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Avogadro-Projekt: Schichtdicke von SiO2

Im Rahmen des internationalen Avogadro-Projekts soll eine nahezu perfekte Siliciumkugel mit höchster Genauigkeit charakterisiert werden. Dazu muss auch die Dicke der unvermeidlichen Oxidschicht von einigen Nanometern auf der Oberfläche der Siliciumkugel gemessen werden. Die Schichtdickenmessung basiert auf Röntgenreflektometrie mit Synchrotronstrahlung geeigneter Photonenenergie sowie zusätzlichen ellipsometrischen Messungen.

Siliciumkugel mit den Detektoren für die Röntgenreflektometrie-(XRR-) und die Röntgenfluoreszenz-(XRF-)Messungen im UHV-Reflektometer

Schichtdicken im nm-Bereich lassen sich mit Röntgenreflektometrie messen. Dabei nutzt man die Tatsache, dass sich bei Variation des Einfallswinkels in der reflektierten Strahlung Interferenzeffekte bemerkbar machen, die durch die beiden Reflexionen an der äußeren Schichtoberfläche und an der inneren Grenzfläche entstehen. Kommerzielle Geräte, die Kupfer-Kα-Strahlung mit einer Photonenenergie von 8048 eV bei nahezu streifendem Einfall benutzen, sind hier allerdings weniger geeignet, weil bei dieser Photonenenergie die Reflexion an der SiO2-Si-Grenzfläche und damit auch die Interferenzeffekte nur schwach sind. Deutliche Interferenzeffekte treten dagegen im Bereich der Silicium-K-Kante um 1840 eV und der Sauerstoff-K-Kante um 540 eV auf, wo man mit steilen Einfallswinkeln bis zu 50° auch stark gekrümmte Schichten messen kann. Entsprechende Messungen wurden mit dem UHV-Röntgenreflektometer am Undulator-Strahlrohr im PTB-Laboratorium am Berliner Elektronenspeicherring BESSY durchgeführt. Messungen bei verschiedenen Photonenenergien in der Umgebung der Sauerstoff-K-Kante ermöglichen es jetzt, die Dicken der SiO2- sowie der kohlenstoffhaltigen Verunreinigungsschicht getrennt zu bestimmen und die Messunsicherheit von gegenwärtig 0,2 nm auf die geforderten 0,1 nm zu reduzieren. Die mittels Röntgenreflektometrie an einigen Punkten auf der Oberfläche bestimmten SiO2-Schichtdicken werden als Referenzwerte für ellipsometrische Messungen der Schichtdickenvariationen entlang von Großkreisen über die Kugeloberfläche verwendet.

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