Dresden, Techn. Univ., Diss., 2002.

Im Rahmen der Dissertation wurden mit der Glimmentladungs-Spektrometrie Materialproben untersucht, die Wasserstoff enthalten. Auch sehr geringe Gehalte, z.B. im µg/g-Bereich, können nachgewiesen werden. GD-OES ist oft die einzige Methode, die für diese analytische Aufgabenstellung zur Verfügung steht. Die Anwesenheit von Wasserstoff im Glimmentladungsplasma bewirkt verschiedene Effekte: (i) die Signalintensitäten der meisten analytischen Emissionslinien und der des Trägergases werden beeinflußt, (ii) aus dem Wasserstoffkontinuum resultiert ein erhöhter spektraler Untergrund, (iii) der elektrische Widerstand des Plasmas steigt und (iv) die Abtragsraten sinken. Zum Verständnis dieser Effekte werden grundlegende Untersuchungen zu den Anregungs- und Ionisationsmechanismen im Glimmentladungsplasma durchgeführt. Da es keine geeigneten Materialien gibt, für die der Gehalt an Wasserstoff stabil sind, wurden die Wasserstoffeffekte und die Möglichkeit des Nachweises von Wasserstoff durch Zugabe wohl definierter Mengen gasförmigen Wasserstoffs in das GD-Plasma simuliert. Für die Änderungen (i) de Analyt- und Trägergassignale, (ii) des Entladungsstroms als abhängigen GD-Pa-rameter sowie (iii) des Wasserstofflinien- und Kontinuumspektrums wurde experimentell festgestellt, dass sie sehr ähnlich sind, unabhängig davon, ob der Wasserstoff aus der Probe kommt oder als Gas ins Plasma eingeleitet wird. Die Anwesenheit von Wasserstoff im GD Plasma beeinflußt die Form des Abtragskraters, durch den die Tiefenauflösung bestimmt wird. Dieser Effekt kann gezielt bei nichtleitenden Schichtmaterialien genutzt werden, um die Tiefenauflösung zu verbessern. Weiterhin können Empfindlichkeit und Nachweisgrenze von bestimmten Emissionslinien eines Analyten verbessert werden. Der Was-serstoff im elektrolytischen (Cd- oder Zn-)Schichtsystem kann die Materialeigenschaften ver-schlechtern. Beispielhaft sei die Versprödung genannt. Mit der GD-OES Tiefen-profilanalyse kann die Wirkung thermischer Nachbehandlungen, die in der Technik üblich sind, verfolgt werden. Es konnte an praktischen Beispielen gezeigt werden, dass für erfolgreiche Anwendungen der GD-OES für Dünnschichtanalytik die Reinheit (d.h. minimale H-Effekte) der GD-Quelle von entscheidender Bedeutung ist.

Im Rahmen der Dissertation wurden mit der Glimmentladungs-Spektrometrie Materialproben untersucht, die Wasserstoff enthalten. Auch sehr geringe Gehalte, z.B. im µg/g-Bereich, können nachgewiesen werden. GD-OES ist oft die einzige Methode, die für diese analytische Aufgabenstellung zur Verfügung steht. Die Anwesenheit von Wasserstoff im Glimmentladungsplasma bewirkt verschiedene Effekte: (i) die Signalintensitäten der meisten analytischen Emissionslinien und der des Trägergases werden beeinflußt, (ii) aus dem Wasserstoffkontinuum resultiert ein erhöhter spektraler Untergrund, (iii) der elektrische Widerstand des Plasmas steigt und (iv) die Abtragsraten sinken. Zum Verständnis dieser Effekte werden grundlegende Untersuchungen zu den Anregungs- und Ionisationsmechanismen im Glimmentladungsplasma durchgeführt. Da es keine geeigneten Materialien gibt, für die der Gehalt an Wasserstoff stabil sind, wurden die Wasserstoffeffekte und die Möglichkeit des Nachweises von Wasserstoff durch Zugabe wohl definierter Mengen gasförmigen Wasserstoffs in das GD-Plasma simuliert. Für die Änderungen (i) de Analyt- und Trägergassignale, (ii) des Entladungsstroms als abhängigen GD-Pa-rameter sowie (iii) des Wasserstofflinien- und Kontinuumspektrums wurde experimentell festgestellt, dass sie sehr ähnlich sind, unabhängig davon, ob der Wasserstoff aus der Probe kommt oder als Gas ins Plasma eingeleitet wird. Die Anwesenheit von Wasserstoff im GD Plasma beeinflußt die Form des Abtragskraters, durch den die Tiefenauflösung bestimmt wird. Dieser Effekt kann gezielt bei nichtleitenden Schichtmaterialien genutzt werden, um die Tiefenauflösung zu verbessern. Weiterhin können Empfindlichkeit und Nachweisgrenze von bestimmten Emissionslinien eines Analyten verbessert werden. Der Was-serstoff im elektrolytischen (Cd- oder Zn-)Schichtsystem kann die Materialeigenschaften ver-schlechtern. Beispielhaft sei die Versprödung genannt. Mit der GD-OES Tiefen-profilanalyse kann die Wirkung thermischer Nachbehandlungen, die in der Technik üblich sind, verfolgt werden. Es konnte an praktischen Beispielen gezeigt werden, dass für erfolgreiche Anwendungen der GD-OES für Dünnschichtanalytik die Reinheit (d.h. minimale H-Effekte) der GD-Quelle von entscheidender Bedeutung ist.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, ausgehend vom aktuellen Stand der Technik, die Möglichkeiten der optische Glimmentladungsspektroskopie (GD-OES) für Tiefenprofilanalysen dünner und dünnster Schichten (Schichtdicken = 1 bis 100 nm) zu bestimmen und geeignete instrumentelle und methodischen Modifikationen vorzuschlagen, um die Einsatzmöglichkeiten weiter auszubauen. Dies gilt gleichermaßen unter Berücksichtigung der Anforderungen des Einsatzes im Routinebetrieb (geringe Bruttoanalysezeit und Reproduzierbarkeit) sowie in der Erforschung und der Entwicklung dünner Schichten (geringe Nachweisgrenzen, hohe Flexibilität zum Beispiel bei den analysierbaren Elementen oder der Leitfähigkeit der Proben, geringe Matrixeffekte, etc.). Während jeder GD-OES Analyse finden drei räumlich und zeitlich getrennte Teilprozesse statt: (A) durch das Zerstäuben der Oberfläche wird die Probe in der lateralen Ausdehnung des Anodendurchmessers in die Tiefe abgetragen und in die atomaren Bestandteile zerlegt (Sputterprozess); (B) in das Plasmagebiet diffundierte Partikel reagieren mit dem Analysegas (i. d. R. Argon), dadurch werden die Atome (und Ionen) der Probe in angeregte Zustände versetzt, im nachfolgenden Relaxationsschritt emittieren diese unter anderem Photonen einer charakteristischen Wellenlänge, die (C) alle