Methoden voor filmanalyse

Scannende elektronenmicroscopie

Scanning-elektronenmicroscopie (SEM) is een techniek waarbij elektronen van een elektronenkanon worden versneld door een hoge spanning (5 - 50 kV) naar het monsteroppervlak waar ze emissie van secundaire elektronen en verstrooiing van elektronen van het monsteroppervlak veroorzaken. Deze primaire elektronen kunnen ook terugverstrooid worden vanaf het oppervlak. De secundaire elektronen worden verzameld door een detector en omgezet in een elektrisch signaal dat kan worden weergegeven op een monitor of kan worden geautomatiseerd. De elektronenbundel wordt op een kleine plek gericht en over het monster gescand zodat een beeld van de oppervlaktegeometrie kan worden vastgelegd. De resolutie van een SEM-reproductie is niet alleen afhankelijk van het instrument maar ook afhankelijk van het monstermateriaal. De limiet wordt bepaald door hoe goed de bundel kan worden gefocusseerd en door verstrooiingsprocessen in het monsteroppervlak. Typische waarden van deze limiet zijn 10 - 20 A, wat betekent dat kleinere functies dan die niet kunnen worden gedetecteerd. Het beeldcontrast kan uit verschillende verschijnselen voortkomen, waarvan het ene het topografische contrast is, wat betekent dat het waarschijnlijker is om elektronen te detecteren die zijn verstrooid vanaf de monsteroppervlakken nabij de detector dan van verder weg gelegen oppervlakken. Dit soort contrast geeft beelden die gemakkelijk te interpreteren zijn. Monstervoorbereiding is ongecompliceerd, de monsters moeten schoon zijn en bij voorkeur elektrisch geleidend en niet-magnetisch. Isolerende oppervlakken veroorzaken problemen met verzadigde ladingen. Dit vereist een lagere versnellingsspanning voor de bundel (met als gevolg lagere gevoeligheid) of een hulpcoating van het oppervlak door een dunne geleidende film, bijv. Een goudfilm. Voor dunne-filmanalyse is de SEM een geschikt hulpmiddel voor het weergeven van de morfologie van filmoppervlakken en de microstructuur van foliedoorsneden.

Elektronen spectroscopie voor chemische analyse

De elektronenspectroscopie voor chemische analyse (ESCA), ook bekend als X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), is een oppervlakgevoelig hulpmiddel voor elementanalyse waarbij het monster wordt bestraald met monochromatische röntgenfotonen. De fotonen veroorzaken emissie van elektronen met karakteristieke kinetische energie afhankelijk van verschillende elementen die aanwezig zijn in het monsteroppervlak. Detectie van deze energieën kan zowel een kwalitatieve als een kwantitatieve analyse van de elementen in het monster opleveren. Ook de chemische toestand van de monsteratomen kan worden bepaald door de chemische verschuiving, dwz de verandering in de bindingsenergie van een elektron wanneer het atoom aan een ander atoom is gebonden. Met sputtering en analyse per omwenteling kunnen diepteprofielen van de monstersamenstelling worden verkregen.

Röntgendiffractie

Röntgendiffractie (XRD) is een veelzijdige materiaalanalysetechniek voor kristallijne materialen. Enkele voorbeelden van waar XRD voor kan worden gebruikt, zijn: bepaling van roosterconstanten, identificatie van onbekende stoffen, faseanalyse en metingen van korrelgroottes en intrinsieke stress.

Het idee achter röntgendiffractie is dat een kristal, met zijn regelmatig terugkerende structuur, elektromagnetische straling zal diffunderen met een golflengte van dezelfde grootte als de inter-atomaire afstand van het kristal, net zoals een optisch rooster zichtbaar licht zal doen diffunderen. Een manier om de röntgendiffractie te begrijpen, is door de atoomvlakken in het kristal te beschouwen als een stapel semi-transparante spiegels. De diffractie kan nu worden behandeld als reflecties in de atoomvlakken waar elk vlak een deel van de straling weerkaatst, zodat er verschillende reflecties zullen zijn. Deze reflecties zullen constructief interfereren wanneer ze in fase zijn, dwz dat het verschil in padlengte gelijk is aan een geheel veelvoud van een golflengte. Dit gebeurt alleen als de invalshoek voldoet aan de wet van Bragg: 2 d sin θ = nλ , waarbij d de afstand is tussen twee aangrenzende atoomvlakken, θ de Bragg-hoek is, n een geheel getal is en λ de x-ray golflengte is. Voor alle andere hoeken is er een destructieve interferentie en geen reflectie.

