Festkörper und Oberflächen

Rasterelektronenmikroskopie mit energiedispersiver Röntgenspektroskopie (REM-EDX)

Das REM-EDX ist eines der wichtigsten Verfahren zur Bewertung von Topographie, Bruchflächen sowie Elementzusammensetzung eines Festkörpers.

REM: Im Rasterelektronenmikroskop wird die Oberfläche einer Probe mit hoher Schärfentiefe dargestellt. Die Auflösung liegt im 2stelligen nm-Bereich (50.000-fach). Ein Elektronenstrahl rastert die Oberfläche einer Probe im Hochvakuum ab. Die dabei entstehende Wechselwirkung wird detektiert und liefert Bildinformationen über die Oberflächenbeschaffenheit mittels Sekundär- oder Rückstreuelektronen-Kontrast. So sind z.B. Bewertungen von Bruchflächen möglich.

EDX: An das REM gekoppelt ist ein modernes Röntgenspektroskop, mit dessen Hilfe Elementanalysen an jeder noch so kleinen Probe durchgeführt werden können. Schon vereinzelte Partikel sind ausreichend, um Informationen über die Materialzusammensetzung zu erhalten. Durch den Elektronenstrahl des REMs werden die Atome in der Probe angeregt und emittieren elementspezifische Röntgenstrahlungen. Diese werden vom Siliziumdriftdetektor detektiert und als qualitatives Spektrum oder Elementverteilungsbild ausgegeben. Es können alle Elemente ab Bor nachgewiesen werden. Elemente ab Natrium können quantitativ mit einer Nachweisgrenze von 0,1 Gew.-% ausgewertet werden.

Normen: AV 272-Mat

REM-Aufnahme eines oxidierten Spalts bei 1500facher Vergrößerung
REM-Aufnahme eines oxidierten Spalts bei 1500facher Vergrößerung
Elementverteilungsbild (EDX Mapping)
Elementverteilungsbild (EDX Mapping)

Auger-Elektronen-Spektroskopie

Einer der oberflächenempfindlichsten Methode zur Elementbestimmung ist die Auger-Elektronen-Spektroskopie. Eine Beschuss der Oberfläche mit hochenergetischer Strahlung (UV oder Röntgen) bzw. Elektronenstrahl führt zur Anregung der Atome in den obersten Lagen. Diese senden Elektronen mit für jedem Element charakteristischer kinetischer Energie aus. Im Spektrum – also Intensität vs. Energie – ordnet man Peaks den Elementen und Konzentrationen zu. Diese zerstörungsfreie Methode eignet sich besonders für Halbleiteroberflächen und Metalle, um z. B. Kohlenstoffverunreinigungen auf Klebeflächen oder elektrischen Kontakten identifizieren und quantifizieren zu können (Nachweisgrenzen liegen unter 0,1 at%).

Auger Scan
Auger Scan
Auger Spektrum Sauerstoff
Auger Spektrum Sauerstoff

Sekundärionen-Massenspektroskopie ToF-SIMS

Die Sekundärionenmassenspektrometrie (ToF-SIMS) analysiert die atomare und molekulare Zusammensetzung der obersten 1-3 Monolagen eines Festkörpers. Dazu wird die Oberfläche mit schweren Ionen beschossen ("befragt"), die Elemente und Moleküle werden "angestossen" und die so aus der Oberfläche "herausgeplatzten"  Sekundärionen hinsichtlich ihrer Masse analysiert – extrem empfindlich (Nachweisgrenzen bis fmol) und extrem oberflächenempfindlich. Die Methode ist bildgebend ab ca. 1 µm und kann Tiefenprofile durch Sputtern erzeugen.

Anwendungsbeispiele sind Haftungsversagen, Restschmutzanalyse, Metallreinigung, Kunststoffadditivierung, Weichmachermigration, optische Schichten, Korrosion, …

ToF-SIMS Bildgebung
ToF-SIMS Bildgebung
ToF-SIMS Spektrum
ToF-SIMS Spektrum

Röntgenphotoelektronenspektroskopie ( XPS , ESCA )

Mit Hilfe der Röntgenphotoelektronenspektroskopie kann die Zusammensetzung von Festkörpern und Oberflächen qualitativ und quantitativ bestimmt werden. Die Eindringtiefe beträgt dabei wenige Nanometer; durch Abtrag können auch Tiefenprofile der Zusammensetzung erzeugt werden. Außer H und He können alle Elemente detektiert werden, besonders für schwerere Elemente besitzt XPS eine sehr hohe Empfindlichkeit (ca. 0.1 at-%). In vielen Fällen können Aussagen getroffen werden, in welchen chemischen Zustand das Element vorliegt.

Tiefenprofil
Silikonverunreinigung

XRD - Röntgendiffraktometrie

Die Röntgendiffraktometrie beruht auf der Beugung von Röntgenstrahlen an räumlich geordneten Strukturen wie etwa Kristallgitter (engl. X-ray diffraction, XRD). Die Atome im Kristall wirken wie ein dreidimensionales Beugungsgitter. Abhängig vom Abstand und der Anordnung der Atome zueinander kommt es zur Interferenz zwischen den gebeugten Wellen, die zur Auslöschung in den meisten Raumrichtungen führen. Nur unter bestimmten Messwinkeln können Signale detektiert werden. Aus den gemessenen Beugungsdiagrammen können Rückschlüsse auf die Kristallstruktur, und die Gitterparameter und damit auch auf die chemische Zusammensetzung gezogen werden. Darüber hinaus kristalline und amorphe Anteile bzw. unterschiedliche kristalline Phasen identifiziert und quantifiziert werden.

XRD Kristallinitaet
XRD Kristallinitaet
XRD Messung
XRD Messung

Glimmentladungspektroskopie - GDOES

Glimmentladungsspektroskopie (engl. Glow Discharge Optical Emission Spectroscopy, GDOS/GDOES) bezeichnet ein spektroskopisches Verfahren zur quantitativen Analyse von Metallen und anderen auch nichtmetallischen Feststoffen. Im Gegensatz zur Funkenspektrometrie lassen sich bei GDOES-Spektroskopie auch Analysen von Schichtaufbauten durchführen. Die GDOES Spektroskopie kann zur quantitativen und qualitativen Bestimmung von Elementen eingesetzt werden, und ist damit ein Teilbereich der Analytischen Chemie.

Dabei werden in einem Gleichspannungsplasma die metallischen Proben als Kathode benutzt. Von der Oberfläche ausgehend wird nach und nach durch Kathodenzerstäubung mit Argonionen die Probe schichtweise abgetragen. Die abgetragenen Atome gelangen durch Diffusion ins Plasma. Durch Stoßprozesse angeregt emittieren diese Photonen mit charakteristischen Wellenlängen, welche mittels nachgeschaltetem Spektrometers aufgezeichnet und anschließend quantifiziert werden. Bei Verwendung einer hochfrequenten Wechselspannung zur Plasmaerzeugung und entsprechendem Aufbau der Glimmentladungsquelle können auch nichtmetallische Proben untersucht werden.

Diagramm Tiefenprofil Elementanalyse
Beispiel eines Tiefenprofils: Chemisch (stromlos) abgeschiedene Nickelschicht auf einer Aluminiumlegierung mit Zinkat-Zwischenschicht (0 µm = Oberfläche). Der Anteil in Gew.-% für jedes Element wurde mit dem angegebenen Faktor zur bessern Darstellung multipliziert
Prüfkammer Tiefenprofil Elementanalyse
Prüfkammer Tiefenprofil Elementanalyse