Μέθοδοι Ανάλυσης Ταινιών

Ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης

Η ηλεκτρονική μικροσκοπία σάρωσης (SEM) είναι μια τεχνική όπου τα ηλεκτρόνια από ένα ηλεκτρονικό όπλο επιταχύνεται από μια υψηλή τάση (5 - 50 kV) προς την επιφάνεια του δείγματος όπου προκαλούν εκπομπή δευτερογενών ηλεκτρονίων και διάσπαση ηλεκτρονίων από την επιφάνεια του δείγματος. Αυτά τα πρωτογενή ηλεκτρόνια μπορούν επίσης να αναδιπλωθούν από την επιφάνεια. Τα δευτερεύοντα ηλεκτρόνια συλλέγονται από έναν ανιχνευτή και μετατρέπονται σε ένα ηλεκτρικό σήμα που μπορεί να εμφανιστεί σε μια οθόνη ή να μηχανογραφηθεί. Η δέσμη ηλεκτρονίων επικεντρώνεται σε ένα μικρό σημείο και σαρώθηκε πάνω από το δείγμα έτσι ώστε να μπορεί να καταγραφεί μια εικόνα της γεωμετρίας της επιφάνειας. Η ανάλυση μιας αναπαραγωγής SEM δεν εξαρτάται μόνο από το όργανο αλλά εξαρτάται επίσης από το υλικό του δείγματος. Το όριο καθορίζεται από το πόσο καλά μπορεί να επικεντρωθεί η δέσμη και από τις διεργασίες σκέδασης στην επιφάνεια του δείγματος. Οι τυπικές τιμές αυτού του ορίου είναι 10 - 20 Å, υποδηλώνοντας ότι μικρότερα χαρακτηριστικά από αυτό δεν μπορούν να ανιχνευθούν. Η αντίθεση της εικόνας μπορεί να προκύψει από πολλά διαφορετικά φαινόμενα εκ των οποίων το ένα είναι η τοπογραφική αντίθεση που σημαίνει ότι είναι πιο πιθανό να ανιχνεύονται τα διάσπαρτα ηλεκτρόνια από τις επιφάνειες δειγμάτων κοντά στον ανιχνευτή παρά από πιο απομακρυσμένες επιφάνειες. Αυτό το είδος αντίθεση δίνει εικόνες που είναι εύκολο να ερμηνευτούν. Η προετοιμασία των δειγμάτων είναι απλή, τα δείγματα πρέπει να είναι καθαρά και κατά προτίμηση ηλεκτρικά αγώγιμα και μη μαγνητικά. Οι μονωτικές επιφάνειες προκαλούν πρόβλημα με κορεσμένα φορτία. Αυτό απαιτεί είτε χαμηλότερη τάση επιτάχυνσης για τη δέσμη (με συνεπώς χαμηλότερη ευαισθησία) είτε βοηθητική επίστρωση της επιφάνειας με λεπτό αγώγιμο φιλμ, π.χ. χρυσό φιλμ. Για την ανάλυση λεπτών υμενίων το SEM είναι ένα κατάλληλο εργαλείο για την απεικόνιση της μορφολογίας των επιφανειών του φιλμ και της μικροδομής των διατομών φιλμ.

Φασματοσκοπία ηλεκτρονίων για χημική ανάλυση

Η φασματοσκοπία ηλεκτρονίων για χημική ανάλυση (ESCA), επίσης γνωστή ως φασματοσκοπία φωτοηλεκτρονίων ακτίνων Χ (XPS), είναι ένα ευαίσθητο στην επιφάνεια εργαλείο για την ανάλυση στοιχείων όπου το δείγμα ακτινοβολείται από μονοχρωματικά φωτόνια ακτίνων Χ. Τα φωτόνια προκαλούν εκπομπή ηλεκτρονίων με χαρακτηριστική κινητική ενέργεια ανάλογα με τα διάφορα στοιχεία που υπάρχουν στην επιφάνεια του δείγματος. Η ανίχνευση αυτών των ενεργειών μπορεί να δώσει ποιοτική και ποσοτική ανάλυση των στοιχείων του δείγματος. Επίσης, η χημική κατάσταση των ατόμων του δείγματος μπορεί να προσδιοριστεί μέσω της χημικής μετατόπισης, δηλαδή της μεταβολής της ενέργειας δέσμευσης ενός ηλεκτρονίου όταν το άτομο δεσμεύεται σε άλλο άτομο. Με τη βοήθεια του sputtering και της ανάλυσης με στροφές μπορούν να ληφθούν τα προφίλ βάθους της σύνθεσης του δείγματος.

