Heutzutage ist das tiefgehende Verständnis der Struktur und Zusammensetzung von Dünnschichten und Nanomaterialien im Allgemeinen für das Prozess-Engineering von entscheidender Bedeutung, wodurch die Tiefenprofilierung zu einer Schlüsselmethode für die Qualitätskontrolle und Produktentwicklung geworden ist. In diesem Artikel werden Tiefenprofilierungstechniken erörtert, die die elementare Zusammensetzung von Proben als Funktion der Tiefe liefern. Für die quantitative oder semiquantitative Tiefenprofilanalyse können verschiedene Techniken eingesetzt werden. Um die geeignete Methode auszuwählen, die alle erforderlichen Informationen liefert, ist es wichtig, die Unterschiede zwischen diesen Techniken zu kennen.
Faktoren für die Methodenauswahl
Die folgenden Parameter sollten bei der Wahl einer Tiefenprofilierungsmethode berücksichtigt werden:
Elemente von Interesse und ihre Menge – Die Techniken weisen unterschiedliche Empfindlichkeiten oder Nachweisgrenzen auf. So kann beispielsweise nicht jede Technik alle Elemente messen, wie etwa H.
Eindringtiefe – Dies ist besonders wichtig bei der Messung von Dünnschichten, Oberflächen oder Grenzflächen. Wenn sehr dünne Schichten differenziert werden müssen, ist eine geringe Eindringtiefe zu berücksichtigen, um tiefenlokal begrenzte Informationen zu erhalten.
Zu analysierende Fläche – Ob ein kleines Muster oder ein vollständiger Wafer gemessen werden soll, die Analysefläche ist entscheidend für die Auswahl der geeigneten Messtechnik.
Profiltiefe – Die maximale Tiefe, bis zu der die Methode ein Profil erstellen kann, ist von Bedeutung, wenn das Profil für mehr als 1 µm gemessen werden muss.
Tabelle 1: Die gängigsten Tiefenprofilierungstechniken und ihre Parameter
Methode | Nachweisgrenze | Eindringtiefe | Analysebereich Durchmesser | Max. Profilierungstiefe | Quantifizierung | Erhaltene Informationen |
RBS | 0,1 at.% ppm für Schwermetalle | 5 - 15 nm | > 1 mm | 1 µm | Quantitativ | Elementzusammensetzung (alle Elemente außer H und He) |
ToF-ERDA | 0,1 - 0,5 at.% (ppm für H) | 2 - 10 nm | > 1 mm | 500 nm – 1 µm | Quantitativ | Elementzusammensetzung (alle Elemente + verschiedene Isotope des Wasserstoffs) |
XPS | 0,1–1 At.-% | 3 - 10 nm | 10 µm - 600 µm | 1 µm | Semiquantitativ | Elementzusammensetzung und chemische Bindungen (Elemente Li – U) |
AES | 0,1–1 At.-% | 3 - 10 nm | 10 nm - 1 µm | 1 µm | Semiquantitativ | Elementare Zusammensetzung |
SIMS | ppm – ppb | 3 - 10 nm | 0,5 µm – 1 mm | 10 µm | Quantitativ mit Standards | Elementzusammensetzung (alle Elemente) |
ToF-SIMS | ppm – ppb | sub-nm | 50 nm – 1 mm | 500 nm | Qualitativ | Elementzusammensetzung (alle Elemente) Molekulare Zusammensetzung |
GD-OES | 1-100 ppm | 3 nm | 2-10 mm | 150 µm | Quantitativ | Elementare Zusammensetzung |
LA-ICP-MS | ppm - 100 ppb | > 10 nm | 10 - 100 µm | 2 µm | Quantitativ | Elementare Zusammensetzung (Außer für H, He, C, N, O und F) |
Tiefenprofilierung mit RBS und ToF-ERDA
Die Rutherford-Rückstreuspektrometrie (RBS) und Flugzeit-elastische Rückstreuanalyse (ToF-ERDA) sind verwandte Methoden, die häufig mit demselben Gerät zusammen mit PIXE durchgeführt werden. Bei der Analyse werden Ionen auf die Probe gerichtet. Die RBS misst die Energie und die Anzahl der rückgestreuten Ionen nach deren Kollision mit oberflächennahen Atomen. Die ToF-ERDA-Analyse wird mit schwereren Ionen unter streifendem Einfall durchgeführt, wobei die Atomkerne in Vorwärtsrichtung zurückgestoßen und anschließend nach Energie und Masse getrennt detektiert werden.