in einem Detektionssystem (Mono- bzw. Polychromator oder CCD-Spektrometer) in ihrer Intensität als Funktion der spektralen Wellenlänge und der Zeit erfasst werden. Ein Vorteil der Methode, die niedrige Analysendauer bedingt durch den vergleichsweise hohen Sputterabtrag bewirkt, dass die Analyse dünner Schichten innerhalb weniger – im Extremfall sogar nur innerhalb von Bruchteilen von – Sekunden stattfindet. Dies lässt die Herausforderungen für die Analyse dünner Schichten verstehen. Der unter anderem von den elektrischen Entladungsbedingungen abhängige Sputterprozess und die komplexen Reaktionen im Plasma müssen möglichst unmittelbar (< 50 ms) nach dem Zündvorgang in einen stabilen Zustand übergehen. Einerseits ist dies instrumentell durch eine Anpassung der Steuer- und Regelungstechnik (z. B. Wahl geeigneter Druckregelventile, -sensoren, etc.) gelungen. Andererseits beeinflussen die unvermeidlichen Kontaminationen [Wasser(filme) und Kohlenwasserstoffe], die in das Plasmagebiet diffundieren, negativ die Stabilität die Entladung. Die Hauptstrategie zur Unterdrückung dieser ‚Dreckeffekte’ sind erfolgreich verschiedene Wege der ex-situ (maximalmögliche Reduzierung der Leckrate, Einsatz von Hochvakuumbauteilen, Einführung von Richtlinien zur Vakuumhygiene) und in-situ Dekontamination (aktive Desorptionsminderung durch ein Vorsputtern mit Si) gewählt worden. Erst in der Summe aller apparativen Verbesserungen ist die Voraussetzung für die Verwendung der Glimmentladungsspektroskopie als zuverlässige Methode der Dünnschichtanalytik gegeben. Für die laborpraktischen Arbeiten wurde während der sukzessiven Optimierung des Vakuumsystems als Nebenergebnis ein anwenderfreundlicher Schnelltest zur Charakterisierung des Geräts für Kurz- und Langzeitvergleiche entwickelt. Dieser wertet die Abpumpkurven bzw. Druckanstiegskurven aus. In Abhängigkeit der Bedürfnisse und dem Aufwand des Anwenders lassen sich interessante Parameter, wie das effektive Saugvermögen, eine Zeitkonstante für die Gasabgabe oder die Leckrate IL bestimmen. Die Bandbreite der untersuchten Proben ist dabei ähnlich unterschiedlich, wie die Fragestellungen: leitfähige und nichtleitfähige Proben; Nachweis und Bestimmung von Matrixelementen, Legierungsbestandteilen oder Spuren; Einfach-, Mehrlagen- und Wechselschichten, Oberflächen- und Zwischenschichten; Adsorbate an Ober- und Grenzflächen, Schichtdickenhomogenität als Teil der Qualitätskontrolle, etc. Ein Teil dieser Schichtsysteme sind in dieser Arbeit ausführlicher diskutiert worden. Das Hartstoffschichtsystem TiN gehört mit den Schichtdicken von 0,5 bis 3 µm zwar eher zu den dicken Schichten, wobei besonders der oberflächennahe Bereich (< 100 nm) zuverlässig untersucht wurde (vgl. Kap. 4.1). Mit dem Nachweis und der Quantifizierung von in der Grenzfläche (100 bzw. 1000 nm unter der Oberfläche) zwischen den elektrochemisch (ECD-Cu) und physikalisch (PVD-Cu) abgeschiedenen Cu-Schichten versteckten Adsorbaten bietet GD-OES dem Schichthersteller oder dem Werkstoffwissenschaftler wichtige Informationen, um zum Beispiel gezielt Gefügeänderungen für die Erhöhung der Elektromigrationsresistenz einzustellen. Es wurde einerseits die prinzipielle Machbarkeit und andererseits auch die Grenzen der Methode im Vergleich mit TOF-SIMS gezeigt. Ein weiteres Schichtsystem aus der Mikroelektronik ist im anschließenden Kap. 4.3 Gegenstand der GD-OES Untersuchungen. Dabei wurde nicht nur die Schichtdicken von 10 bis 50 nm dünnen TaN-Barriereschichten, sondern auch die Homogenität der Schichtdicken über einen kompletten 6’’ Wafer bestimmt. Die nachzuweisenden Unterschiede liegen im Bereich von einigen Angström bis zu wenigen Nanometern. Die GD-OES Untersuchungen von TaN zeigen zu Beginn und in der Nähe der Grenzfläche zum Substrat ungewöhnliche Intensitätsverläufe von Ta und N. Erst in Kombination mit anderen oberflächenanalytischen Verfahren (XPS und AES) gelang die Interpretation der Messergebnisse. Aus der Summe aller Argumente wird die Hypothese formuliert, dass sich im Fall des Zerstäubungsprozesses von TaN wegen der großen Unterschiede in den Atommassen ein Vorzugssputtern (engl. preferential sputtering) herausbildet. Bei anderen sputternden Verfahren, z. B. SIMS, ist dieses Phänomen längst bekannt und wurde auch für die Glimmentladungsspektroskopie vermutet. Dies konnte bislang allerdings noch nie beobachtet werden. Rechnungen mit einem Simulationsprogramm für Kollisionsvorgänge aufgrund ballistischer Effekte (TRIDYN) stützen diese Hypothese. Begünstigt wurde die Beobachtung des Vorzugssputterns durch die sauberen Messbedingungen, durch die man in Lage versetzt war, Anfangspeaks klar von Kontaminationspeak zu unterscheiden. Das vorletzte Kapitel 4.4 beschäftigt sich mit Schichten im untersten Nanometerbereich (< 5 nm). Es zeigt sich, dass die wenige Nanometer dicken, natürlichen Oxidschichten deutlich besser analysierbar sind, wenn man die in der Arbeit vorgestellte in-situ Dekontamination durch ein Vorsputtern anwendet. Die GD-OES Untersuchungen an organischen Monolagenschichten in Kap. 4.5 sind Teil einer aktuellen wissenschaftlichen Diskussion innerhalb der weltweiten GD-OES Fachwelt. Die von KENICHI SHIMIZU vorgestellten Ergebnisse konnten am Beispiel von Thioharnstoff mit RF bestätigt und erstmals auch mit einer DC-Entladung gezeigt werden. Das Verfahren der GD-OES kann qualitativ die Existenz von monomolekularen Schichten im Subnanometerbereich nachweisen. Allerdings stellen die Ergebnisse von Substraten mit anderen Molekülen die Interpretation der Intensitäts-Zeitprofile in Frage. Ein anderer Interpretationsansatz wird als Hypothese formuliert, konnte jedoch noch nicht verifiziert werden. Mit den vorgestellten Optimierungen der Messtechnik lassen sich die Möglichkeiten der Anwendung der optischen Glimmentladungsspektroskopie für die Untersuchungen dünner und dünnster Schichten deutlich erweitern.