Omdat er verschillende reeksen atomaire vlakken zijn met verschillende afstanden in een kristallijne substantie, zullen er sterke reflecties zijn in verschillende richtingen voor een polykristallijn monster. Elke sterke reflectie heeft twee eigenschappen, diffractiehoek en intensiteit, en deze gegevens kunnen worden vergeleken met databases en een onbekende stof en de kristalstructuur kan worden bepaald.

In het geval van zeer dunne films kan de intensiteit van de reflecties van de film zo zwak zijn dat ze verdrinken in de achtergrondstraling, bijv. Van het substraat. Dit probleem kan worden vermeden door gebruik te maken van een weidevoorvalmethode, GI-XRD, wat betekent dat de invalsröntgenstralen een zeer kleine hoek ten opzichte van het oppervlak hebben en dit verhoogt de intensiteit zodat de techniek meer oppervlakte-gevoelig wordt.

Door het gebruik van een Goebel-spiegel worden parallelle incidentie-röntgenstralen verkregen die een hogere intensiteit geven en GI-XRD vereenvoudigen. Voor een gewone XRD maakt dit het ook mogelijk om niet-vlakke monsters te analyseren.

De naaldprofilometer

Een naaldprofilometer wordt gebruikt om de oppervlakteruwheid en de filmdikte te meten. Het principe is om een ​​naald met een zeer kleine last over het oppervlak te bewegen en de verticale positie van de naald akoestisch te registreren als een functie van de horizontale positie.

Voor een betrouwbare meting van de dikte van een dunne film moet er een duidelijk andere stap zijn van het oorspronkelijke substraatoppervlak naar de film. Anders kan de stap niet worden onderscheiden van de oppervlakteruwheid als deze te hoog is. Een dergelijke stap kan worden verkregen door een gebied vóór de afzetting te maskeren of daarna te etsen. Voor een goede profilometer is een typische waarde van de verticale resolutie 5 Å, maar dit kan de mogelijkheid om grote verticale variaties te meten beperken. Typische maximale meetbare filmdikten zijn ongeveer 15 μm voor commerciële profilometers.

Analyse van de mechanische eigenschappen van dunne films

Onder verschillende mechanische eigenschappen van dunne films, is de hardheid een van de belangrijkste. De hardheid is echter geen eigenschap die ondubbelzinnig kan worden bepaald, vooral niet voor dunne films. Allereerst is de hardheidswaarde afhankelijk van de meettechniek. Alle technieken omvatten een indringer van een hard materiaal (bijvoorbeeld diamant) dat door een vaste belasting in het geteste materiaal wordt geperst. De hardheidswaarde wordt vervolgens berekend uit de belasting en oppervlakte (reëel of geprojecteerd) of de diepte van de inspringing. De indringer kan verschillende vormen hebben (bijv. Piramides) en verschillende belastingsbereiken die resultaten opleveren die niet direct kunnen worden vergeleken. Voor dunne films compliceert de invloed van de substraten de hardheidsmetingen en om deze invloed te verminderen, worden microhardheidsmeettechnieken gebruikt, waarbij zeer kleine belastingen (0,01 - 10 N) worden gebruikt. Twee van de meest voorkomende microhardheidstechnieken zijn micro Vickers en Knoop. Beide technieken maken gebruik van piramidale inkepingen, maar Knoop gebruikt een langwerpige piramide die ondieperere inkepingen geeft dan de indringer van Vickers. Ondanks de kleine belastingen geven de microhardheidsmetingen voor dunne films de hardheid van de systeemfilm en het substraat. Om de hardheid van de film te bepalen, kan deze alleen worden berekend uit de hardheid van het gecoate substraat en de hardheid van het onbeklede substraat met behulp van een model, bijv. Het Jönsson-Hogmark-model, of worden verkregen door een nano-inductietechniek. Bij dergelijke technieken worden extreem kleine belastingen (enkele mN) gebruikt, zodat de afmetingen van de inkepingen erg klein worden vanwege de grote bijdrage van elastische vervorming. Door nano-indentatie kunnen de streepjes in de orde van 100 nm zijn en dit is klein genoeg om invloed van de substraten voor μm dikke films te vermijden, maar de inkepingen kunnen optisch niet worden gemeten in een conventionele microhardheidstester. In een nanoindenter wordt de relatie tussen de belasting en de verplaatsing (diepte) van de indringer continu vastgelegd tijdens de gehele laad- en ontlaadcyclus. Uit deze laad / ontlaadcurven kan niet alleen de filmhardheid worden verkregen, maar ook de elasticiteitsmodulus (of Young's), dwz het vermogen van een materiaal om bestand te zijn tegen elastische vervorming. De waarden van deze twee eigenschappen kunnen worden berekend met behulp van een model van Oliver en Pharr.