REM- und AFM-Aufnahmen

Der Erfolg der Oberflächenstrukturierung hängt sowohl von einer sorgfältigen Präparation der Proben, als auch den Parametern beim Argonionenätzen ab. Im folgenden soll der Zusammenhang zwischen den Ätzparametern und der Qualität der Strukturierung evaluiert werden.

Wie in Kapitel 2.1 ausführlich dargestellt, wird der Ätzprozeß allgemein durch drei Parameter bestimmt: Die Beschleunigungsspannung $U_A$, die Argonionendichte $\varrho _A$ und die Zeit $t$ (vgl. Formel 2.2). Da für jede eingestellte Beschleunigungsspannung eine jeweils konstante Argonionendichte eingestellt wurde (vgl. Tabelle 2.2), bestimmen nur zwei Parameter den Ätzprozeß: Die Zeit $t$ und die Strahlungsdichte $\varepsilon _A$, die sich aus Beschleunigungsspannung und Argonionendichte zusammensetzt (vgl. Formel 2.3).

Die Ergebnisse der Ätzprozesse bei unterschiedlichen Parameterwerten sind im Allgemeinen so, daß eine Strukturierung der Oberfläche nur in sehr begrenzten Bereichen von $\varepsilon _A$ und $t$ gelingt. Bei zu niedrigen Werten erfolgt noch keine Strukturierung und bei zu hohen Werten wird die strukturierte Probe wieder zerstört.

Bei zu wenig geätzten Proben ist mit dem REM keine Struktur zu sehen, sondern nur die kontrastlose Oberfläche des aufgesputterten Metalls (ohne Abbildung).

Innerhalb eines begrenzten Parameterbereichs findet man mit dem REM eine hexagonale Struktur auf der Probe. Abbildung 3.1 zeigt einen gelungenen Strukturübertrag auf die Py Schicht. Das Metall, daß eine größere Atommasse hat, hebt sich durch einen helleren Kontrast gegenüber dem Silizium ab.

Abbildung 3.1: REM Bild von Py mit der Bewertung 3 bei den Ätzparametern $\varepsilon_A=2,5$VA/m$^2$ und $t=50$sec. Der Strukturübertrag ist erfolgreich. Erklärung der Bildausschnitte siehe Text.

Am Beispiel von Abbildung 3.1 wird nun kurz auf die Besonderheiten aller REM Bilder eingegangen. Der weiße Balken in der linken unteren Ecke entspricht in jedem Bild einer Länge von 100nm. In der rechten oberen Ecke ist das Zentrum der schon gefilterten Fouriertransformation eines ausgewählten Quadrates zu sehen. Das Zentrum der FT wurde um den Faktor 2 vergrößert dargestellt, um den interessanten Teil der FT hervorzuheben. Etwa in der Mitte des Bildes ist außerdem die Rücktransformation der gefilterten Fouriertransformation zu sehen. Die in der Bildunterschrift angegebene Bewertung erfolgte nach dem in Kapitel 2.2.3 beschriebenen Verfahren.

Die FT in Abbildung 3.1 zeigt mit hellen, hexagonal angeordneten Punkten eindeutig die hexagonale Symmetrie. Auch die Rücktransformation der gefilterten FT macht deutlich, daß die hexagonale Struktur des HPI-layers auf die dünne Metallschicht übertragen wurde. Für Permalloy sind die Ätzparameter der Probe von Abbildung 3.1 ( $\varepsilon_A=2,5$VA/m$^2$, $t=50$sec) am besten zur Strukturierung geeignet.

Bei zu großen Werten für $\varepsilon _A$ oder $t$ erfolgt keine Strukturierung. Die Orte an denen HPI-layer Stücke lagen, sind im REM zwar häufig noch zu finden, jedoch ist die Oberfläche dort nicht mehr hexagonal geordnet. Abbildung 3.2 zeigt eine Permalloy Probe, die mit zu hoher Strahlungsdichte $\varepsilon _A$ geätzt wurde. Der Rand eines HPI-layers ist noch deutlich zu sehen, jedoch ohne hexagonale Symmetrie. Die FT zeigt ein kreisförmiges Rauschen, aber keine Struktur. Die Oberfläche erscheint so, als ob dort viele kleine Metallkügelchen ungeordnet auf der Probe sitzen.

Abbildung 3.2: REM Bild von Py mit der Bewertung 1 bei den Ätzparametern $\varepsilon_A = 12,5$VA/m$^2$ und $t=50$sec. Der Strukturübertrag erfolgt nicht, da $\varepsilon _A$ zu groß ist.

