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Kleinste Dichteunterschiede in Quarzglas

Die Photolithographie benötigt Linsen aus Quarzglas höchster Homogenität. Mit einer in der PTB entwickelten, konzeptionell einfachen Methode gelingt es jetzt, kleinste Dichteunterschiede in Quarzgläsern nachzuweisen.

Mit der Miniaturisierung integrierter elektronischer Bauelemente wachsen zugleich die Anforderungen an die optischen Komponenten. So müssen die Objektive in der Photolithographie beispielsweise aus Quarzglas mit einer extrem homogenen Brechzahl bestehen. Die Brechzahl von hochreinem Quarzglas wird im Wesentlichen über die Struktur des Glases bestimmt und ist mit der Dichte rhoQ des Glases verknüpft. Ein Dichteunterschied Delta-rhoQ von 10-5 rhoQ entspricht für Quarzglas einem Brechzahl-Unterschied von 1,5 · 10-6. So kleine Unterschiede können kaum über optische Methoden nachgewiesen werden. Deshalb wurde die PTB gebeten, einen Nachweis mit Dichtemessungen zu versuchen. Da nur kleine Proben von ca. 1 cm3 zur Verfügung stehen, lassen sich solche Dichteunterschiede nur mit einem Schwebe- oder Flotations-Verfahren messen. Hierbei befinden sich zwei (oder mehr) Proben gleichzeitig in einer Flüssigkeit, deren Dichte rhoFl fast genauso groß ist wie die Dichte rhoQ der Proben. Über eine Variation des Drucks in der Flüssigkeit kann erreicht werden, dass jeweils eine der Proben frei in der Flüssigkeit schwebt, also als Spezialfall des Archimedischen Prinzips rhoFl = rhoQ gilt.

Die Flotationsapparatur variiert den Flüssigkeitsdruck über zwei Parameter: den hydrostatischen Druck (ausgeübt durch ein mit dem Messgefäß verbundenes Zusatzgefäß) und die Temperatur. Mit Spezialküvetten wird eine kleine Zeitkonstante des Temperatur-Ausgleichs erreicht. Bei einer erreichbaren Nachweisgrenze von 1 · 10-6 rhoQ (für quaderförmige Proben) ergaben erste Messungen an fünf Quarzglasproben relative Dichteunterschiede bis zu 3 · 10-5. Dabei wurde eine Messunsicherheit von 5 · 10-6 rhoQ (k = 2) erreicht.

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