Die temperaturabhängigen dynamischen Eigenschaften der untersuchten dünnen Schichten wurden mit dem Doppel-Paddel Oszillator bestimmt. Weil die Apparatur hierzu im Rahmen dieser Arbeit aufgebaut wurde und wegen der Bedeutung für die Auswertung der Messergeb-nisse wird dieses Experiment und die zugehörigen mathematischen und physikalischen Grundlagen im zentralen Kapitel 4 behandelt.
An dieser Stelle werden die experimentellen Methoden vorgestellt, mit denen die Proben cha-rakterisiert und analysiert wurden.
3.1 Röntgendiffraktometrie und -reflektometrie
Die strukturelle Analyse und die Bestimmung der Schichtdicke der Metallfilme wurde mit zwei kommerziellen Röntgendiffraktometern, einer D5000 der Firma Siemens und einer D8-Advance der Firma Bruker AXS, durchgeführt. Als Röntgenquelle dient jeweils eine Kupfer-Anode. Ein Einkristall-Monochromator im Fall der D5000 und ein Göbel-Spiegel bei der D8-Advance selektiert die Cu-Kα-Strahlung mit einer Wellenlänge von λ = 0,15418 nm. Die Messungen wurden in Bragg-Brentano-Geometrie durchgeführt.
Die Weitwinkel-Röntgendiffraktometrie ist eine Standardmethode für die strukturelle Unter-suchung von Festkörpern. In Kristallen mit langreichweitiger Ordnung wird die eindringende Röntgenstrahlung an den Atomen der einzelnen Netzebenen gestreut. Die Überlagerung dieser Streuwellen liefert ein Beugungsbild, das der Fouriertransformierten der vorliegenden Kri-stallstruktur entspricht und somit Rückschlüsse auf die Anordnung der Atome erlaubt. Bei amorphen Materialien fehlt die langreichweitige Ordnung, weshalb keine scharf definierten Beugungsreflexe der Gitterebenen auftreten, sondern breite Intensitätsmaxima, die aus der statistischen radialen Verteilungsfunktion der Atome im Rahmen ihrer Nahordnung resul-tieren. Mit dieser Methode werden metallische Glasschichten auf Amorphizität oder Kristalli-nität untersucht.
Die Schichtdicke der metallischen Proben wurde mittels Kleinwinkel-Röntgenreflektometrie untersucht. Unter streifendem Einfall bei Winkeln kleiner als 3° wird die Röntgenstrahlung sowohl an der Grenzfläche Schicht-Luft, als auch an der Grenzfläche Substrat-Schicht reflek-tiert. Die Interferenz beider Teilstrahlen führt zu einer Oszillation der Streuintensität, wobei
die Position Θi der Interferenzmaxima und –minima im Winkelraum 2Θ mit der Schichtdicke d wie folgt in Beziehung steht [119]:
( )
2 2 2
2 4
d m mi
i
δ + +∆ λ
=
Θ (3.1)
Dabei bezeichnet mi die Ordnung des Extremums, die durch Minimierung des Fehlerquadra-tes nach Hink und Petzold bestimmt wird [120]. Für Metallfilme auf Si-Substraten ist bei Mi-nima ∆m = 0 und bei Maxima ∆m = 0,5.
Dieses Verfahren ist für die Bestimmung der Schichtdicke bei dünnen, relativ glatten Schichten gut geeignet und wurde für „Tooling“-Messungen eingesetzt, um die Schichtdicke der einzelnen metallischen Aufdampfkomponenten am Ort des Paddels zu kalibrieren.
3.2 Transmissions-Elektronen-Mikroskopie und EDX
Zur Bestimmung von Struktur und Zusammensetzung der metallischen Glasschichten wurden Messungen von Michael Seibt und Yue-Lin Huang an einem Transmissions Elektronen Mikroskop (TEM) der Firma Philipps vom Typ CM-200-UT-FEG am IV. Physikalischen Institut der Universität Göttingen durchgeführt. Für die prinzipielle Funktionsweise und die theoretischen Grundlagen hierzu sei auf die Literatur verwiesen [121, 122].
Mittels energiedispersiver Röntgenanalyse (EDX) wird die Zusammensetzung der Proben untersucht. Hierzu gibt man für die erwarteten Elemente je einen festen Bereich im Energie-spektrum so vor, dass in einem solchen Energieintervall nur charakteristische Röntgenstrah-lung einer bestimmten Linie eines Elementes auftritt und es keinen Überlapp mit den charak-teristischen Linien der anderen Elemente gibt. In einem Linescan über den zu messenden Pro-benbereich wird die Intensität dieser Linien ortsabhängig gemessen. Das Signal ist proportio-nal zur Probendicke und zur atomaren Konzentration des jeweils betrachteten Elementes. Für die genauere quantitative Auswertung in Punktmessungen wird eine numerische Anpassung an das gemessene Hintergrundsignal durchgeführt, dieses vom gemessenen Signal subtrahiert und aus dem Verhältnis der Intensitäten der in den gewählten Fenstern auftreffenden Intensi-täten die atomare Zusammensetzung der Probe berechnet.