Abbildung 3.3 ist ein dagegen ein Beispiel für einen zu langen Ätzprozeß, während die Strahlungsdichte $\varepsilon _A$ noch in einem guten Bereich ist. Abbildung 3.3 zeigt den Teil der Oberfläche der Probe, wo ursprünglich ein HPI-layer war. Es ist jedoch keine Struktur mehr zu erkennen. Auch die FT läßt keine hexagonale Struktur erkennen.

Abbildung 3.3: REM Bild von Py mit der Bewertung 1 bei den Ätzparametern $\varepsilon_A=6$VA/m$^2$ und $t=83$sec. Der Strukturübertrag erfolgt nicht, da $t$ zu groß ist.

Der übliche Ätzprozeß ist kontinuierlich, d.h. die Probe wird kontinuierlich für ein gewisse Zeit $t$ mit Argonionen beschossen. Im Anschluß daran werden die Proben aus der Argonionenätzanlage herausgenommen und im Mikroskop untersucht.

Die Möglichkeit einer Mehrfachätzung wurde an einigen Co Proben getestet. Die Proben wurden mit sehr gut geeigneten Parametern ( $\varepsilon_A=0,75$VA/m$^2$, $t=50$sec) mehrfach nacheinander geätzt. Zwischen den einzelnen Ätzvorgängen wurden die Proben nur für wenige Minuten an der Luft gelagert, bevor sie wieder in die Ätzanlage eingeschleust wurden. Bis zu viermal konnten die Proben geätzt werden, obwohl ein einzelner viermal so lange dauernder Ätzprozeß ohne Unterbrechung ( $\varepsilon_A=0,75$VA/m$^2$, $t=200$sec) keinen Strukturübertrag hervorbrachte.

Die erhaltenen Parameter für eine gelungene Strukturierung der Oberfläche gelten immer für einen durchgehenden Ätzprozeß.

Für alle sechs getesteten Metalle wurden Ätzparameter gefunden, bei denen die Strukturierung der Oberfläche erfolgreich ist. Abbildungen 3.4 bis 3.8 zeigen strukturierte Schichten aus Kobalt (Co), Eisen (Fe), Eisen-Kobalt (Fe$_{50}$Co$_{50}$), Kobalt-Nickel (Co$_{43}$Ni$_{57}$) und Titan (Ti) bei den jeweils besten Ätzparametern. Eine strukturierte Schicht aus Permalloy (Py) wurde schon in Abbildung 3.1 gezeigt. In allen Bildern ist die hexagonale Struktur deutlich zu erkennen. Bei Fe und Ti ist die hexagonale Struktur im Ursprungsbild zwar nur sehr schwach sichtbar, die gefilterte FT zeigt aber auch dort eindeutig die hexagonale Struktur. Der Kontrast im REM war für Fe und Ti im Allgemeinen schwächer. Der Grund dafür ist vermutlich eine etwas geringere Schichtdicke und bei Ti außerdem die geringere Atommasse.

Abbildung 3.4: REM Bild von Co mit der Bewertung 3 bei den Ätzparametern $\varepsilon_A=0,75$VA/m$^2$ und $t=50$sec.

Abbildung 3.5: REM Bild von Fe mit der Bewertung 3 bei den Ätzparametern $\varepsilon_A=9$VA/m$^2$ und $t=17$sec.

Abbildung 3.6: REM Bild von Fe$_{50}$Co$_{50}$ mit der Bewertung 3 bei den Ätzparametern $\varepsilon_A=2,5$VA/m$^2$ und $t=33$sec.

Abbildung 3.7: REM Bild von Co$_{43}$Ni$_{57}$ mit der Bewertung 3 bei den Ätzparametern $\varepsilon_A=2,5$VA/m$^2$ und $t=67$sec.

Abbildung 3.8: REM Bild von Ti mit der Bewertung 3 bei den Ätzparametern $\varepsilon_A=2,5$VA/m$^2$ und $t=33$sec.

Wie bereits erwähnt, zeigen REM Bilder nur Kontrast, wenn verschiedenen Materialien oder ausgeprägte Topographie auftreten. In den Aufnahmen sind hervorstehende 10nm große Nanodots grundsätzlich nicht von gleichgroßen Nanoscreens zu unterscheiden. Da die REM Aufnahmen keine hinreichende Höheninformation über die Oberflächenstruktur der Probe geben, wurden zusätzliche Untersuchungen mit dem AFM durchgeführt. Die AFM Aufnahmen ergänzen durch ihre topographischen Informationen die Untersuchungen mit dem REM.

