Realstruktur und Gefüge dünner Schichten

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. Phasenanalyse Chemische 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 • Profilanalyse • Position • Intensität • Breite • Form • Änderung der Position • Chemische Zusammensetzung • Eigenspannung 1.Art • Strukturdefekte • Änderung der Intensität • Vorzugsorientierung • Dicke der Schicht Beispiel: TiAlN Schicht auf WC Substrat, GAXRD bei  = 3° Mögliche Phasen: TiN (Fm3m), Ti1-xAlxN (Fm3m), AlN (P63mc, Fm3m)

4. Profilanalyse • Anpassung der Beugungsprofile mittels analytischer Funktionen Gauss … Cauchy … Pearson VII … Pseudo-Voigt …

5. Phasenanalyse an dünnen Schichten Profilanalyse Eigenspannungsanalyse und Bestimmung der spannungsfreien Gitterparameter Bestimmung der Phasenzusammensetzung Texturanalyse

6. a>a0 a=a0 a<a0 Realstruktur und Gefüge von dünnen Schichten Eigenspannung 1. Art mechanische Belastung Spannungsfreier Gitterparameter chemische Zusammensetzung, Punktdefekte im Kristallgitter  ~ F F F Textur Eigenspannung 2. Art (Mikrospannung) Kristallitgröße

7. z 33 31 32 23 13 22 12 21 11 y x Eigenspannungsanalyse Elastische Kristallgitterverzerrung !!! Für isotrope Materialien !!! Zusammenhang zwischen der elastischen Kristallgitterverzerrung und der Eigenspannung

8. n y s y s  0 || sin2y 1 0 2n/(1+n) Eigenspannungsanalyse Zweiachsige Eigenspannung in dünnen Schichten Zylindrisch symmetrische Eigenspannung d0 = ???  Datenbank (?) Problem: Einfluss der chemischen Zusammensetzung und der Dichte der Punktdefekte auf den (die) Gitterparameter

9. n ay s y s a a0 a || sin2y 1 0 2n/(1+n) Eigenspannungsanalyse Spannungsfreier Netzebenenabstand Messung an einer Familie der Netzebenen 2/-Scan Kubische dünne Schichten Messung an verschiedenen Netzebenen GAXRD a0 (d0) und  können bestimmt werden, wenn  und E bekannt sind

10. Eigenspannungsanalyse Scherspannungen Abweichung von der linearen Abhängigkeit a vs. sin2 Beispiel: CVD TiN Schicht, GAXRD bei =3°

11. HKL n a hkl f y b Eigenspannungsanalyse Abhängigkeit der mechanischen Eigenschaften von der kristallographischen Richtung Beispiel: PVD UN Schicht, GAXRD bei =3°

12. Eigenspannungsanalyse Anisotropie der Gitterverzerrung Beispiel: PVD UN Schicht, GAXRD bei =3° g() … beschreibt die Orientierungsverteilung der Kristallite (Textur)

13. Einfluss der Textur auf die Anisotropie der Kristallgitterverzerrung Ti1-xAlxN PVD GAXRD  = 3°

14. Texturanalyse mit EBSD Vollständige Beschreibung der Vorzugsorientierung der Kristallite (statistisch und ortsaufgelöst) und der Kristallitgröße Probleme: Auflösungsgrenze ~ 0.1 µm und kleine Eindringtiefe der Elektronen Orientierung der Kristallite in rekristallisiertem Messing

15. Texturanalyse mit Röntgenstrahlung Symmetrische 2/-Messung Bestimmung der Texturrichtung und Abschätzung des Texturgrades mittels Harris-Texturindexes Voraussetzung: zylindrisch symmetrische Fasertextur Gauss: March-Dollas: PVD Ti1-xAlxN Schichten, GAXRD bei  = 3°

16. qz qy qx Texturanalyse mit Röntgenstrahlung -Verfahren Bestimmung der Breite der Gauss-Verteilung der Kristallite um die Vorzugsrichtung 2 = konstant -Scan Gauss

17. 333 422 511 222 331 420 5-11 311 220 111 Texturanalyse mit Röntgenstrahlung 2/-Verfahren – q-Scan (reciprocal space mapping) Textur + Eigenspannungsanalyse 2/-Scan PVD UN, GAXRD bei  = 3° Messung bei qy = 0

18. 110 010 100 101 011 001 Texturanalyse mit Röntgenstrahlung 111 200 220 110 010 100 111 101 011 001 /-Scan 110 100 010 011 111 001 101 Keine Fasertextur Polfiguren von PVD Ti1-xAlxN Schichten

19. Analyse der Linienverbreiterung Fourier Koeffizienten: Kleines n: Kleine Gitterverzerrung: Warren-Averbach-Methode Kristallitgröße Mikrospannung Wichtig: Qualität der Messdaten. Notwendig: Entfaltung der gemessenen Profile

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. e 1/D Analyse der Linienverbreiterung Cauchy: n = 1 Gauss: n = 2 Williamson-Hall-Abhängigkeit Kristallitgröße Mikrospannung PVD TiAlN Schichten, GAXRD bei =3° PVD UN Schicht, GAXRD bei =3° D < 0

22. Analyse der Linienverbreiterung Einfluss der Kristallitform auf die Orientierungsabhängigkeit der Linienverbreiterung Kristallitgröße = (Anzahl der kohärenten Atome entlang q)  (Netzebenenabstand entlang q) Kugelförmige Kristallite – gleicher Durchmesser in allen makroskopischen Richtungen Stängelförmige Kristallite – die Kristallitgröße hängt stark von der makroskopischen Richtung ab. Wenn zusätzlich eine Fasertextur vorhanden ist:

23. Analyse der realen Struktur … in nanokristallinen dünnen Schichten a = 4.190 Å,  = -6 GPa D = 10 nm, e = 11.3×10-3 • Realstrukturparameter • Kleine Kristallitgröße • Große Makrospannung • Fast keine Textur • Oft große Mikrospannung

24. Kristallgitterdefekte in nanokristallinen Schichten Was ist die Ursache für große Mikrospannungen in nanokristallinen Schichten? Schematische Darstellung einer Disklination ? „Kohärenz“ der Atome in Nachbardomänen oder in Nachbarkristalliten

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.