1 Realstruktur und Gefüge dünner Schichten Phasenzusammensetzung (Phasenanalyse) Mechanische...
-
Upload
antje-egli -
Category
Documents
-
view
104 -
download
1
Transcript of 1 Realstruktur und Gefüge dünner Schichten Phasenzusammensetzung (Phasenanalyse) Mechanische...
1
Realstruktur und Gefüge dünner Schichten
Phasenzusammensetzung (Phasenanalyse) Mechanische Belastung (Eigenspannungsanalyse) Änderung der chemischen Zusammensetzung,
Punktdefekte (Bestimmung der spannungsfreien Gitterparameter)
Kristallanisotropie und makroskopische Anisotropie (Analyse der Kristallanisotropie)
Vorzugsorientierung der Kristallite (Texturanalyse) Einfluss der Korngrenzen und Sunkorngrenzen auf die
physikalischen Eigenschaften der Schichten (Bestimmung der Kristallitgröße und der lokalen Gitterverzerrung – Mikrospannung)
2
PhasenanalyseChemische Zusammensetzung: GDOES, ESMA mit EDX und/oder WDX, XPS, …
Beugungslinien: Position, Intensität, Breite, Form
Datenbank: z.B. PDF von ICDD
Phasenzusammensetzung:
WC + TaC … Substrat
TiN … Schicht (Probe 1)
AlN + TiN … Schicht (Probe 2)
3
Phasenanalyse an nanokristallinen Schichten
Änderung der Intensität Vorzugsorientierung Dicke der Schicht
Änderung der Position Chemische
Zusammensetzung Eigenspannung 1.Art Strukturdefekte
Beispiel: TiAlN Schicht auf WC Substrat, GAXRD bei = 3°
Mögliche Phasen: TiN (Fm3m), Ti1-xAlxN (Fm3m), AlN (P63mc, Fm3m)
Profilanalyse Position Intensität Breite Form
4
Profilanalyse
Anpassung der Beugungsprofile mittels analytischer Funktionen
1sinsin
11sinsin
exp
1sinsin1
1sinsin1
sinsinexp
22
2
2
0
2
0
2
2
0
B
B
m
B
B
B
w
Cw
GI
w
II
w
II
wII
Gauss …
Cauchy …
Pearson VII …
Pseudo-Voigt …
5
Phasenanalyse an dünnen Schichten
Eigenspannungsanalyse und Bestimmung der spannungsfreien
Gitterparameter
Bestimmung der Phasenzusammensetzung
Texturanalyse
Profilanalyse
6
Realstruktur und Gefüge von dünnen Schichten
Eigenspannung 2. Art(Mikrospannung)
F F
~ F a>a0
a<a0
a=a0
Eigenspannung 1. Artmechanische Belastung
Spannungsfreier Gitterparameter
chemische Zusammensetzung, Punktdefekte im Kristallgitter
Kristallitgröße
d
de
Textur
7
Eigenspannungsanalyse
2sinsincos
cossinsin2sincos
2313
233
222212
211
0
0
d
dd
Elastische Kristallgitterverzerrung
x
y
z
11
13
12
22
21
23
31 32
33
2sinsincos11
sinsin2sincos1
231333221133
233
22212
211
0
0
EEE
Ed
dd
E
E
E
EEE
EEE
EEE
SS
1200000
012
0000
0012
000
0001
0001
0001
;0000
Zusammenhang zwischen der elastischen Kristallgitterverzerrung und der Eigenspannung
!!! Für isotrope Materialien !!!
8
Eigenspannungsanalyse
sin2
0 1
||
0
2
ns
Zweiachsige Eigenspannung in dünnen Schichten
22212
211
22112
0
0
332313
sin2sincos
sin1
0
EEd
dd
Zylindrisch symmetrische Eigenspannung
EEd
dd 2sin
1
0;
2
0
0
122211
d0 = ??? Datenbank (?)
