Fraunhofer-Institut für Elektronenstrahl-
Die Bestimmung chemischer Tiefenprofile ist für Anwendungen auf dem Gebiet der Optik, Elektronik, Photovoltaik und Batterietechnik von großer Bedeutung. Eine sehr leistungsfähige Methode hinsichtlich Nachweisgrenzen und Tiefenauflösung ist die optische Glimmentladungsspektrometrie.
Die Kombination einer Radio Frequenz Glimmentladung mit optischer Emissionsspektrometrie (RF-GD-OES) ermöglicht die Untersuchung von chemischen Tiefenprofilen an elektrisch leitfähigen als auch an nichtleitfähigen Proben. Für die Analysen wird die Probe als Kathode einer RF Glimmentladung auf einem Spotdurchmesser von 4 mm, Atomlage für Atomlage gesputtert. Gleichzeitig erfolgt im Plasma der Glimmentladung eine Anregung der gesputterten Atome, welche mit einer Emission von optischen Spektrallinien der in der Probe vorhandenen chemischen Elemente verbunden ist. Die Intensität der optischen Emissionslinien wird dann für die verschiedenen chemischen Elemente mit einem Spektrometer als Funktion der Sputterzeit registriert. Aus den gemessenen qualitativen Intensitäts-Sputterzeit-Profilen der Emissionslinien können durch Verwendung von Referenzmaterialien quantitative Konzentrations-Tiefen-Profile berechnet werden.
Der Detektionsbereich der Konzentrationen reicht für viele Elemente von 10 ppm bis zu 100 %. Für glatte Substrate ist eine Tiefenauflösung im Bereich von wenigen Nanometer möglich. Es kann die Intensität der optischen Emissionslinien von 45 chemischen Elementen einschließlich Wasserstoff simultan registriert werden. Durch die Verwendung einer gepulsten RF-Entladung können auch temperaturempfindliche Proben wie z. B. beschichtete Polymerfolien oder Beschichtungen auf Glassubstraten analysiert werden.
Typische Anwendung am Fraunhofer FEP sind die Analyse der chemischen Zusammensetzung von oxidischen oder nitridischen Schichten für optische und elektronische Anwendungen. Eine weitere wichtige Anwendung sind Analysen von Verunreinigungen an der Grenzfläche zum Substrat, welche einen Einfluss auf die Haftfestigkeit der Beschichtungen haben. An Dünnschichtsolarzellen werden GD-OES Analysen verwendet, um Konzentrationsgradienten zu bestimmen, welche die Absorption des Sonnenlichtes beeinflussen. Gleichzeitig können Dotierprofile oder mögliche Verunreinigungen der einzelnen Schichten analysiert werden. Auch für Batterie-anwendungen sind GD-OES Analysen sehr interessant, da mit der Methode auch lithiumhaltige Schichten analysiert werden können.
GD-OES Analysen werden am Fraunhofer FEP erfolgreich in verschiedenen Projekten zur Optimierung unserer Beschichtungstechnologien verwendet und auch als externe Dienstleistung angeboten.