フィルム分析の方法

- Jan 08, 2018-

電子顕微鏡で観る


走査型電子顕微鏡(SEM)は、電子銃からの電子が試料表面に向かって高電圧(5〜50kV)で加速され、二次電子の放出および試料表面からの電子の散乱を引き起こす技術である。 これらの一次電子はまた、表面から後方散乱され得る。 二次電子は、検出器によって収集され、モニタ上に表示されるかまたはコンピュータ化され得る電気信号に変換される。 電子ビームは小さなスポットに集束され、試料の上を走査され、表面形状の画像を記録することができる。 SEM再生の分解能は、機器に依存するだけでなく、試料の材料にも依存する。 限界は、ビームがどれほど良好に集束することができるか、試料表面のプロセスを散乱させることによって設定される。 この限界の典型的な値は10-20オングストロームであり、それよりも小さい特徴は検出できないことを意味する。 画像コントラストは、遠方の表面よりも検出器の近くの試料表面から散乱した電子を検出する可能性がより高いことを意味する幾何学的なコントラストであるいくつかの異なる現象から生じ得る。 この種のコントラストは、解釈が容易な画像を与える。 試料調製は単純ではなく、試料は清浄で、好ましくは導電性および非磁性でなければならない。 絶縁表面は飽和電荷に問題を引き起こす。 これは、ビームの加速電圧を低くする(結果的に感度を下げる)か、あるいは表面の補助コーティングを薄い導電性膜、例えば金膜で行う必要があります。 薄膜分析のために、SEMは、フィルム表面の形態学およびフィルム断面の微細構造のイメージングに適したツールである。


化学分析のための電子分光法


X線光電子分光法(XPS)としても知られている化学分析用電子分光法(ESCA)は、試料に単色X線光子を照射する元素分析のための表面に敏感なツールです。 光子は、試料表面に存在する様々な元素に依存する特徴的な運動エネルギーを有する電子の放出を引き起こす。 これらのエネルギーの検出は、サンプル中の元素の定性的分析および定量的分析を与えることができる。 また、試料原子の化学状態は、化学シフト、すなわち、原子が別の原子に結合しているときの電子の結合エネルギーの変化によって決定することができる。 ターンアラウンドによるスパッタリングおよび分析により、サンプル組成物のプロファイルを得ることができる。


X線回折


X線回折(XRD)は、結晶材料の汎用材料分析技術です。 XRDが使用できるもののいくつかの例は、格子定数の決定、未知物質の同定、相分析、結晶粒径および固有応力の測定です。


X線回折の背後にある考え方は、その規則的な繰り返し構造を有する結晶は、光学格子が可視光を回折するように、結晶の原子間距離と同じ大きさの波長を有する電磁放射線を回折することである。 X線回折を理解する一つの方法は、結晶中の原子面を半透明鏡のスタックとみなすことである。 回折は原子平面内の反射のように扱うことができ、原子平面のすべての平面が放射線の一部を反射し、いくつかの反射が存在するようになります。 これらの反射は、位相が合っているときに建設的に干渉します。つまり、パス長の差は波長の整数倍になります。 これは、入射角がブラッグの法則を満たすときにのみ生じる。2dsinθ = ここで、 dは隣接する2つの原子平面間の距離であり、 θはブラッグ角であり、 nは整数であり、 λはX線波長である。 他の全ての角度に対しては、破壊的な干渉があり反射はない。


結晶質物質中に異なる間隔を有するいくつかの原子面セットが存在するので、多結晶サンプルの場合、いくつかの方向に強い反射が生じる。 強い反射には、回折角と強度という2つの特性があり、このデータをデータベースや未知の物質と比較し、その結晶構造を決定することができます。


非常に薄いフィルムの場合、フィルムからの反射の強度は非常に弱く、バックグラウンド放射線、例えば基材から溺れるであろう。 この問題は、斜入射法GI-XRDを使用することによって回避することができる.GI-XRDは、入射X線が表面に対して非常に小さな角度を有することを意味し、これにより強度が増加し、技術はより表面に敏感になる。


Goebelミラーを使用することにより、より高い強度を与え、GI-XRDを単純化する平行入射X線が得られる。 通常のXRDの場合、これはまた非平坦なサンプルを分析することを可能にする。


スタイラスプロフィルメーター


スタイラスプロフィルメーターを用いて、表面粗さおよび膜厚を測定する。 原則は、表面上の非常に小さい負荷を有するスタイラスを移動させ、スタイラスの垂直位置を水平位置の関数として音響的に記録することである。


薄膜の厚さの信頼できる測定値を得るためには、元の基板表面から膜までの全く別個のステップが必要である。 さもなければ、これが高すぎる場合、ステップは表面粗さから区別することができない。 このようなステップは、堆積前の領域をマスキングすることによって、または後でエッチングすることによって得ることができる。 良好なプロフィルメーターの場合、垂直解像度の典型的な値は5オングストロームですが、これは大きな垂直変動を測定する可能性を制限する可能性があります。 典型的な最大測定可能なフィルムの厚さは、市販のプロフィルメーターの場合、約15μmである。


薄膜の機械的性質の解析


薄膜の様々な機械的性質の中で、硬度は最も重要なものの1つである。 しかし硬度は、特に薄いフィルムではなく、明確に決定できる特性ではない。 まず、硬度の値は測定技術に依存します。 全ての技術は、固定された荷重によって被試験材料に押し込まれる硬質材料(例えばダイヤモンド)の圧子を含む。 硬度値は、荷重と面積(実または投影)またはくぼみの深さから計算されます。 圧子は、異なる形状(例えば、ピラミッド)および異なる荷重範囲を有することができ、結果を直接的に比較することはできない。 薄膜の場合、基板の影響は硬度測定を複雑にし、この影響を低減するために、非常に小さな負荷(0.01~10N)が使用される微小硬度測定技術が採用される。 最も一般的なマイクロ硬度技術の2つは、マイクロビッカースとヌープである。 どちらの手法もピラミッド型圧子を使用しますが、Knoopはビッカース圧子よりも浅い圧痕を与える細長いピラミッドを使用します。 小さな負荷にもかかわらず、微小硬度測定値は、薄膜に対して、システムフィルムおよび基板の硬度を与える。 フィルムの硬度のみを決定するためには、コーティングされた基材の硬度とモデル、例えばJönsson-Hogmarkモデルを用いた未コーティング基材の硬度から計算するか、またはナノインデンテーション法によって得ることができる。 このような技術では、非常に小さな荷重(数mN)が使用され、弾性変形の大きな寄与のためにくぼみのサイズが非常に小さくなる。 ナノインデンテーションにより、くぼみは100nm程度であり、これはμmの厚さのフィルムに対する基板の影響を回避するのに十分小さいが、従来のマイクロ硬度試験機のようにくぼみを光学的に測定することはできない。 ナノインデンターでは、圧子の荷重と変位(深さ)との間の関係は、荷重および荷重サイクル全体にわたって連続的に記録される。 これらの荷重/荷重曲線から、フィルムの硬度だけでなく、弾性(またはヤング)弾性率、すなわち弾性変形に耐える材料の能力も得ることができる。 これらの2つのプロパティの値は、OliverとPharrのモデルを使用して計算できます。


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