Metodi di analisi del film

Microscopia elettronica a scansione

La microscopia elettronica a scansione (SEM) è una tecnica in cui gli elettroni di un cannone elettronico vengono accelerati da un'alta tensione (5 - 50 kV) verso la superficie del campione dove provocano l'emissione di elettroni secondari e la dispersione di elettroni dalla superficie del campione. Questi elettroni primari possono anche essere retrodiffusi dalla superficie. Gli elettroni secondari vengono raccolti da un rilevatore e convertiti in un segnale elettrico che può essere visualizzato su un monitor o essere informatizzato. Il fascio di elettroni viene focalizzato su un piccolo punto e scansionato sul campione in modo da poter registrare un'immagine della geometria della superficie. La risoluzione di una riproduzione SEM non dipende solo dallo strumento, ma dipende anche dal materiale campione. Il limite è determinato dalla capacità di messa a fuoco del fascio e dalla dispersione dei processi nella superficie del campione. I valori tipici di questo limite sono 10 - 20 Å, il che implica che non è possibile rilevare caratteristiche più piccole di quelle. Il contrasto dell'immagine può derivare da diversi fenomeni diversi di cui uno è il contrasto topografico, il che significa che è più probabile rilevare elettroni sparsi da superfici campione vicino al rivelatore che da superfici più distanti. Questo tipo di contrasto offre immagini facili da interpretare. La preparazione del campione non è complicata, i campioni devono essere puliti e preferibilmente elettrici e non magnetici. Le superfici isolanti causano problemi con le cariche sature. Ciò richiede una minore tensione di accelerazione per il fascio (con conseguente sensibilità inferiore) o un rivestimento ausiliario della superficie mediante un film conduttivo sottile, ad esempio un film d'oro. Per l'analisi di film sottili, il SEM è uno strumento adatto per la morfologia di imaging delle superfici del film e della microstruttura delle sezioni trasversali del film.

Spettroscopia elettronica per analisi chimiche

La spettroscopia elettronica per analisi chimiche (ESCA), nota anche come spettroscopia fotoelettronica a raggi X (XPS), è uno strumento sensibile alla superficie per l'analisi degli elementi in cui il campione viene irradiato da fotoni monocromatici a raggi X. I fotoni causano l'emissione di elettroni con energia cinetica caratteristica a seconda dei diversi elementi presenti nella superficie del campione. La rilevazione di queste energie può fornire un'analisi qualitativa e quantitativa degli elementi del campione. Anche lo stato chimico degli atomi del campione può essere determinato attraverso lo spostamento chimico, cioè il cambiamento nell'energia di legame di un elettrone quando l'atomo è legato a un altro atomo. Con lo sputtering e l'analisi, è possibile ottenere profili di profondità della composizione del campione.

Diffrazione di raggi X

La diffrazione ai raggi X (XRD) è una tecnica di analisi dei materiali versatile per materiali cristallini. Alcuni esempi di ciò che XRD può essere utilizzato sono: determinazione delle costanti del reticolo, identificazione di sostanze sconosciute, analisi di fase e misure di granulometria e stress intrinseco.

L'idea alla base della diffrazione dei raggi X è che un cristallo, con la sua struttura ripetitiva regolare, diffratterà la radiazione elettromagnetica con una lunghezza d'onda della stessa dimensione della distanza interatomica del cristallo, proprio come un reticolo ottico diffranerà la luce visibile. Un modo per comprendere la diffrazione dei raggi X è considerare i piani atomici nel cristallo come una pila di specchi semitrasparenti. La diffrazione può ora essere trattata come riflessioni nei piani atomici in cui ogni piano riflette una parte della radiazione in modo che ci siano diverse riflessioni. Queste riflessioni interferiranno in modo costruttivo quando sono in fase, ovvero la differenza nella lunghezza del percorso equivale a un multiplo intero di una lunghezza d'onda. Ciò si verifica solo quando l'angolo di incidenza soddisfa la legge di Bragg: 2 d sin θ = nλ , dove d è la distanza tra due piani atomici adiacenti, θ è l'angolo di Bragg, n è un numero intero e λ è la lunghezza d'onda dei raggi x. Per tutti gli altri angoli ci sarà un'interferenza distruttiva e nessuna riflessione.

