Abbildung 3.6: Vorgehensweise zur Reinigung und Ätzung der Probenkörper
3.3 Charakterisierung der Beschichtung
Die abgeschiedenen Beschichtungen werden auf ihre chemische Zusammensetzung mittels Röntgenphotoelektronenspektroskopie, Infrarotspektroskopie und RAMAN Spektroskopie untersucht. Die Kristallstruktur kann mittels Röntgendiffraktometrie und die Benetzbarkeit mittels Kontaktwinkelmessung ermittelt werden. Die Rasterelek-tronenspektroskopie mit integrierter energiedispersiver Röntgenspektroskopie dient zur Bestimmung der Topographie und der Verteilung der chemischen Elemente auf der Probe. Die Schichtdicke kann mittels Ellipsometrie bestimmt werden.
3.3.1 Röntgenphotoelektronenspektroskopie
Die Röntgenphotoelektronenspektroskopie (XPS) ermöglicht die Bestimmung der chemischen Zusammensetzung der Oberfläche einer Probe [90, 91]. Hierfür wird die Probe mit charakteristischer Röntgenstrahlung bestrahlt, was ein Herausschlagen der Elektronen aus der inneren Schale der Atome zur Folge hat. Dieser Vorgang wird als Photoeffekt bezeichnet. Die Energie der verwendeten Röntgenstrahlung (h ν) und die Bindungsenergie der Elektronen (EB) haben einen direkten Zusammenhang mit der kinetischen Energie (Ekin) der emittierten Elektronen, siehe Gleichung 3.1.
Ekin=hν−EB (3.1)
36 3 Herangehensweise und Untersuchung der plasmabeschichteten Oberflächen Die Bindungsenergie der Elektronen ist als die Differenz zwischen der Energie des ionisierten Endzustands (EIon) und des Ausgangszustands (EAtom) definiert, siehe Gleichung 3.2.
EB =EIon−EAtom (3.2)
Bei der XPS wird die kinetische Energie der emittierten Photoelektronen gemessen.
Über diese und die Strahlungsenergie kann nach Gleichung 3.1 die Bindungsenergie bestimmt werden. Die Bindungsenergie gibt Aufschluss über den Bindungszustand der Atome und die elementare Zusammensetzung [92].
In der vorliegenden Arbeit wird MgKαals Strahlungsquelle (h ν = 1253,6 eV) verwendet und die XPS Messungen erfolgen unter Ultrahochvakuum (p≤5·10−8mbar).
3.3.2 Rasterelektronenmikroskopie mit integrierter energiedispersiver Röntgenspektroskopie
Bei der Rasterelektronenmikroskopie (REM) wird die Probe mit einem Elektronenstrahl beschossen, wodurch Sekundärelektronen aus der Probe treten [90]. Diese werden mithilfe eines Detektors registriert und in eine Spannung umgewandelt. Die Spannung wird anschließend an eine Kathodenstrahlröhre weiter geleitet und bewirkt dort eine Veränderung der Lichtintensität auf dem Bildschirm.
Je höher die Probe ist, desto mehr Sekundärelektronen werden emittiert [90]. Daher kann mithilfe von REM Bildern eine Aussage über die Oberflächenbeschaffenheit einer Probe getroffen werden.
Mittels energiedispersiver Röntgenspektroskopie (EDX) kann die elementare Zusam-mensetzung der Oberfläche einer Probe bestimmt werden. Durch das Zusammenstoßen eines Elektrons aus dem primären Elektronenstrahl mit einem Elektron der inneren Schalen (K,L,M) wird dieses angeregt und herausgeschleudert [90]. Ein Elektron der äußeren Schale füllt diesen leeren Platz in der inneren Schale. Aufgrund der Energieun-terschiede entstehen Röntgenphotonen. Diese werden beim EDX analysiert und sind charakteristisch für die einzelnen Elemente [93]. Ein Nachteil dieser Methode ist die relativ hohe Eindringtiefe, weshalb dünne Schichten auf der Oberfläche nur schwer detektiert werden können [93].
Die Proben für REM, wie auch EDX Messungen werden auf Probenteller aufgeklebt und im Exsikkator für mindestens 24 Stunden gelagert. Die Proben werden zur REM Analyse mit Gold besputtert (Bal-Tec SCD 005 BU) und zur EDX Analyse mit Kohlenstoff (Bal-Tec SCD 005/CEA 035). Bei dem REM handelt es sich um ein JSM-6390 System (Jeol Ltd., Japan) und das EDX Spektrum wird mittels Jeol JSM-6060LV (Jeol Ltd.,
Japan) aufgenommen.
