Einsatzspektrum des Messsystems umfasst Substrate und Beschichtungen für Optiken im UV- bis IR-Wellenlängenbereich sowie technisch rauhe Oberflächen. Gleichzeitig ermöglichen das breite Wellenlängenspektrum und die Vielzahl der Einzelwellenlängen die Messung bei den jeweiligen Einsatzwellenlängen optischer Komponenten. Verschiedene Messverfahren zur Erfassung von Streulicht wurden miteinander verglichen und der Einsatz einer Coblentzkugel begründet. Die einzelnen Komponenten des Messsystems sowie das Abbildungsverhalten der Coblentzkugel werden detailliert erläutert und der Gesamtfehler des Messsystems abgeleitet. Bei dem Messsystem wurde erstmals eine eine Drehung der Coblentzkugel um die Probenoberfläche und die Arretierung der Coblentzkugel in den jeweiligen Messpositionen zur Erfassung der Vorwärts- und der Rückwärtsstreuung realisiert. Hierdurch ist es erstmals möglich, die zuvor justierten Einstellungen beider Streulichtrichtungen präzise, schnell und unabhängig von Positionierfehlern des Drehsystems unter Beibehaltung der Einstrahlbedingungen an der Probenposition hinsichtlich Strahlleistung, -durchmesser und -divergenz wiederzufinden. Gute bis sehr gute Übereinstimmung der Messwerte mit denen anderer TS-Messanordnungen wurden innerhalb von Round-Robin-Experimenten erzielt. Die Funktionstüchtigkeit, Leistungsfähigkeit und Einsatzbreite des TS-Messsystems wurden anhand einer Reihe von Messungen an verschiedenen Oberflächenarten demonstriert. Bei Vergleichen mit Messergebnissen anderer Messverfahren wurden gute bis sehr gute Übereinstimmungen erreicht. Die Einsatzbreite wurde anhand von superpolierten Si-Wafern, optischen Oberflächen und Schichtsystemen sowie technisch rauhen Oberflächen bei jeweils nach Einsatzfall ausgewählten Wellenlängen nachgewiesen.

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Gliech, Stefan: Entwicklung und Anwendung eines Messsystems zur Bestimmung des totalen Streulichts von optischen und technisch rauhen Oberflächen und Schichten. 2004.

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