Aufgrund der höheren elektrischen Leitfähigkeit und des größeren Widerstandes gegen Elektromigration im Vergleich zum Aluminium wird seit einigen Jahren Kupfer als Leitbahnmaterial in der Mikroelektronik eingesetzt. Da Kupfer jedoch eine hohe Beweglichkeit in den für die Halbleitertechnologie relevanten Werkstoffen aufweist, sind zur Verhinderung einer Diffusion effektive Barrieren notwendig. Dabei muss die u. a. geforderte hohe thermische Stabilität der Barrierematerialien auch im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung der mikroelektronischen Bauelemente und damit der Reduzierung der Barriereschichtdicken sichergestellt sein. Im Rahmen der Arbeit wurden mittels Magnetron-Sputtern neben Ta- und TaN-Einfachschichten sowie Ta-TaN-Mehrfachschichten auch Ta-Si-N-Einfachschichten jeweils mit und ohne Cu-Metallisierung sowohl auf blanke als auch auf thermisch oxidierte Si-Scheiben abgeschieden. Die Dicken der Barriereeinzelschichten und die der Cu-Schichten betrugen 10 nm bzw. 50 nm. Die Beurteilung der Barrierestabilität sowie die Charakterisierung der Ausfallmechanismen erfolgten nach Wärmebehandlungen durch den kombinierten Einsatz von Röntgenstreumethoden, spektroskopischen sowie mikroskopischen Analyseverfahren. In Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und damit von der Mikrostruktur im Ausgangszustand finden für die zwischen Kupfer und SiO2 abgeschiedenen Diffusionsbarrieren unterschiedliche Prozesse während thermischer Belastungen statt. Bei den mehrstufigen Ta-TaN-Barrieren setzt bereits bei T = 300 °C eine Umverteilung von Stickstoff ein, die bei T = 500 °C in der Bildung von Ta2N-Kristalliten resultiert. Im Fall der Ta-Si-N-Barrieren führt die vorhandene Cu-Metallisierung zu einer an der Cu/Barriere-Grenzfläche beginnenden Kristallisation. Dabei hängen sowohl deren Einsatzzeitpunkt während einer bei konstanter Temperatur durchgeführten Wärmebehandlung als auch das entstehende Kristallisationsprodukt von der Barrierezusammensetzung ab. Im Zuge der Kristallisation erfolgt die vollständige Zerstörung der ursprünglichen Schichtintegrität, so dass Kupfer in unmittelbaren Kontakt zum SiO2-Substrat gelangt. Der sensitive Nachweis einer Cu-Diffusion durch die Barriere erfolgte einerseits durch die Charakterisierung von Cu/Barriere/SiO2/Si-Systemen mit Hilfe spurenanalytischer Methoden und andererseits durch die Untersuchung von Proben mit geändertem Aufbau. Durch Abscheidung der Barrieren zwischen Kupfer und Silizium ist mittels Röntgenbeugung die nach Diffusion von Cu-Atomen ins Substrat einsetzende Bildung von Cu3Si detektierbar. Mit den kritischen Temperaturen für die Bildung dieses Kupfersilizids erfolgte die vergleichende Bewertung der thermischen Stabilitäten der Barrieren. Werden die dünnen Ta-basierten Schichten zusätzlich bezüglich ihres spezifischen elektrischen Widerstandes beurteilt, so stellt sich eine Ta56Si19N25-Diffusionsbarriere als am geeignetsten für den Einsatz in Cu-Metallisierungssystemen heraus. Die mikrostrukturellen Untersuchungen gestatten Aussagen zu den Versagensmechanismen der einzelnen Barrieren. Für die Ta-TaN-Mehrfachschichten wird durch die einsetzende Stickstoffumverteilung und die sich anschließende Ta2N-Bildung bereits frühzeitig die stabile Mikrostruktur der TaN-Schicht zerstört. Während für Ta-Si-N-Schichten mit einem N-Gehalt von bis zu 25 at.% eine Cu-Diffusion ins Substrat erst nach vorzeitiger Barrierekristallisation beobachtet wird, erfolgt sie im Fall der stickstoffreichen Ta-Si-N-Barrieren in einem Zustand, für den mittels Röntgenbeugung eine Kristallisation noch nicht nachweisbar ist. Die Untersuchung der Abhängigkeit der sich während des Cu-Schichtwachstums bzw. einer nachträglichen Wärmebehandlung ausbildenden Cu-Texturkomponenten von der chemischen Zusammensetzung der Unterlage erfolgte mittels röntgenographischer Texturanalyse. Zur Diskussion der beobachteten Vorzugsorientierungen wurde das Modell des zweidimensionalen Kornwachstums in dünnen Schichten herangezogen.