περίθλαση ακτίνων Χ

Η περίθλαση ακτίνων Χ (XRD) είναι μια ευέλικτη τεχνική ανάλυσης υλικού για κρυσταλλικά υλικά. Μερικά παραδείγματα για το τι μπορεί να χρησιμοποιηθεί το XRD είναι: ο προσδιορισμός των σταθερών πλέγματος, η αναγνώριση των άγνωστων ουσιών, η ανάλυση φάσεων και οι μετρήσεις των μεγεθών των κόκκων και η ενδογενής καταπόνηση.

Η ιδέα πίσω από τη διάθλαση ακτίνων Χ είναι ότι ένας κρύσταλλος, με την τακτικά επαναλαμβανόμενη δομή του, θα διαθλάσει την ηλεκτρομαγνητική ακτινοβολία με μήκος κύματος του ίδιου μεγέθους με την διατομεακή απόσταση του κρυστάλλου, ακριβώς όπως ένα οπτικό πλέγμα θα διακρίνει το ορατό φως. Ένας τρόπος για να κατανοήσουμε τη περίθλαση ακτίνων Χ είναι να θεωρήσουμε τα επίπεδα ατόμων στον κρύσταλλο ως μια στοίβα ημιδιαφανών κατόπτρων. Η περίθλαση μπορεί τώρα να αντιμετωπίζεται σαν αντανακλάσεις στα επίπεδα ατόμων όπου κάθε επίπεδο αντανακλά ένα μέρος της ακτινοβολίας έτσι ώστε να υπάρχουν αρκετές αντανακλάσεις. Αυτές οι ανακλάσεις θα επηρεάσουν εποικοδομητικά όταν είναι σε φάση, δηλαδή η διαφορά στο μήκος διαδρομής ισούται με ένα ακέραιο πολλαπλάσιο ενός μήκους κύματος. Αυτό συμβαίνει μόνο όταν η γωνία πρόσπτωσης ικανοποιεί το νόμο του Bragg: 2 d sin θ = nλ , όπου d είναι η απόσταση μεταξύ δύο γειτονικών επιπέδων ατόμων, θ είναι η γωνία Bragg, η είναι ακέραιος και λ είναι το μήκος κύματος ακτίνων Χ. Για όλες τις άλλες γωνίες θα υπάρξει μια καταστροφική παρέμβαση και καμία αντανάκλαση.

Καθώς υπάρχουν διάφορα σύνολα ατόμων με διαφορετικά διαστήματα σε μια κρυσταλλική ουσία, θα υπάρξουν ισχυρές αντανακλάσεις σε διάφορες κατευθύνσεις για ένα πολυκρυσταλλικό δείγμα. Κάθε ισχυρή αντανάκλαση έχει δύο ιδιότητες, γωνία περίθλασης και ένταση, και αυτά τα δεδομένα μπορούν να συγκριθούν με βάσεις δεδομένων και μια άγνωστη ουσία και η κρυσταλλική δομή της μπορεί να προσδιοριστεί.

Στην περίπτωση των πολύ λεπτών μεμβρανών η ένταση των ανακλάσεων από την μεμβράνη μπορεί να είναι τόσο αδύναμη ώστε να πνιγεί στην ακτινοβολία του υποστρώματος, π.χ. από το υπόστρωμα. Το πρόβλημα αυτό μπορεί να αποφευχθεί με τη χρήση μιας μεθόδου εμφάνισης βόσκησης GI-XRD, πράγμα που σημαίνει ότι οι ακτίνες Χ έχουν πολύ μικρή γωνία σε σχέση με την επιφάνεια και αυτό αυξάνει την ένταση έτσι ώστε η τεχνική να γίνεται πιο ευαίσθητη στην επιφάνεια.

Με τη χρήση ενός κατόπτρου Goebel επιτυγχάνεται η παράλληλη εμφάνιση ακτίνων Χ που δίνουν μεγαλύτερη ένταση και απλοποιούν το GI-XRD. Για ένα συνηθισμένο XRD αυτό καθιστά επίσης δυνατή την ανάλυση μη επίπεδων δειγμάτων.

Το προφίλτρο της γραφίδας

Για την μέτρηση της τραχύτητας της επιφάνειας και του πάχους της μεμβράνης χρησιμοποιείται ένα προφίλτρο με γραφίδα. Η αρχή είναι να μετακινήσετε μια γραφίδα με πολύ μικρό φορτίο στην επιφάνεια και να καταγράψετε ακουστικά την κατακόρυφη θέση της γραφίδας ως συνάρτηση της οριζόντιας θέσης.