Zwei der bedampften Oszillatoren, DPO 12 ohne und DPO 19 mit einer 50 nm dicken Tantal-Diffusionsbarriere wurden nach der Messung zerbrochen. Senkrecht zur Wachstumsrichtung der Schichten wurden Querschliffe des DPO-Halses präpariert. Um die Wirkung der
Diffusionsbarriere zu überprüfen und die Elementverteilung an der Grenzfläche Substrat-Schicht zu untersuchen, wurden EDX-Linescans und EDX-Punktmessungen senkrecht zur Paddeloberfläche durchgeführt. In diesen Messungen wird auch das homogene Wachstum der Schichten untersucht.
Zusätzlich zu den bedampften Oszillatoren wurden unabhängige Messungen an 50 nm-dün-nen Schichten durchgeführt, die in der UHV-Anlage auf Gold-Netzchen aufgedampft wurden.
Diese Schichten wurden im TEM sowohl im Beugungs-, als auch im Hellfeldmodus betrach-tet. Ziel dieser Kontrollmessungen war es, die metallischen Glasschichten auf ihre korrekte Zusammensetzung und ihre amorphe Struktur zu überprüfen.
3.3 Fourier-Transformations-Infrarot-Spektroskopie (FTIR)
Beim Durchstrahlen von Materie mit infrarotem Licht (IR) werden bei geeigneter Wellenlän-ge EiWellenlän-genschwingunWellenlän-gen der MolekülbindunWellenlän-gen anWellenlän-geregt. Die Moleküle nehmen Energie auf und schwächen gleichzeitig die Intensität der Strahlung. Bestimmt man das Absorptionsver-halten in Abhängigkeit von der Wellenlänge der Strahlung, so gewinnt man Informationen über die chemische Struktur des Materials. Eine ausführliche Darstellung der Methode findet sich beispielsweise bei Günzler [123].
Bei einem Fourier-Transformations-Infrarot-Spektrometer (FTIR) wird die IR-Strahlung durch ein Michelson-Zweistrahl-Interferometer in spektrale Information umgewandelt. Das Verhältnis des Signals zum Rauschen wird dadurch bei hoher Messgeschwindigkeit optimiert.
Mittels FTIR Spektroskopie wird geklärt, wie sich die molekulare Struktur des PMMA in der Schicht im Vergleich zum Ausgangsmaterial des Targets ändert und welche Auswirkungen die Temperaturzyklen bei der mechanischen Spektroskopie auf die Polymerstruktur haben.
Die Messungen im Rahmen dieser Arbeit wurden von E. Süske (Institut für Materialphysik der Universität Göttingen) an einem Bruker Tensor 37 FTIR-Spektrometer in Reflexion unter einem Winkel von 10° durchgeführt.
3.4 Dielektrische Spektroskopie
Die Dynamik von strukturellen Glasbildnern umfasst einen Frequenzbereich von wenigen Mikrohertz bis hin zu mehreren Terahertz und hängt darüber hinaus stark von der Temperatur
ab. Verschiedenste experimentelle Methoden wurden entwickelt, um die komplexe Dielektri-zität zu bestimmen [38]. Der enorme Vorteil ist dabei, dass sowohl die Temperatur, als auch die Frequenz unabhängig voneinander mit relativ geringem experimentellem Aufwand variiert werden können. Beide Parameter, von denen die Dynamik wesentlich bestimmt wird, sind da-mit direkt zugänglich.
Um die Methoden der dielektrischen und der mechanischen Spektroskopie miteinander zu vergleichen, aber auch um eine Aussage zu Veränderungen durch den Ablationsprozess ma-chen zu können, wurden PMMA-Proben von R. Wehn und P. Lunkenheimer (Lehrstuhl für Experimentalphysik V der Universität Augsburg) mit einem Novocontrol α-Analyzer dielek-trisch spektroskopiert [38].
Dazu wurde eine etwa 1 µm dicke PMMA-Schicht auf ein elektrisch leitfähiges Kupferblech deponiert, bevor wiederum eine dünne Kupferschicht als Gegenelektrode auf die PMMA-Oberfläche aufgedampft wurde. Ein etwa 1 mm dicker Streifen des Ausgangsmaterials wurde aus dem Target geschnitten und auf beiden Seiten mit Kupfer bedampft. An beiden Proben wurden sowohl isotherme Frequenzscans durchgeführt, als auch bei verschiedenen Frequen-zen temperaturabhängig gemessen.