Abbildung 3.9 ist ein AFM Bild einer Py Probe mit der Bewertung 3. In der rechten oberen Ecke ist die Höhenskala und in der rechten unteren Ecke ist die gefilterte FT des Ausschnittes zu sehen. Auch hier ist die FT um den Faktor zwei vergrößert, um das interessante Zentrum der FT hervorzuheben. Im AFM Bild ist eine regelmäßige, hexagonale Struktur zu sehen und die gefilterte FT des AFM Bildes zeigt ein deutliches Hexagon. Ein Vergleich des AFM Bildes mit einem REM Bild der gleichen Probe (Abbildung 3.10) zeigt, daß in beiden Bildern die gleiche hexagonale Struktur zu sehen ist. An den Stellen, wo die HPI-layer gelegen haben, befinden sich jeweils etwa 10nm große Dots. Die Dots sind in einer hexagonalen Struktur mit einer Gitterkonstanten von etwa 18nm angeordnet. Die schlechtere Qualität des AFM Bildes ist durch Verunreinigungen auf der Probenoberfläche zu erklären. Die Verunreinigungen können einerseits Staubteilchen und andererseits auch Reste des HPI-layers sein. In beiden Fällen bestehen die Verunreinigungen hauptsächlich aus Kohlenstoff und sind sehr dünn. Sie geben daher kaum Kontrast im REM.

Abbildung 3.9: AFM Bild von Py mit der Bewertung 3 bei den Ätzparametern $\varepsilon_A=6$VA/m$^2$ und $t=50$sec.

Abbildung 3.10: REM Bild von Py mit der Bewertung 3 bei den Ätzparametern $\varepsilon_A=6$VA/m$^2$ und $t=50$sec. Es ist dieselbe Probe wie Abbildungen 3.9 und 3.11.

Abbildung 3.11: Schnittanalyse eines Ausschnittes von Abbildung 3.9

An einem Ausschnitt des AFM Bildes wurde, mit Hilfe einer Schnittanalyse, die Höhe der Dots untersucht (Abbildung 3.11). Das Ergebnis entspricht mit 2,5nm der Schichtdicke des aufgesputterten Permalloys.

Zu dem immer gleichen Ätzprozeß wurden zwei Ausnahmen festgestellt. Für Co und FeCo wurden hexagonale Strukturen bei Proben gefunden, die gar nicht geätzt wurden. Statt der üblichen glatten Oberfläche war schon deutlich eine hexagonale Struktur zu sehen. Abbildungen 3.12 und 3.13 zeigen die Strukturierung mit der Bewertung 3 ohne einen Ätzprozeß. AFM Aufnahmen zur Klärung dieser beiden Sonderfälle waren aufgrund technischer Probleme leider nicht möglich. Auf mögliche Konsequenzen dieser beiden Messungen wird in Kapitel 3.3 eingegangen.

Abbildung: REM Bild von Co ohne Ätzen mit der Bewertung 3

Abbildung: REM Bild von Fe$_{50}$Co$_{50}$ ohne Ätzen mit der Bewertung 3

Als letztes soll hier nun ein Überblick über die möglichen Bereiche der Ätzparameter für erfolgreiche Strukturierungen gegeben werden. Die deponierte Energiedichte $\Phi _A$ (vgl. Formel 2.2) charakterisiert als Produkt der einzelnen Parameter den Ätzprozeß in seiner Gesamtheit. In Tabelle 3.1 sind für jedes getestete Metall die Bereiche der deponierten Energiedichte angegeben, in denen der Strukturübertrag erfolgreich ist. Es fällt auf, daß Co und FeCo den größten Ätzbereich haben, während die Strukturierung von Fe und Ti nur innerhalb eines sehr kleinen Bereichs funktioniert. Außerdem zeigt die Tabelle den Umfang der Meßreihe. Sowohl Fe als auch CoNi standen leider nur für einen kurzen Zeitraum in der Sputterapparatur zur Verfügung und konnten daher nur in geringem Maße getestet werden.

Tabelle: Bereiche der deponierten Energiedichte $\Phi _A$, in denen durch das Argonionenätzen regelmäßige Nanostrukturen gebildet werden und Anzahl der untersuchten Proben pro Material.