Problem: Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Dichte der Punktdefekte auf den (die) Gitterparameter
9
Eigenspannungsanalyse
sin2
0 1
a
a
a ||
a0
2
ns
12sin1 2
0 E
aa
a0 (d0) und können bestimmt werden, wenn und E bekannt sind
12sin1
2sin
1
20
2
0
0
Edd
EEd
dd
Kubische dünne Schichten
Spannungsfreier Netzebenenabstand
Messung an einer Familie der Netzebenen
Messung an verschiedenen Netzebenen
2/-Scan
GAXRD
10
Eigenspannungsanalyse
22212
211
2313
33221133
233
0
0
3
sin2sincos
2sinsincos1
1
sin1
:0
E
EE
Ed
ddi
Scherspannungen
Abweichung von der linearen Abhängigkeit a vs. sin2
Beispiel: CVD TiN Schicht, GAXRD bei =3°
11
Eigenspannungsanalyse
nHKL
hkl
12
123
23
22
22
21442
1121144
121
23
23
22
22
21442
1121111
4
2
SSSSG
SSSSE
hk
hk
Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der kristallographischen Richtung
2
0
2
0
dg
dghk
hk
Beispiel: PVD UN Schicht, GAXRD bei =3°
2
cossinsin
coscoscos
i
iii
12
Eigenspannungsanalyse
coscossinsinsinsin
sin2
0
2
0
max||
dg
dg
hk
2
0
2
0
2 22sin1
dg
dgEGG hkhkhkhk
12
123
23
22
22
21442
1121144
121
23
23
22
22
21442
1121111
4
2
SSSSG
SSSSE
hk
hk
g() … beschreibt die Orientierungsverteilung der Kristallite (Textur)
Anisotropie der Gitterverzerrung
Beispiel: PVD UN Schicht, GAXRD bei =3°
13
Einfluss der Textur auf die Anisotropie der Kristallgitterverzerrung
Ti1-xAlxN
PVD
GAXRD
= 3°
14
Texturanalyse mit EBSD
Orientierung der Kristallite in rekristallisiertem Messing
Vollständige Beschreibung der Vorzugsorientierung der Kristallite (statistisch
und ortsaufgelöst) und der Kristallitgröße
Probleme: Auflösungsgrenze ~ 0.1 µm und kleine Eindringtiefe der Elektronen
15
Texturanalyse mit Röntgenstrahlung
Symmetrische 2/-Messung
Bestimmung der Texturrichtung und Abschätzung des Texturgrades mittels Harris-Texturindexes
Voraussetzung: zylindrisch symmetrische Fasertextur
ii
ii
iihklhkl
N
i
hklhkl
hklhkl
i II
IIN
IIT randomcalc
1calcmeas
calcmeas ;1
23
1
22
122sin
cos1
GGGGP hk
hkhk
2122 exp1 hkhk GGGP Gauss:
March-Dollas:PVD Ti1-xAlxN Schichten, GAXRD bei = 3°
16
Texturanalyse mit Röntgenstrahlung
-30 -20 -10 0 10 20 30
0
10
20
30
40
50
(220) (311)
Inte
gra
l int
ensi
ty (
a.u
.)
Sample inclination (deg)
-Verfahren
Bestimmung der Breite der Gauss-Verteilung der Kristallite um die Vorzugsrichtung
2 = konstant
2122 exp1 GGGI
Gauss
qz
qx
qy
-Scan
17
Texturanalyse mit Röntgenstrahlung
111
222
333
220
311
331
422
420
5-11
511
2/-Verfahren – q-Scan (reciprocal space mapping)
Textur + Eigenspannungsanalyse
PVD UN, GAXRD bei = 3°
Messung bei qy = 0
2/-Scan
18
Texturanalyse mit Röntgenstrahlung
-0.5 0 0.5
-0.5
0
0.5
-0.5 0 0.5
-0.5
0
0.5
-0.5 0 0.5
-0.5
0
0.5
-0.5 0 0.5
-0.5
0
0.5
-0.5 0 0.5
-0.5
0
0.5
-0.5 0 0.5
-0.5
0
0.5
Polfiguren von PVD Ti1-xAlxN Schichten
111 200 220
111
010 100
001
110
101
011
010100
001
110
101 011
111
010
100
001
110
101
011
/-Scan
Keine Fasertextur
19
Analyse der Linienverbreiterung
-0.9 -0.6 -0.3 0.0 0.3 0.6 0.9
0
20
40
60
80
100
Inte
nsity
(a.
u.)
Diffraction angle ( B)
0 10 20 300
5
10
15
20
Fo
uri
er
coe
ffici
en
t (A
n)
Number of the Fourier coefficient
-1.5 -1.0 -0.5 0.0 0.5 1.0 1.5
0
100
200
300
400
Inte
nsity
(a.
u.)