Για να επιτευχθεί μια αξιόπιστη μέτρηση του πάχους μιας λεπτής μεμβράνης πρέπει να υπάρχει ένα αρκετά ξεχωριστό βήμα από την αρχική επιφάνεια υποστρώματος προς την μεμβράνη. Διαφορετικά, το βήμα δεν μπορεί να διακριθεί από την τραχύτητα της επιφάνειας εάν αυτό είναι πολύ υψηλό. Ένα τέτοιο βήμα μπορεί να επιτευχθεί με την κάλυψη μίας περιοχής πριν από την εναπόθεση ή με τη χάραξη στη συνέχεια. Για ένα καλό προφίλτρο τυπική τιμή της κατακόρυφης ανάλυσης είναι 5 Å, αλλά αυτό μπορεί να περιορίσει τη δυνατότητα μέτρησης μεγάλων κατακόρυφων παραλλαγών. Τυπικά μέγιστα πάχη μετρήσιμων μεμβρανών είναι περίπου 15 μm για εμπορικά προφίλ.

Ανάλυση των μηχανικών ιδιοτήτων των λεπτών μεμβρανών

Μεταξύ των διαφορετικών μηχανικών ιδιοτήτων των λεπτών φιλμ, η σκληρότητα είναι ένα από τα πιο σημαντικά. Η σκληρότητα, ωστόσο, δεν είναι μια ιδιότητα που μπορεί να προσδιοριστεί με αδιαμφισβήτητο τρόπο, ειδικά όχι για τις λεπτές μεμβράνες. Πρώτα απ 'όλα η τιμή σκληρότητας εξαρτάται από την τεχνική μέτρησης. Όλες οι τεχνικές περιλαμβάνουν έναν άξονα από σκληρό υλικό (π.χ. διαμάντι) που πιέζεται στο υλικό που δοκιμάστηκε με σταθερό φορτίο. Στη συνέχεια υπολογίζεται η τιμή σκληρότητας από το φορτίο και την περιοχή (πραγματική ή προβαλλόμενη) ή από το βάθος της παύλας. Το indenter μπορεί να έχει διαφορετικά σχήματα (π.χ. πυραμίδες) και διαφορετικά εύρη φορτίου που δίνουν αποτελέσματα που δεν μπορούν να συγκριθούν άμεσα. Για τις λεπτές μεμβράνες η επίδραση των υποστρωμάτων περιπλέκει τις μετρήσεις της σκληρότητας και μειώνει αυτή την επιρροή, χρησιμοποιούνται τεχνικές μέτρησης της μικροσυστοιχίας, όπου χρησιμοποιούνται πολύ μικρά φορτία (0,01 - 10 N). Δύο από τις συνηθέστερες τεχνικές microhardness είναι οι μικροί Vickers και Knoop. Και οι δύο τεχνικές χρησιμοποιούν πυραμιδικούς άξονες, αλλά ο Knoop χρησιμοποιεί μια επιμήκη πυραμίδα που δίνει ρηχύτερες οδοντώσεις από ό, τι ο Vickers indenter. Παρά τα μικρά φορτία, οι μετρήσεις μικροσυστοιχίας δίνουν για τις λεπτές μεμβράνες την σκληρότητα της μεμβράνης του συστήματος και του υποστρώματος. Για να προσδιοριστεί η σκληρότητα της μεμβράνης μόνο μπορεί να υπολογιστεί είτε από την σκληρότητα του επικαλυμμένου υποστρώματος και από τη σκληρότητα του μη επικαλυμμένου υποστρώματος χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο, π.χ. το μοντέλο Jönsson-Hogmark, είτε να ληφθεί με μια τεχνική nanoindentation. Σε τέτοιες τεχνικές χρησιμοποιούνται εξαιρετικά μικρά φορτία (μερικά mN) έτσι ώστε τα μεγέθη των οδοντώσεων να γίνουν πολύ μικρά λόγω της μεγάλης συμβολής της ελαστικής παραμόρφωσης. Με το νανοαντιστοίχηση, οι εσοχές μπορούν να είναι της τάξης των 100 nm και αυτό είναι αρκετά μικρό για να αποφευχθεί η επίδραση των υποστρωμάτων για μεμβράνες πάχους μm, αλλά οι οδοντώσεις δεν μπορούν να μετρηθούν οπτικά όπως συμβαίνει σε έναν συμβατικό ελεγκτή μικροφυάς. Σε ένα nanoindenter η σχέση μεταξύ του φορτίου και της μετατόπισης (βάθους) του indenter καταγράφεται συνεχώς κατά τη διάρκεια ολόκληρου του κύκλου φόρτωσης και εκφόρτωσης. Από αυτές τις καμπύλες φορτίου / εκφόρτωσης δεν μπορεί να επιτευχθεί μόνο η σκληρότητα του φιλμ, αλλά και το ελαστικό (ή Young's) μέτρο, δηλαδή η ικανότητα ενός υλικού να αντέχει σε ελαστική παραμόρφωση. Οι τιμές αυτών των δύο ιδιοτήτων μπορούν να υπολογιστούν χρησιμοποιώντας ένα μοντέλο των Oliver και Pharr.