Während RBS eine bessere Empfindlichkeit für schwere Elemente bietet, ist es schwierig, Elemente mit ähnlicher Masse zu unterscheiden. Aus diesem Grund wird PIXE häufig mit RBS-Messungen kombiniert. ToF-ERDA bietet die zusätzliche Möglichkeit, alle Elemente zu messen, einschließlich He und H sowie H-Isotope. Es ist zu beachten, dass ToF-ERDA nur für flache Proben mit vernachlässigbarer Rauheit geeignet ist. Beide Techniken ermöglichen eine tiefenaufgelöste und quantitative Profilierung von Spurenelementen.
Tiefenprofilierung mit XPS und AES
Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) und Auger-Elektronenspektroskopie (AES) sind ähnliche Verfahren zur semiquantitativen Tiefenprofilierung. Beide Techniken messen die Energie von Elektronen, die die Probe verlassen, nachdem diese entweder mit Elektronen (AES) oder Röntgenstrahlen (XPS) bestrahlt wurde. Die emittierte Elektronenenergie ist charakteristisch für die Atome der Probe, aus denen die Elektronen stammen.
XPS und AES liefern eine semiquantitative elementare Zusammensetzung der Probe in Abhängigkeit von der Tiefe. Die Stärke von XPS liegt darin, dass es auch Informationen über die chemische Bindung der Atome in Abhängigkeit von der Tiefe liefern kann, wodurch es beispielsweise verschiedene Oxide oder Legierungen desselben Elements unterscheiden kann. AES ist sehr nützlich für die Analyse kleiner Strukturen, jedoch muss die Probe leitfähig sein.
Tiefenprofilierung mit SIMS und ToF-SIMS
Dynamische Sekundärionen-Massenspektrometrie (SIMS oder D-SIMS) und Flugzeit-Sekundärionen-Massenspektrometrie (ToF-SIMS) sind hochempfindliche Tiefenprofilierungsmethoden für Dünnschichten, die beide auf der Massenanalyse sekundär emittierter Ionenstrahlen basieren. SIMS verwendet einen kontinuierlichen Ionenstrahl zur Bombardierung der Probe, wodurch Analyse und Ätzung gleichzeitig erfolgen. ToF-SIMS verwendet ein Doppelstrahlsystem mit einem gepulsten Ionenstrahl zur Analyse der sub-nm-Oberfläche sowie einen zweiten Strahl zur Tiefenprofilierung. Der Flugzeitanalysator ermöglicht neben der Elementzusammensetzung auch die Erfassung molekularer Informationen.
SIMS wird insbesondere für die Analyse von Dotierstoffen und Verunreinigungen eingesetzt. Bei Kalibrierung mit Standards handelt es sich um eine quantitative Messmethode. ToF-SIMS liefert qualitative Messungen mit molekularen Informationen. Beide Techniken sind sehr empfindlich für die Spurenelementanalyse.
Tiefenprofilierung mit GD-OES oder LA-ICP-MS
Glow Discharge Optical Electron Spectroscopy (GD-OES) und Laser Ablation Inductively Coupled Plasma Mass Spectrometry (LA-ICP-MS) sind beide quantitative Methoden zur Elementaranalyse. LA-ICP-MS verwendet einen gepulsten Laser, um ein heterogenes Gemisch aus Partikeln, Clustern und Aggregaten aus der Probe freizusetzen. Das resultierende Gemisch wird mittels eines Gasflusses zum ICP-MS transportiert, wo es durch das Plasma ionisiert und anschließend durch Massenspektroskopie gemessen wird. LA-ICP-MS ist eine geeignete Lösung für die quantitative und empfindliche Elementaranalyse.
Bei der GD-OES-Technik wird eine Entladung zwischen der Probe und einer Anode erzeugt, auf der die Probe positioniert ist. Plasmaionen werden zur Oberfläche der Probe hin beschleunigt und lösen dabei das Sputtern aus. Die aus der Probe herausgelösten Atome werden durch das Plasma angeregt und emittieren Photonen mit charakteristischen Wellenlängen, was eine Elementaranalyse ermöglicht. GD-OES ist sehr schnell und erfordert keine Vakuumatmosphäre. Neuere Geräte verfügen zudem über eine Funktion zur differenziellen Interferometrie-Profilierung, die während des Sputterns eine sehr präzise Schichtdickenmessung mit Nanometer-Auflösung ermöglicht – ein wesentlicher Vorteil bei Dünnschichten.
Sie sind noch unsicher, welche Methode Sie wählen sollen?
Neben den oben beschriebenen Methoden können auch andere Analysetechniken, wie z. B. REM-EDX, für die Tiefenprofilierung eingesetzt werden. Measurlabs bietet Analyseservices mit all diesen und weiteren Techniken an. Technische Parameter und Richtpreise gängiger Messungen finden Sie unter folgenden Links:
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