Methoden der Filmanalyse

Rasterelektronenmikroskopie

Rasterelektronenmikroskopie (REM) ist eine Technik, bei der Elektronen aus einer Elektronenkanone durch eine hohe Spannung (5 - 50 kV) zur Probenoberfläche hin beschleunigt werden, wo sie Sekundärelektronen emittieren und Elektronen von der Probenoberfläche streuen. Diese Primärelektronen können auch von der Oberfläche zurückgestreut werden. Die Sekundärelektronen werden von einem Detektor gesammelt und in ein elektrisches Signal umgewandelt, das auf einem Monitor angezeigt oder computerisiert werden kann. Der Elektronenstrahl wird auf einen kleinen Punkt fokussiert und über die Probe gescannt, so dass ein Bild der Oberflächengeometrie aufgezeichnet werden kann. Die Auflösung einer REM-Reproduktion ist nicht nur instrumentabhängig, sondern auch abhängig vom Probenmaterial. Die Grenze wird durch die Fokussierbarkeit des Strahls und durch Streuprozesse in der Probenoberfläche bestimmt. Typische Werte für diese Grenze sind 10 - 20 Å, was bedeutet, dass kleinere Merkmale als diese nicht erkannt werden können. Der Bildkontrast kann aus mehreren verschiedenen Phänomenen resultieren, von denen eines der topographische Kontrast ist, was bedeutet, dass es wahrscheinlicher ist, Elektronen zu detektieren, die von Probenoberflächen in der Nähe des Detektors gestreut werden als von weiter entfernten Oberflächen. Diese Art von Kontrast liefert Bilder, die leicht zu interpretieren sind. Die Probenvorbereitung ist unkompliziert, die Proben sollten sauber und vorzugsweise elektrisch leitend und nicht magnetisch sein. Isolierende Oberflächen verursachen Probleme mit gesättigten Ladungen. Dies erfordert entweder eine niedrigere Beschleunigungsspannung für den Strahl (mit folglich geringerer Empfindlichkeit) oder eine zusätzliche Beschichtung der Oberfläche durch einen dünnen leitenden Film, z. B. einen Goldfilm. Für die Dünnfilmanalyse ist das REM ein geeignetes Werkzeug zur Abbildung der Morphologie von Filmoberflächen und der Mikrostruktur von Filmquerschnitten.

Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse

Die Elektronenspektroskopie zur chemischen Analyse (ESCA), auch Röntgen-Photoelektronenspektroskopie (XPS) genannt, ist ein oberflächenempfindliches Werkzeug zur Elementanalyse, bei dem die Probe mit monochromatischen Röntgenphotonen bestrahlt wird. Die Photonen verursachen eine Emission von Elektronen mit einer charakteristischen kinetischen Energie, die von verschiedenen Elementen in der Probenoberfläche abhängt. Der Nachweis dieser Energien kann sowohl eine qualitative als auch eine quantitative Analyse der Elemente in der Probe ergeben. Auch der chemische Zustand der Probenatome kann durch die chemische Verschiebung bestimmt werden, dh die Änderung der Bindungsenergie eines Elektrons, wenn das Atom an ein anderes Atom gebunden ist. Mit Sputtern und abwechselnder Analyse können Tiefenprofile der Probenzusammensetzung erhalten werden.

Röntgenbeugung

Röntgenbeugung (XRD) ist eine vielseitige Materialanalysetechnik für kristalline Materialien. Einige Beispiele für die Verwendung von XRD sind: Bestimmung von Gitterkonstanten, Identifizierung von unbekannten Substanzen, Phasenanalyse und Messungen von Korngrößen und intrinsischer Spannung.

Die Idee hinter der Röntgenbeugung ist, dass ein Kristall mit seiner sich regelmäßig wiederholenden Struktur elektromagnetische Strahlung mit einer Wellenlänge der gleichen Größe wie der interatomare Abstand des Kristalls beugt, genau wie ein optisches Gitter sichtbares Licht beugt. Eine Möglichkeit, die Röntgenbeugung zu verstehen, besteht darin, die Atomebenen im Kristall als einen Stapel halbtransparenter Spiegel zu betrachten. Die Beugung kann nun wie Reflexionen in den Atomebenen behandelt werden, wobei jede Ebene einen Teil der Strahlung reflektiert, so dass es mehrere Reflexionen gibt. Diese Reflexionen werden konstruktiv interferieren, wenn sie in Phase sind, dh die Differenz in der Weglänge ist gleich einem ganzzahligen Vielfachen einer Wellenlänge. Dies tritt nur auf, wenn der Einfallswinkel das Bragg'sche Gesetz erfüllt: 2d sinθ = nλ , wobei d der Abstand zwischen zwei benachbarten Atomebenen ist, θ der Bragg-Winkel ist, n eine ganze Zahl ist und λ die Röntgenwellenlänge ist. Für alle anderen Winkel gibt es eine destruktive Interferenz und keine Reflexion.