Aufgrund der höheren elektrischen Leitfähigkeit und des größeren Widerstandes gegen Elektromigration im Vergleich zum Aluminium wird seit einigen Jahren Kupfer als Leitbahnmaterial in der Mikroelektronik eingesetzt. Da Kupfer jedoch eine hohe Beweglichkeit in den für die Halbleitertechnologie relevanten Werkstoffen aufweist, sind zur Verhinderung einer Diffusion effektive Barrieren notwendig. Dabei muss die u. a. geforderte hohe thermische Stabilität der Barrierematerialien auch im Zuge der fortschreitenden Miniaturisierung der mikroelektronischen Bauelemente und damit der Reduzierung der Barriereschichtdicken sichergestellt sein. Im Rahmen der Arbeit wurden mittels Magnetron-Sputtern neben Ta- und TaN-Einfachschichten sowie Ta-TaN-Mehrfachschichten auch Ta-Si-N-Einfachschichten jeweils mit und ohne Cu-Metallisierung sowohl auf blanke als auch auf thermisch oxidierte Si-Scheiben abgeschieden. Die Dicken der Barriereeinzelschichten und die der Cu-Schichten betrugen 10 nm bzw. 50 nm. Die Beurteilung der Barrierestabilität sowie die Charakterisierung der Ausfallmechanismen erfolgten nach Wärmebehandlungen durch den kombinierten Einsatz von Röntgenstreumethoden, spektroskopischen sowie mikroskopischen Analyseverfahren. In Abhängigkeit von ihrer Zusammensetzung und damit von der Mikrostruktur im Ausgangszustand finden für die zwischen Kupfer und SiO2 abgeschiedenen Diffusionsbarrieren unterschiedliche Prozesse während thermischer Belastungen statt. Bei den mehrstufigen Ta-TaN-Barrieren setzt bereits bei T = 300 °C eine Umverteilung von Stickstoff ein, die bei T = 500 °C in der Bildung von Ta2N-Kristalliten resultiert. Im Fall der Ta-Si-N-Barrieren führt die vorhandene Cu-Metallisierung zu einer an der Cu/Barriere-Grenzfläche beginnenden Kristallisation. Dabei hängen sowohl deren Einsatzzeitpunkt während einer bei konstanter Temperatur durchgeführten Wärmebehandlung als auch das entstehende Kristallisationsprodukt von der Barrierezusammensetzung ab. Im Zuge der Kristallisation erfolgt die vollständige Zerstörung der ursprünglichen Schichtintegrität, so dass Kupfer in unmittelbaren Kontakt zum SiO2-Substrat gelangt. Der sensitive Nachweis einer Cu-Diffusion durch die Barriere erfolgte einerseits durch die Charakterisierung von Cu/Barriere/SiO2/Si-Systemen mit Hilfe spurenanalytischer Methoden und andererseits durch die Untersuchung von Proben mit geändertem Aufbau. Durch Abscheidung der Barrieren zwischen Kupfer und Silizium ist mittels Röntgenbeugung die nach Diffusion von Cu-Atomen ins Substrat einsetzende Bildung von Cu3Si detektierbar. Mit den kritischen Temperaturen für die Bildung dieses Kupfersilizids erfolgte die vergleichende Bewertung der thermischen Stabilitäten der Barrieren. Werden die dünnen Ta-basierten Schichten zusätzlich bezüglich ihres spezifischen elektrischen Widerstandes beurteilt, so stellt sich eine Ta56Si19N25-Diffusionsbarriere als am geeignetsten für den Einsatz in Cu-Metallisierungssystemen heraus. Die mikrostrukturellen Untersuchungen gestatten Aussagen zu den Versagensmechanismen der einzelnen Barrieren. Für die Ta-TaN-Mehrfachschichten wird durch die einsetzende Stickstoffumverteilung und die sich anschließende Ta2N-Bildung bereits frühzeitig die stabile Mikrostruktur der TaN-Schicht zerstört. Während für Ta-Si-N-Schichten mit einem N-Gehalt von bis zu 25 at.% eine Cu-Diffusion ins Substrat erst nach vorzeitiger Barrierekristallisation beobachtet wird, erfolgt sie im Fall der stickstoffreichen Ta-Si-N-Barrieren in einem Zustand, für den mittels Röntgenbeugung eine Kristallisation noch nicht nachweisbar ist. Die Untersuchung der Abhängigkeit der sich während des Cu-Schichtwachstums bzw. einer nachträglichen Wärmebehandlung ausbildenden Cu-Texturkomponenten von der chemischen Zusammensetzung der Unterlage erfolgte mittels röntgenographischer Texturanalyse. Zur Diskussion der beobachteten Vorzugsorientierungen wurde das Modell des zweidimensionalen Kornwachstums in dünnen Schichten herangezogen.