3.3 Charakterisierung der Beschichtung 37
3.3.3 Infrarotspektroskopie und RAMAN Spektroskopie
Die Infrarotspektroskopie (IR-Spektroskopie) sowie die RAMAN Spektroskopie sind Methoden zur Strukturaufklärung von chemischen Verbindungen. Es können feste, flüssige und gasförmige Proben getestet werden und nahezu alle Strukturen aufgeklärt werden [94].
Bei der IR-Spektroskopie wird die Absorption von unterschiedlichen IR-Frequenzen einer Probe in einem IR-Strahl gemessen [94]. Chemische Gruppen absorbieren bei charakteristischen Frequenzen der IR-Strahlung, was zur Strukturaufklärung verwendet wird. Die Infrarotstrahlung reicht von ca. 13.000 bis 10 cm−1 und liegt im Wellenbereich von 0,78 bis 1000µm [95]. Bei IR-Spektren wird die Wellenzahl oder die Wellenlänge auf derx-Achse aufgetragen und die Absorptionsintensität oder die prozentuale Transmission auf dery-Achse. Die Messungen werden mit dem Vertex 70 (Brucker Corporation, USA) durchgeführt.
Im Falle der RAMAN-Spektroskopie wird die Probe mittels monochromatischem Laser beschossen. Ein Großteil des Lichts wird von der Materie in der gleichen Frequenz gestreut, diese Strahlung wird als Rayleigh-Strahlung bezeichnet. Ein Teil der Strahlung wird ebenfalls gestreut, jedoch in einer anderen Frequenz aufgrund von Absorption und Re-Emission bei der Schwingungslöschung oder -anregung der Probe. Die Differenz aus eingestrahltem und gestreutem Licht (RAMAN) ergibt die Frequenz der Schwingung, welche für jedes Molekül charakteristisch ist [96]. RAMAN-Spektroskopie kann nur für Proben verwendet werden, in welcher während der Schwingung die Polarisierbarkeit der Moleküle sich ändert [96]. Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wird das Bruker Senterra (Brucker Corporation, USA) zur Messung von RAMAN-Spektren verwendet.
3.3.4 Röntgendiffraktometrie
Die Röntgendiffraktometrie (XRD) beruht auf der Tatasache, dass monochromatische Röntgenstrahlung bei regelmäßig angeordneten Atomen im Kristallgitter gestreut wird und dabei Interferenzen auftreten [97].
Es sind Beugungserscheinungen zu beobachten, welche in einem Diagramm aufgezeichnet werden. Bei diesen wird die Intensität über den Beugungswinkel 2θ aufgetragen.
Beugungsdiagramme sind für jeden Stoff einzigartig, wodurch sie zur qualitativen Identifizierung kristalliner Substanzen dienen können [97]. In der vorliegenden Arbeit wird mit einer CuKα Strahlung gearbeitet.
3.3.5 Kontaktwinkelmessung
Die Kontaktwinkelmessung dient der Bestimmung des Benetzungsverhaltens eines Materials. Es handelt sich um ein zerstörungsfreies Verfahren, durch welches die Oberflächenspannung bestimmt werden kann [98].
38 3 Herangehensweise und Untersuchung der plasmabeschichteten Oberflächen In der vorliegenden Arbeit wird das Gerät OCA 20 (DataPhysics, Deutschland) verwendet, welches mit der Methode des liegenden Tropfens misst. Bei dieser Methode können Sedimentationseffekte und Verdunstungseffekte die Messung beeinflussen, was bedeutet, dass die Messung zeitabhängig ist und die Reproduzierbarkeit verschlechtert wird [99].
Doppelt destilliertes Wasser wird, in dieser Arbeit, als Messflüssigkeit verwendet. Auf die Probenkörper mit einer Länge von 50 mm werden zehn Tropfen a 2000µL gegeben.
3.3.6 Ellipsometrie
Die Ellipsometrie ist ein Verfahren zur Schichtdickenbestimmung. Hierbei wird diese optisch auf Basis des Reflexionsgesetzes und des Brechungsgesetzes nach Snellius ermittelt [90]. Die Messung erfolgt auf Siliziumwafern und es wird das SE 800 (SENTECH Istruments GmbH, Deutschland) verwendet.