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)

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)

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)

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

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

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

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

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

Eigenspannungsanalyse sin2y 1 ay a a || a0 2n/(1+n) n s y 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

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

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

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

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

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

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°

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

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

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

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

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

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

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:

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

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

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)

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.

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.