Glow Discharge Optical Emission Spectrometry (GD OES) has proved to be a versatile analytical technique for the direct analysis of solid samples. The application of a pulsed power supply to the glow discharge (GD) has a number of advantages in comparison with a continuous one and thereby broadens the analytical potential of the GD. However, because the pulsed GD (PGD) is a relatively new operation mode, the pulsing and plasma parameters as well as their influence on the analytical performance of the GD are not yet comprehensively studied. The aim of this dissertation consists in the investigation of the PGD features, which are crucial for both understanding the discharge plasma processes and analytical applications. The influence of the pulsing parameters on the PGD is ascertained and compared for direct current (dc) and radio frequency (rf) discharges. In the research attention is firstly paid on the electrical parameters of PGD, then on the sputtered crater shapes, sputtering rates and finally on the light emission. It is found that the sputtered crater shape is strongly affected by the duration of the applied pulses even when the duty cycle is fixed. The pulse length influences the intensity of the light emission as well (at constant duty cycle). Moreover this influence is different for emission lines of atoms and ions in the plasma. This phenomenon can be seen at the comparison of atomic and ionic lines of different elements. The voltage–current plots of the PGD are found to indicate heating of the discharge gas when operating at high duty cycles. Using this feature a new method for the estimation of the discharge gas temperature from the voltage-current characteristics of the PGD is developed. The calculated temperature values are compared with another temperature measurement technique. Different temperature estimation procedures have shown that the discharge gas temperature can be reduced by around 100 K when PGD is applied. The temperature measurements have also confirmed that the gas heating can be adjusted by variation of the pulsing parameters. The effect of sputtering on the Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) layer surface of the solar cells is described for the first time. SEM investigations of the CIGSe layer of the solar cells have shown that sputter induced effects can be reduced by variation of the pulsing parameters. With regard to the question whether dc and rf pulsed discharges behave similarly: nearly all phenomena found with dc discharges also appear in the rf case. Hence it is concluded that the pulsed rf and dc discharges are very similar in terms of the electrical properties, sputtered crater formation, light emission and temperature. It is concluded that matrix specific, as well as matrix independent quantification principles and the intensity correction developed by Arne Bengtson can be applied for the pulsed mode, if special conditions are fulfilled. CIGSe solar cell samples and thin layered electrode metallizations of SAW devices are measured and quantified with application of PGD. The proposed quantification procedures are performed at commercial GD OES devices and can be used for the analysis with application of pulsed rf discharge. The studies of the PGD performed in this dissertation are relevant for the application of the GD OES analysis in materials science. During the collaborative work with Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie and with the research group of Dr. Thomas Gemming at IFW Dresden the optimized pulsed GD OES measurements could be successfully applied at the investigation of thin film solar cells with CIGSe light absorbing layer and electrode matallizations of SAW devices. In case of solar cell samples pulsed GD OES depth profiling along with SIMS measurements reveal the role of the Al2O3 barrier layer in high efficiency solar cells consisting of a CIGSe/Mo/Al2O3/steel substrate layer stack (the barrier layer is to prevent the Fe diffusion into the CIGSe). The features of the CIGSe films growth are studied with help of pulsed GD OES and in situ synchrotron XRD measurements. The diffusion coefficient of Zn into the CuInS2 layer is determined for the first time from the measured GD OES depth profiles of the corresponding solar cell samples. In case of SAW samples, pulsed GD OES measurements helped to evaluate the different SAW electrode preparation procedures and to select the most suitable one. In addition pulsed GD OES depth profiling along with XPS, TEM-EDX and electrode lifetime measurements indicate the possible mechanism of power durability and lifetime improvement of the SAW devices when a small amount of Al is added to the Cu-based electrodes. / Die optische Glimmentladungsspektroskopie (engl. Glow Discharge Optical Emission Spectrometry - GD OES) hat sich als eine vielfältige und schnelle Methode für die direkte Analyse von festen Materialien erwiesen. Die Anwendung von gepulsten Glimmentladungen (GD) bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu einer kontinuierlichen Entladung und erweitert dadurch das analytische Potential der Methode. Die praktische Anwendung von gepulsten GD erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Prozesse, die in der Entladung und im elektrischen System ablaufen. Der Einfluss der Puls- und Plasmaparameter auf die analytische Leistung der gepulsten GD ist bislang noch nicht umfassend erforscht worden. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Untersuchung der Eigenschaften der gepulsten GD, welche von besonderer Bedeutung sowohl für das Verständnis des Entladungsprozesses als auch für analytische Anwendungen ist. Die Auswirkungen der Pulsparameter auf die gepulste GD wurde für den Gleichstrom-(DC) und Hochfrequenz- (HF) Modus untersucht und verglichen. Die Reihenfolge der Untersuchungen wurde in dieser Arbeit wie folgt gewählt: elektrische Parameter, Sputterkraterformen, Sputterraten und Lichtemission. Die Form des Sputterkraters korreliert stark mit der Pulsdauer, selbst wenn das Tastverhältnis konstant ist. Die Pulsdauer beeinflusst nicht nur die Kraterform, sondern auch die Intensität der Emissionslinien (bei konstantem Tastverhältnis). Darüber hinaus ist dieser Einfluss unterschiedlich für Atome und Ionen. Dieses Verhalten wurde an mehreren Emissionslinien (atomar bzw. ionisch) nachgewiesen. Aus der Analyse der U-I-Kennlinien der gepulsten GD ergab sich, dass es zu einer Erhitzung des Plasmas bei höherem Tastverhältnis kommt. Dieser Effekt wurde zur Bestimmung der Plasma-Gastemperatur ausgenutzt. Die ermittelten Temperaturen wurden mit einer andere Methode verglichen. Aus der Abschätzung ergab sich, dass die Plasmatemperatur bei gepulsten GD um bis zu 100 K gesenkt werden und durch die Pulsparameter genauer eingestellt werden kann. Der Einfluss des Sputterns auf Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) Dünnschichten von Solarzellen wurde erstmals beschrieben. REM-Untersuchungen an GD-gesputterten CIGSe Schichten haben gezeigt, dass die Sputtereffekte durch die Variation der Pulsparameter reduziert werden können. Es konnte gezeigt werden, dass HF- und DC-Entladungen dieselben Effekte aufweisen und sich nur geringfügig voneinander unterscheiden. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass DC- und HF-Entladungen in Bezug auf elektrische Eigenschaften, Kraterformen, Lichtemission und Temperatur sehr ähnlich sind. Die Quantifizierung der mit gepulsten GD gemessenen Tiefenprofile ergab ferner, dass die Anwendung der Quantifizierungsmethoden für den kontinuierlichen Modus unter den gegebenen Bedingungen zulässig ist. Die Tiefenprofile von Solarzellen-Schichten sowie SAW-Metallisierungen wurden anhand gepulster GD gemessen und quantifiziert. Die empfohlenen Quantifizierungsmethoden können mit kommerziellen GD OES-Geräten durchgeführt werden. Die Untersuchungen an gepulsten GD sind insbesondere relevant für GD OES-Anwendungen im Bereich der Werkstoffwissenschaft. Während der Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Arbeitsgruppe von Dr. Thomas Gemming (IFW Dresden) konnten optimierte, gepulste GD OES Messungen erfolgreich zur Untersuchung von Dünnschicht-Solarzellen bzw. hochleistungsbeständigen SAW-Metallisierungen angewendet werden. Für die Solarzellen haben GD OES und SIMS Messungen geholfen, die Rolle der Al2O3-Barriere in CIGSe/Mo/Al2O3 Schichtstapeln auf flexiblem Stahlsubstrat besser zu verstehen (Al2O3 soll die Diffusion der Fe-Atome in CIGSe verhindern). Die gemeinsame Untersuchung getemperter CIGSe-Schichten mit gepulster GD OES und in-situ Synchrotron-XRD ergab neue Erkenntnisse zum Schichtwachstum. Der Diffusionskoeffizient von Zn in CuInS2 wurde erstmals aus GD OES-Tiefenprofilen bestimmt. Im Fall der SAW-Metallisierungen konnte die GD OES zur Bestimmung des geeignetsten Herstellungsverfahrens einen wichtigen Beitrag leisten. Die gepulste GD OES hat neben anderen Untersuchungsmethoden wie TEM-EDX, XPS und Lebensdauermessungen die Verbesserung der Leistungsbeständigkeit von Cu-Metallisierungen durch geringen Al-Zusatz aufklären können.