Poiché vi sono diversi gruppi di piani atomici con spaziatura diversa in una sostanza cristallina, vi saranno forti riflessioni in più direzioni per un campione policristallino. Ogni riflessione forte ha due proprietà, angolo di diffrazione e intensità, e questi dati possono essere confrontati con database e una sostanza sconosciuta e la sua struttura cristallina può essere determinata.

Nel caso di film molto sottili l'intensità dei riflessi del film può essere così debole da farli annegare nella radiazione di fondo, ad esempio dal substrato. Questo problema può essere evitato usando un metodo di incidenza radente, GI-XRD, il che significa che i raggi X di incidenza hanno un angolo molto piccolo rispetto alla superficie e questo aumenta l'intensità in modo che la tecnica diventi più sensibile alla superficie.

Mediante l'uso di uno specchio Goebel si ottengono radiografie dell'incidenza parallele che danno maggiore intensità e semplificano il GI-XRD. Per un normale XRD questo consente anche di analizzare campioni non piatti.

Il profilometro dello stilo

Un profilometro a stilo viene utilizzato per misurare la ruvidità della superficie e lo spessore del film. Il principio è quello di spostare uno stilo con un carico molto piccolo sulla superficie e registrare acusticamente la posizione verticale dello stilo come funzione della posizione orizzontale.

Per ottenere una misura affidabile dello spessore di un film sottile ci deve essere un passaggio ben distinto dalla superficie del substrato originale al film. Altrimenti il ​​passo non può essere distinto dalla rugosità della superficie se questo è troppo alto. Tale passaggio può essere ottenuto mascherando un'area prima della deposizione o dopo l'incisione. Per un buon profilometro, un valore tipico della risoluzione verticale è 5 Å, ma ciò può limitare la possibilità di misurare ampie variazioni verticali. I tipici spessori massimi misurabili del film sono circa 15 μm per i profilometri commerciali.

Analisi delle proprietà meccaniche dei film sottili

Tra le diverse proprietà meccaniche dei film sottili, la durezza è una delle più importanti. La durezza non è tuttavia una proprietà che può essere determinata in modo inequivocabile, specialmente per i film sottili. Innanzitutto il valore della durezza dipende dalla tecnica di misurazione. Tutte le tecniche comprendono un penetratore di un materiale duro (ad es. Diamante) che viene premuto nel materiale sottoposto a prova da un carico fisso. Il valore di durezza viene quindi calcolato dal carico e dall'area (reale o prevista) o dalla profondità del rientro. Il penetratore può avere forme diverse (ad esempio piramidi) e diversi intervalli di carico che danno risultati che non possono essere confrontati direttamente. Per i film sottili l'influenza dei substrati complica le misure di durezza e per ridurre questa influenza vengono utilizzate tecniche di misurazione della microdurezza, in cui vengono utilizzati carichi molto piccoli (0,01 - 10 N). Due delle più comuni tecniche di microdurezza sono micro Vickers e Knoop. Entrambe le tecniche utilizzano indentatori piramidali, ma Knoop utilizza una piramide allungata che produce indentazioni meno profonde rispetto al penetratore Vickers. Nonostante i piccoli carichi, le misurazioni di microdurezza conferiscono ai film sottili la durezza del film e del substrato del sistema. Per determinare la durezza del film, solo esso può essere calcolato dalla durezza del substrato rivestito e dalla durezza del substrato non rivestito utilizzando un modello, ad esempio il modello Jönsson-Hogmark, oppure essere ottenuto con una tecnica di nanoindentazione. In tali tecniche vengono utilizzati carichi estremamente piccoli (pochi mN) in modo che le dimensioni delle rientranze diventino molto piccole a causa del grande contributo della deformazione elastica. Con la nanoindentazione le rientranze possono essere nell'ordine di 100 nm e questo è abbastanza piccolo da evitare l'influenza dei substrati per pellicole spesse μm, ma le rientranze non possono essere misurate otticamente come in un tester di microdurezza convenzionale. In un nanoindenter la relazione tra il carico e lo spostamento (profondità) del penetratore viene registrata continuamente durante l'intero ciclo di carico e scarico. Da queste curve di carico / scarico è possibile ottenere non solo la durezza del film, ma anche il modulo elastico (o Young), ossia la capacità di un materiale di resistere alla deformazione elastica. I valori di queste due proprietà possono essere calcolati utilizzando un modello di Oliver e Pharr.