in-situ röntgendiffraktion zur charakterisierung von mechanischen ...

1.2 Röntgenographische Spannungsmessung an dünnen Filmen
1. Einleitung
Die Messung mechanischer Spannungen in dünnen Metallfilmen lässt sich prinzipiell mittels
zweier etablierter Messverfahren durchführen: einerseits röntgenographisch über die
Messung von Dehnungen des Kristallgitters, andererseits durch Messung der Biegung des
Schicht-Substrat Verbundes.
Der Einsatz beider Verfahren ist in Wissenschaft und Industrie etabliert und beide Verfahren
werden sowohl zur ex-situ (Momentbeschreibung eines stationären Zustandes) als auch zur
in-situ (dynamische Betrachtung von sich ändernden Zuständen) Bestimmung von
Spannungen in dünnen Filmen auf Substraten herangezogen.
Die in der vorliegenden Arbeit durchgeführten Messungen basieren hauptsächlich auf der
Verwendung dieser beiden Messverfahren. Weiters wird eine neue Möglichkeit der
röntgenographischen Substratkrümmungsmessung und eine in-situ Kombination von
Substratkrümmungsmessung und Dehnungsmessung vorgestellt. Eine solche Kombination
bietet die Möglichkeit, die Stärken beider Messprinzipien auszuschöpfen.
Allgemeine Anwendung bei den röntgenographischen Untersuchungsmethoden zur
Spannungsbestimmung in dünnen, kristallinen Filmen findet die sin 2 ψ-Technik [12]. Dabei
werden bei unterschiedlichen Verkippungswinkeln der Probe zur Oberflächennormalen die
Netzebenenabstände im Kristallgitter gemessen, und so die Dehnung des Kristallgitters
bestimmt. Diese Untersuchungsmethode ist jedoch einigen Beschränkungen bezüglich der
Orientierungsverteilung der Kristallite in der Schicht unterworfen (vgl. Kapitel 2.2.4). Nichts
desto trotz kann unter Berücksichtigung dieser Orientierungsverteilung auch für Schichten
mit Textur (bestimmte Vorzugsorientierung der Kristallite in der Schicht) oder einkristalline
Schichten die röntgenographische Ermittlung von mechanischen Spannungen erfolgen [13].
1.2.1 Ideal polykristalline Schichten
Die Bestimmung mechanischer Spannungen mittels Diffraktion unter Verwendung der
sin 2 ψ Methode ist prinzipiell auf ideal polykristalline Schichten ausgelegt. Durch eine
regellose Anordnung der Kristallite ist die Dehnungsmessung mit Hilfe einer beliebigen
Netzebenenschar in jedem Verkippungswinkel gegeben [14]. Weiters kann eine Berechnung
der Spannung aus der gemessenen Dehnung über die isotropen Materialparameter
Elastizitätsmodul E und Querkontraktionszahl ν erfolgen. Dies ist möglich, da eine regellose
Kristallitanordnung ein global, isotropes, elastisches Materialverhalten zur Folge hat. Die
Bestimmung der Textur einer polykristallinen Schicht erfolgt in der Regel über
Polfigurmessungen (Messung der Orientierungsverteilung der Kristallite in einem Gefüge)
vor der Dehnungsmessung.
Im Allgemeinen zeigen dünne Metallschichten keine Gleichverteilung der
kristallographischen Orientierungen der Kristallite sondern gewisse Vorzugsorientierungen.
Dieser Sachverhalt muss bei der Dehnungsmessung bzw. Berechnung der Spannungen
berücksichtigt werden.
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