Da es in einer kristallinen Substanz mehrere Gruppen von Atomebenen mit unterschiedlichem Abstand gibt, werden starke Reflexionen in mehrere Richtungen für eine polykristalline Probe auftreten. Jede starke Reflexion hat zwei Eigenschaften, Beugungswinkel und Intensität, und diese Daten können mit Datenbanken und einer unbekannten Substanz verglichen und ihre Kristallstruktur bestimmt werden.

Bei sehr dünnen Filmen kann die Intensität der Reflexionen von dem Film so schwach sein, dass sie in der Hintergrundstrahlung, z. B. vom Substrat, ertrinken. Dieses Problem kann durch Verwendung einer streifenden Inzidenzmethode, GI-XRD, vermieden werden, was bedeutet, dass die Einfalls-Röntgenstrahlen einen sehr kleinen Winkel in Bezug auf die Oberfläche haben und dies erhöht die Intensität, so dass die Technik oberflächensensitiver wird.

Durch den Einsatz eines Goebel-Spiegels mit parallelem Einfall werden Röntgenstrahlen erhalten, die eine höhere Intensität ergeben und GI-XRD vereinfachen. Für ein gewöhnliches XRD ermöglicht dies auch die Analyse von nicht-flachen Proben.

Das Stiftprofilometer

Ein Stiftprofilometer wird verwendet, um die Oberflächenrauhigkeit und die Filmdicke zu messen. Das Prinzip besteht darin, einen Stift mit einer sehr kleinen Last über die Oberfläche zu bewegen und die vertikale Position des Stiftes als eine Funktion der horizontalen Position akustisch aufzuzeichnen.

Um eine zuverlässige Messung der Dicke eines dünnen Films zu erhalten, muss ein ganz bestimmter Schritt von der ursprünglichen Substratoberfläche zu dem Film durchgeführt werden. Andernfalls kann die Stufe nicht von der Oberflächenrauhigkeit unterschieden werden, wenn diese zu hoch ist. Solch ein Schritt kann erhalten werden durch Maskieren eines Bereichs vor dem Abscheiden oder durch nachfolgendes Ätzen. Für ein gutes Profilometer ist ein typischer Wert der vertikalen Auflösung 5 Å, aber dies kann die Möglichkeit begrenzen, große vertikale Variationen zu messen. Typische maximale meßbare Filmdicken sind etwa 15 μm für kommerzielle Profilometer.

Analyse der mechanischen Eigenschaften dünner Filme

Unter den verschiedenen mechanischen Eigenschaften von dünnen Filmen ist die Härte eine der wichtigsten. Die Härte ist jedoch keine eindeutig zu bestimmende Eigenschaft, insbesondere nicht für dünne Filme. Der Härtewert ist zunächst abhängig von der Messtechnik. Alle Techniken beinhalten einen Eindringkörper aus einem harten Material (zB Diamant), der durch eine feste Belastung in das zu prüfende Material gepresst wird. Der Härtewert wird dann aus der Last und der Fläche (real oder projiziert) oder der Tiefe des Eindrucks berechnet. Der Eindringkörper kann verschiedene Formen (z. B. Pyramiden) und unterschiedliche Lastbereiche haben, die Ergebnisse liefern, die nicht direkt verglichen werden können. Bei dünnen Filmen erschwert der Einfluss der Substrate die Härtemessungen und um diesen Einfluss zu verringern, werden Mikrohärtemessverfahren eingesetzt, bei denen sehr kleine Belastungen (0,01 - 10 N) verwendet werden. Zwei der häufigsten Mikrohärtetechniken sind Mikro-Vickers und Knoop. Beide Techniken verwenden pyramidenförmige Eindringkörper, aber Knoop verwendet eine längliche Pyramide, die flachere Einkerbungen als der Vickers-Eindringkörper ergibt. Trotz der geringen Belastungen ergeben die Mikrohärtemessungen für dünne Filme die Härte von Systemfilm und Substrat. Um die Härte des Films allein zu bestimmen, kann er entweder aus der Härte des beschichteten Substrats und der Härte des unbeschichteten Substrats unter Verwendung eines Modells, beispielsweise des Jönsson-Hogmark-Modells, berechnet werden oder durch eine Nanoindentationstechnik erhalten werden. Bei solchen Techniken werden extrem kleine Lasten (einige mN) verwendet, so dass die Größen der Vertiefungen aufgrund des großen Beitrags der elastischen Verformung sehr klein werden. Durch Nanoindentation können die Vertiefungen in der Größenordnung von 100 nm liegen, und dies ist klein genug, um den Einfluss der Substrate für μm-dicke Filme zu vermeiden, aber die Vertiefungen können nicht optisch wie in einem herkömmlichen Mikrohärtetester gemessen werden. In einem Nanoindenter wird die Beziehung zwischen der Last und der Verschiebung (Tiefe) des Indenters kontinuierlich während des gesamten Lade- und Entladezyklus aufgezeichnet. Aus diesen Lade / Entlade-Kurven kann nicht nur die Filmhärte erhalten werden, sondern auch der Elastizitäts- (oder Young-) Modul, dh die Fähigkeit eines Materials, einer elastischen Verformung zu widerstehen. Die Werte dieser beiden Eigenschaften können mit einem Modell von Oliver und Pharr berechnet werden.