Diffraction angle ( B)
0 10 20 30 40
0
5
10
15
20
25
30
35
Fo
uri
er
coe
ffici
en
t (A
n)
Number of the Fourier coefficient
Warren-Averbach-Methode
22
222
ln
2exp
nX
m
nA
XhAA
n
sn
nsnn
Fourier Koeffizienten:
Kleines n:
Kleine Gitterverzerrung:
Wichtig: Qualität der Messdaten. Notwendig: Entfaltung der gemessenen Profile
Kristallitgröße Mikrospannung
20
Analyse der Linienverbreiterung
… in nanokristallinen dünnen Schichten Schwache Beugungslinien im 2/-Scan Probleme mit der Qualität der Daten
GAXRD Netzebenen mit unterschiedlichen (hkℓ) haben unterschiedliche makroskopische Richtung
Breite Linien, niedrige Intensität Bestimmung der Linienform ist nicht zuverlässig
Williamson-Hall
Scherrer Formel
21
Analyse der Linienverbreiterung
Williamson-Hall-Abhängigkeit nn
n e
D
sin41
0.0 0.2 0.4 0.6 0.8 1.0
5
10
15
20
25
30
Lin
e b
roa
de
nin
g (
10-3
Å-1)
sin 1/D
e
Kristallitgröße Mikrospannung
PVD UN Schicht, GAXRD bei =3°
D < 0
Cauchy: n = 1Gauss: n = 2
PVD TiAlN Schichten, GAXRD bei =3°
22
Analyse der LinienverbreiterungEinfluss der Kristallitform auf die Orientierungsabhängigkeit der Linienverbreiterung
Kugelförmige Kristallite – gleicher Durchmesser in allen
makroskopischen Richtungen
Kristallitgröße = (Anzahl der kohärenten Atome entlang q) (Netzebenenabstand entlang q)
Stängelförmige Kristallite – die Kristallitgröße hängt stark von der makroskopischen Richtung
ab.
Wenn zusätzlich eine Fasertextur vorhanden ist:
cos,
sinmin zx DD
D
23
Analyse der realen Struktur
Realstrukturparameter Kleine Kristallitgröße Große Makrospannung Fast keine Textur Oft große Mikrospannung
… in nanokristallinen dünnen Schichten
a = 4.190 Å, = -6 GPa
D = 10 nm, e = 11.3×10-3
24
Kristallgitterdefekte in nanokristallinen Schichten
Was ist die Ursache für große Mikrospannungen in nanokristallinen Schichten?
„Kohärenz“ der Atome in Nachbardomänen oder in Nachbarkristalliten ?Schematische Darstellung einer Disklination
25
Anwendung der Röntgenbeugung in Dünnschichtanalytik (Zusammenfassung)
Phasenanalyse (Röntgenbeugung + Information über chemische Zusammensetzung)
Eigenspannungsanalyse (Röntgenbeugung + mechanische Methoden)
Bestimmung der Gitterparameter (Röntgenbeugung + HRTEM)
Analyse der Kristallanisotropie (Röntgenbeugung) Texturanalyse (Röntgenbeugung + Analyse der
Kikuchi Linien) Bestimmung der Kristallitgröße und der
Mikrospannung (REM + TEM + Röntgenbeugung)
26
Zum Nachlesen
A. Taylor: X-ray Metallography, John Wiley & Sons Inc., New York, London 1961.
B.E. Warren: X-ray Diffraction, Addison-Wesley, Reading, Mass., 1969.
I.C. Noyan and J.B. Cohen: Residual Stress, Springer-Verlag, New York, 1987.
M.A. Krivoglaz: X-ray and Neutron Diffraction in Non-ideal Crystals, Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, 1996.
27
Zum Nachlesen A. Reuss, Z. angew. Math. Mech. 9 (1929) 49. B.E. Warren and B.L. Averbach, J. Appl. Phys. 21 (1950) 595. B.E. Warren and B.L. Averbach, J. Appl. Phys. 23 (1952) 497. E. Kröner, Z. Physik, 151 (1958) 504. R.W. Vook and F. Witt, J. Appl. Phys. 36 (1965) 2169. D.E. Geist, A.J. Perry, J.R. Treglio, V. Valvoda, D. Rafaja: Residual
stress in ion implanted titanium nitride studied by parallel beam glancing incidence X-ray diffraction in Advances in X-ray Analysis Vol. 38 (Eds.: P. Predecki et al.), Plenum Press, New York, 1995.
D. Rafaja, V. Valvoda, R. Kužel, A.J. Perry and J.R.Treglio, Surf. Coat. Technology 86-87 (1996) 302.
D. Rafaja: X-ray Diffraction and X-Ray Reflectivity Applied to Investigation of Thin Films in Advances in Solid State Physics Vol. 41 (Ed.: B. Kramer), Springer-Verlag, Berlin, Heidelberg, New York, 2001.
T. Ostapchuk, J. Petzelt, V. Železný, A. Pashkin, J. Pokorný, I. Drbohlav, R. Kužel, D. Rafaja, B.P. Gorshunov, M. Dressel, Ch. Ohly, S. Hoffmann-Eifert and R. Waser, Phys. Rev. B 66 (2002) 235406.
D. Rafaja, J. Kub, D. Šimek, J. Lindner and J. Petzelt, Thin Solid Films 422 (2002) 8.