This article describes the compositional depth profiling (CDP) of diamond-like carbon (DLC) layers by Glow Discharge-Optical Emission Spectrometry (GD-OES). The DLC layers were deposited on flat steel samples. Analysis by using a Charge Coupled Device (CCD) GD-OES instrument revealed saturation effects of the carbon lines at 156 nm and 165 nm. Therefore, the application of these lines for CDP of DLC layers is not possible. A third line at 193 nm was not affected by this saturation effect and is therefore a good choice for calibration. A second effect was observed as a non-flat crater in combination with large differences of the sputtering rate factor of the substrate (1.1) and the DLC (0.032) led to an unusual behaviour at the interface between the DLC layer and substrate. Both measurements of the crater shape and of the sputtered coating weight up to the interface and just behind it showed clearly that about 30% of the DLC layer remains at the crater edge, once the crater centre reaches the interface. This was found to be the main reason for the incorrect DLC-layer thickness, if the intersection between the carbon and iron concentration was used as a measure for the end of the DLC layer.

Die vorliegende Arbeit hat zum Ziel, ausgehend vom aktuellen Stand der Technik, die Möglichkeiten der optische Glimmentladungsspektroskopie (GD-OES) für Tiefenprofilanalysen dünner und dünnster Schichten (Schichtdicken = 1 bis 100 nm) zu bestimmen und geeignete instrumentelle und methodischen Modifikationen vorzuschlagen, um die Einsatzmöglichkeiten weiter auszubauen. Dies gilt gleichermaßen unter Berücksichtigung der Anforderungen des Einsatzes im Routinebetrieb (geringe Bruttoanalysezeit und Reproduzierbarkeit) sowie in der Erforschung und der Entwicklung dünner Schichten (geringe Nachweisgrenzen, hohe Flexibilität zum Beispiel bei den analysierbaren Elementen oder der Leitfähigkeit der Proben, geringe Matrixeffekte, etc.). Während jeder GD-OES Analyse finden drei räumlich und zeitlich getrennte Teilprozesse statt: (A) durch das Zerstäuben der Oberfläche wird die Probe in der lateralen Ausdehnung des Anodendurchmessers in die Tiefe abgetragen und in die atomaren Bestandteile zerlegt (Sputterprozess); (B) in das Plasmagebiet diffundierte Partikel reagieren mit dem Analysegas (i. d. R. Argon), dadurch werden die Atome (und Ionen) der Probe in angeregte Zustände versetzt, im nachfolgenden Relaxationsschritt emittieren diese unter anderem Photonen einer charakteristischen Wellenlänge, die (C) alle in einem Detektionssystem (Mono- bzw. Polychromator oder CCD-Spektrometer) in ihrer Intensität als Funktion der spektralen Wellenlänge und der Zeit erfasst werden. Ein Vorteil der Methode, die niedrige Analysendauer bedingt durch den vergleichsweise hohen Sputterabtrag bewirkt, dass die Analyse dünner Schichten innerhalb weniger – im Extremfall sogar nur innerhalb von Bruchteilen von – Sekunden stattfindet. Dies lässt die Herausforderungen für die Analyse dünner Schichten verstehen. Der unter anderem von den elektrischen Entladungsbedingungen abhängige Sputterprozess und die komplexen Reaktionen im Plasma müssen möglichst unmittelbar (< 50 ms) nach dem Zündvorgang in einen stabilen Zustand übergehen. Einerseits ist dies instrumentell durch eine Anpassung der Steuer- und Regelungstechnik (z. B. Wahl geeigneter Druckregelventile, -sensoren, etc.) gelungen. Andererseits beeinflussen die unvermeidlichen Kontaminationen [Wasser(filme) und Kohlenwasserstoffe], die in das Plasmagebiet diffundieren, negativ die Stabilität die Entladung. Die Hauptstrategie zur Unterdrückung dieser ‚Dreckeffekte’ sind erfolgreich verschiedene Wege der ex-situ (maximalmögliche Reduzierung der Leckrate, Einsatz von Hochvakuumbauteilen, Einführung von Richtlinien zur Vakuumhygiene) und in-situ Dekontamination (aktive Desorptionsminderung durch ein Vorsputtern mit Si) gewählt worden. Erst in der Summe aller apparativen Verbesserungen ist die Voraussetzung für die Verwendung der Glimmentladungsspektroskopie als zuverlässige Methode der Dünnschichtanalytik gegeben. Für die laborpraktischen Arbeiten wurde während der sukzessiven Optimierung des Vakuumsystems als Nebenergebnis ein anwenderfreundlicher Schnelltest zur Charakterisierung des Geräts für Kurz- und Langzeitvergleiche entwickelt. Dieser wertet die Abpumpkurven bzw. Druckanstiegskurven aus. In Abhängigkeit der Bedürfnisse und dem Aufwand des Anwenders lassen sich interessante Parameter, wie das effektive Saugvermögen, eine Zeitkonstante für die Gasabgabe oder die Leckrate IL bestimmen. Die Bandbreite der untersuchten Proben ist dabei ähnlich unterschiedlich, wie die Fragestellungen: leitfähige und nichtleitfähige Proben; Nachweis und Bestimmung von Matrixelementen, Legierungsbestandteilen oder Spuren; Einfach-, Mehrlagen- und Wechselschichten, Oberflächen- und Zwischenschichten; Adsorbate an Ober- und Grenzflächen, Schichtdickenhomogenität als Teil der Qualitätskontrolle, etc. Ein Teil dieser Schichtsysteme sind in dieser Arbeit ausführlicher diskutiert worden. Das Hartstoffschichtsystem TiN gehört mit den Schichtdicken von 0,5 bis 3 µm zwar eher zu den dicken Schichten, wobei besonders der oberflächennahe Bereich (< 100 nm) zuverlässig untersucht wurde (vgl. Kap. 4.1). Mit dem Nachweis und der Quantifizierung von in der Grenzfläche (100 bzw. 1000 nm unter der Oberfläche) zwischen den elektrochemisch (ECD-Cu) und physikalisch (PVD-Cu) abgeschiedenen Cu-Schichten versteckten Adsorbaten bietet GD-OES dem Schichthersteller oder dem Werkstoffwissenschaftler wichtige Informationen, um zum Beispiel gezielt Gefügeänderungen für die Erhöhung der Elektromigrationsresistenz einzustellen. Es wurde einerseits die prinzipielle Machbarkeit und andererseits auch die Grenzen der Methode im Vergleich mit TOF-SIMS gezeigt. Ein weiteres Schichtsystem aus der Mikroelektronik ist im anschließenden Kap. 4.3 Gegenstand der GD-OES Untersuchungen. Dabei wurde nicht nur die Schichtdicken von 10 bis 50 nm dünnen TaN-Barriereschichten, sondern auch die Homogenität der Schichtdicken über einen kompletten 6’’ Wafer bestimmt. Die nachzuweisenden Unterschiede liegen im Bereich von einigen Angström bis zu wenigen Nanometern. Die GD-OES Untersuchungen von TaN zeigen zu Beginn und in der Nähe der Grenzfläche zum Substrat ungewöhnliche Intensitätsverläufe von Ta und N. Erst in Kombination mit anderen oberflächenanalytischen Verfahren (XPS und AES) gelang die Interpretation der Messergebnisse. Aus der Summe aller Argumente wird die Hypothese formuliert, dass sich im Fall des Zerstäubungsprozesses von TaN wegen der großen Unterschiede in den Atommassen ein Vorzugssputtern (engl. preferential sputtering) herausbildet. Bei anderen sputternden Verfahren, z. B. SIMS, ist dieses Phänomen längst bekannt und wurde auch für die Glimmentladungsspektroskopie vermutet. Dies konnte bislang allerdings noch nie beobachtet werden. Rechnungen mit einem Simulationsprogramm für Kollisionsvorgänge aufgrund ballistischer Effekte (TRIDYN) stützen diese Hypothese. Begünstigt wurde die Beobachtung des Vorzugssputterns durch die sauberen Messbedingungen, durch die man in Lage versetzt war, Anfangspeaks klar von Kontaminationspeak zu unterscheiden. Das vorletzte Kapitel 4.4 beschäftigt sich mit Schichten im untersten Nanometerbereich (< 5 nm). Es zeigt sich, dass die wenige Nanometer dicken, natürlichen Oxidschichten deutlich besser analysierbar sind, wenn man die in der Arbeit vorgestellte in-situ Dekontamination durch ein Vorsputtern anwendet. Die GD-OES Untersuchungen an organischen Monolagenschichten in Kap. 4.5 sind Teil einer aktuellen wissenschaftlichen Diskussion innerhalb der weltweiten GD-OES Fachwelt. Die von KENICHI SHIMIZU vorgestellten Ergebnisse konnten am Beispiel von Thioharnstoff mit RF bestätigt und erstmals auch mit einer DC-Entladung gezeigt werden. Das Verfahren der GD-OES kann qualitativ die Existenz von monomolekularen Schichten im Subnanometerbereich nachweisen. Allerdings stellen die Ergebnisse von Substraten mit anderen Molekülen die Interpretation der Intensitäts-Zeitprofile in Frage. Ein anderer Interpretationsansatz wird als Hypothese formuliert, konnte jedoch noch nicht verifiziert werden. Mit den vorgestellten Optimierungen der Messtechnik lassen sich die Möglichkeiten der Anwendung der optischen Glimmentladungsspektroskopie für die Untersuchungen dünner und dünnster Schichten deutlich erweitern.

Glow Discharge Optical Emission Spectrometry (GD OES) has proved to be a versatile analytical technique for the direct analysis of solid samples. The application of a pulsed power supply to the glow discharge (GD) has a number of advantages in comparison with a continuous one and thereby broadens the analytical potential of the GD. However, because the pulsed GD (PGD) is a relatively new operation mode, the pulsing and plasma parameters as well as their influence on the analytical performance of the GD are not yet comprehensively studied. The aim of this dissertation consists in the investigation of the PGD features, which are crucial for both understanding the discharge plasma processes and analytical applications. The influence of the pulsing parameters on the PGD is ascertained and compared for direct current (dc) and radio frequency (rf) discharges. In the research attention is firstly paid on the electrical parameters of PGD, then on the sputtered crater shapes, sputtering rates and finally on the light emission. It is found that the sputtered crater shape is strongly affected by the duration of the applied pulses even when the duty cycle is fixed. The pulse length influences the intensity of the light emission as well (at constant duty cycle). Moreover this influence is different for emission lines of atoms and ions in the plasma. This phenomenon can be seen at the comparison of atomic and ionic lines of different elements. The voltage–current plots of the PGD are found to indicate heating of the discharge gas when operating at high duty cycles. Using this feature a new method for the estimation of the discharge gas temperature from the voltage-current characteristics of the PGD is developed. The calculated temperature values are compared with another temperature measurement technique. Different temperature estimation procedures have shown that the discharge gas temperature can be reduced by around 100 K when PGD is applied. The temperature measurements have also confirmed that the gas heating can be adjusted by variation of the pulsing parameters. The effect of sputtering on the Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) layer surface of the solar cells is described for the first time. SEM investigations of the CIGSe layer of the solar cells have shown that sputter induced effects can be reduced by variation of the pulsing parameters. With regard to the question whether dc and rf pulsed discharges behave similarly: nearly all phenomena found with dc discharges also appear in the rf case. Hence it is concluded that the pulsed rf and dc discharges are very similar in terms of the electrical properties, sputtered crater formation, light emission and temperature. It is concluded that matrix specific, as well as matrix independent quantification principles and the intensity correction developed by Arne Bengtson can be applied for the pulsed mode, if special conditions are fulfilled. CIGSe solar cell samples and thin layered electrode metallizations of SAW devices are measured and quantified with application of PGD. The proposed quantification procedures are performed at commercial GD OES devices and can be used for the analysis with application of pulsed rf discharge. The studies of the PGD performed in this dissertation are relevant for the application of the GD OES analysis in materials science. During the collaborative work with Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie and with the research group of Dr. Thomas Gemming at IFW Dresden the optimized pulsed GD OES measurements could be successfully applied at the investigation of thin film solar cells with CIGSe light absorbing layer and electrode matallizations of SAW devices. In case of solar cell samples pulsed GD OES depth profiling along with SIMS measurements reveal the role of the Al2O3 barrier layer in high efficiency solar cells consisting of a CIGSe/Mo/Al2O3/steel substrate layer stack (the barrier layer is to prevent the Fe diffusion into the CIGSe). The features of the CIGSe films growth are studied with help of pulsed GD OES and in situ synchrotron XRD measurements. The diffusion coefficient of Zn into the CuInS2 layer is determined for the first time from the measured GD OES depth profiles of the corresponding solar cell samples. In case of SAW samples, pulsed GD OES measurements helped to evaluate the different SAW electrode preparation procedures and to select the most suitable one. In addition pulsed GD OES depth profiling along with XPS, TEM-EDX and electrode lifetime measurements indicate the possible mechanism of power durability and lifetime improvement of the SAW devices when a small amount of Al is added to the Cu-based electrodes. / Die optische Glimmentladungsspektroskopie (engl. Glow Discharge Optical Emission Spectrometry - GD OES) hat sich als eine vielfältige und schnelle Methode für die direkte Analyse von festen Materialien erwiesen. Die Anwendung von gepulsten Glimmentladungen (GD) bietet eine Reihe von Vorteilen im Vergleich zu einer kontinuierlichen Entladung und erweitert dadurch das analytische Potential der Methode. Die praktische Anwendung von gepulsten GD erfordert jedoch ein tiefes Verständnis der Prozesse, die in der Entladung und im elektrischen System ablaufen. Der Einfluss der Puls- und Plasmaparameter auf die analytische Leistung der gepulsten GD ist bislang noch nicht umfassend erforscht worden. Die Zielstellung dieser Arbeit besteht in der Untersuchung der Eigenschaften der gepulsten GD, welche von besonderer Bedeutung sowohl für das Verständnis des Entladungsprozesses als auch für analytische Anwendungen ist. Die Auswirkungen der Pulsparameter auf die gepulste GD wurde für den Gleichstrom-(DC) und Hochfrequenz- (HF) Modus untersucht und verglichen. Die Reihenfolge der Untersuchungen wurde in dieser Arbeit wie folgt gewählt: elektrische Parameter, Sputterkraterformen, Sputterraten und Lichtemission. Die Form des Sputterkraters korreliert stark mit der Pulsdauer, selbst wenn das Tastverhältnis konstant ist. Die Pulsdauer beeinflusst nicht nur die Kraterform, sondern auch die Intensität der Emissionslinien (bei konstantem Tastverhältnis). Darüber hinaus ist dieser Einfluss unterschiedlich für Atome und Ionen. Dieses Verhalten wurde an mehreren Emissionslinien (atomar bzw. ionisch) nachgewiesen. Aus der Analyse der U-I-Kennlinien der gepulsten GD ergab sich, dass es zu einer Erhitzung des Plasmas bei höherem Tastverhältnis kommt. Dieser Effekt wurde zur Bestimmung der Plasma-Gastemperatur ausgenutzt. Die ermittelten Temperaturen wurden mit einer andere Methode verglichen. Aus der Abschätzung ergab sich, dass die Plasmatemperatur bei gepulsten GD um bis zu 100 K gesenkt werden und durch die Pulsparameter genauer eingestellt werden kann. Der Einfluss des Sputterns auf Cu(In,Ga)Se2 (CIGSe) Dünnschichten von Solarzellen wurde erstmals beschrieben. REM-Untersuchungen an GD-gesputterten CIGSe Schichten haben gezeigt, dass die Sputtereffekte durch die Variation der Pulsparameter reduziert werden können. Es konnte gezeigt werden, dass HF- und DC-Entladungen dieselben Effekte aufweisen und sich nur geringfügig voneinander unterscheiden. Daraus kann geschlussfolgert werden, dass DC- und HF-Entladungen in Bezug auf elektrische Eigenschaften, Kraterformen, Lichtemission und Temperatur sehr ähnlich sind. Die Quantifizierung der mit gepulsten GD gemessenen Tiefenprofile ergab ferner, dass die Anwendung der Quantifizierungsmethoden für den kontinuierlichen Modus unter den gegebenen Bedingungen zulässig ist. Die Tiefenprofile von Solarzellen-Schichten sowie SAW-Metallisierungen wurden anhand gepulster GD gemessen und quantifiziert. Die empfohlenen Quantifizierungsmethoden können mit kommerziellen GD OES-Geräten durchgeführt werden. Die Untersuchungen an gepulsten GD sind insbesondere relevant für GD OES-Anwendungen im Bereich der Werkstoffwissenschaft. Während der Zusammenarbeit mit dem Helmholtz-Zentrum Berlin für Materialien und Energie und der Arbeitsgruppe von Dr. Thomas Gemming (IFW Dresden) konnten optimierte, gepulste GD OES Messungen erfolgreich zur Untersuchung von Dünnschicht-Solarzellen bzw. hochleistungsbeständigen SAW-Metallisierungen angewendet werden. Für die Solarzellen haben GD OES und SIMS Messungen geholfen, die Rolle der Al2O3-Barriere in CIGSe/Mo/Al2O3 Schichtstapeln auf flexiblem Stahlsubstrat besser zu verstehen (Al2O3 soll die Diffusion der Fe-Atome in CIGSe verhindern). Die gemeinsame Untersuchung getemperter CIGSe-Schichten mit gepulster GD OES und in-situ Synchrotron-XRD ergab neue Erkenntnisse zum Schichtwachstum. Der Diffusionskoeffizient von Zn in CuInS2 wurde erstmals aus GD OES-Tiefenprofilen bestimmt. Im Fall der SAW-Metallisierungen konnte die GD OES zur Bestimmung des geeignetsten Herstellungsverfahrens einen wichtigen Beitrag leisten. Die gepulste GD OES hat neben anderen Untersuchungsmethoden wie TEM-EDX, XPS und Lebensdauermessungen die Verbesserung der Leistungsbeständigkeit von Cu-Metallisierungen durch geringen Al-Zusatz aufklären können.