Material	$\frac{\textrm{$\Phi_A$}}{\textrm{[VAsec/m$^2$]}}$			$\frac{\textrm{Umfang der Meßreihe}}{\textrm{[Probenanzahl]}}$
Co	0	--	1880	70
Fe	0,43	--	150	12
Fe$_{50}$Co$_{50}$	0	--	1350	34
Co$_{43}$Ni$_{57}$	1,02	--	540	8
Py	0,38	--	600	22
Ti	0,25	--	80	33

Die deponierte Energiedichte beschreibt den Ätzprozeß in seiner Gesamtheit, kann aber eine präzise Beschreibung nicht leisten. So kommt es z.B. vor, daß bei einer Kombination der Parameter der Strukturübertrag gelingt und bei einer anderen Kombination nicht, obwohl das Produkt der Parameter jeweils den selben Wert für $\Phi _A$ ergibt. Daher muß eine genaue Beschreibung des Ätzprozesses in Abhängigkeit der einzelnen Variablen geschehen.

Die folgenden 3D Plots zeigen die Bewertungen der Proben jeweils in Abhängigkeit der beiden Variablen $\varepsilon _A$ und $t$ des Ätzprozesses. Auf der x-Achse ist jeweils die Strahlungsdichte $\varepsilon _A$ in VA/m$^2$ aufgetragen, auf der y-Achse ist die Zeit $t$ in Sekunden aufgetragen und die z-Achse ist die Bewertungsskala von 1 bis 3. Mit Hilfe des Programms GNUPlot Version 3.7 wurde eine Ebene aus $40\times 40$ Punkten durch die Meßwerte gelegt und auf den Boden des 3D Plots wurden die Stellen der Ebene projiziert, die den Randwert 2 bzw. 3 haben. Die grünen Linien auf dem Boden der 3D Plots begrenzen damit den Bereich in dem die Strukturierung einwandfrei gelingt (Bewertung 3). Zwischen den grünen und blauen Linien ist die Strukturierung nur noch teilweise erfolgreich (Bewertung 2) und innerhalb der blauen Linien, bzw. zwischen den blauen Linien und dem Rand mißlingt die Strukturierung in jedem Fall (Bewertung 1).

Co hat einen großen Bereich in dem die Strukturierung mit der S-layer Maskentechnik erfolgreich ist (Abbildung 3.14). Bei Strahlungsdichten von 0 bis 4VA/m$^2$ ist der Strukturübertrag für Zeiten von 0 bis 100sec erfolgreich. Auch bei Strahlungsdichten von 4 bis 10VA/m$^2$ ist ein Strukturübertrag möglich, wenn der Ätzprozeß nicht länger als 30sec dauert. D.h. im gesamten vorderen und linken Bereich wird die Bewertung 3 erreicht. Sogar bei Strahlungsdichten von 12VA/m$^2$ und Zeiten bis 80sec gelingt die Strukturierung teilweise noch.

Die Strukturierung von Fe ist dagegen nur in einem sehr kleinen Bereich erfolgreich (Abbildung 3.15). Eine präzise Einstellung der Parameter ist erforderlich um eine Bewertung von 3 zu erreichen. Nur bei einer Ätzdauer von 17sec und einer Strahlungsdichte von 2,5 und 9VA/m$^2$ gelingt dies.

Die Bewertungsübersicht von Fe$_{50}$Co$_{50}$ (Abbildung 3.16) zeigt viele kleine Bereiche, in denen eine Strukturierung erfolgreich ist. In einem Bereich zwischen 2,5 und 5VA/m$^2$ ist die Strukturierung für beinahe jede Zeit erfolgreich. Aber auch bei einer Strahlungsdichte von 10VA/m$^2$ und einer Zeit von 17sec ist eine erfolgreiche Strukturierung möglich.

Die Strukturierung von Py gelingt am besten bei einer Strahlungsdichte um 3VA/m$^2$ und Ätzzeiten von mindestens 20sec (Abbildung 3.17). Eine teilweise erfolgreiche Strukturierung (Bewertung 2) ist in einem großen Bereich von 2 bis 8VA/m$^2$ und Zeiten von 20 bis 100sec möglich.

Ti (Abbildung 3.18) hat ähnlich wie Fe (vgl. auch Abbildung 3.15) nur einen sehr kleinen Bereich in dem die Strukturierung erfolgreich ist. Bei einer präzisen Einstellung der Ätzparameter gelingt jedoch eine Strukturierung mit der Bewertung 3. Dies ist für 0,75VA/m$^2$ und 17sec der Fall. Im Gegensatz zu Eisen, bei dem ein kurzer Ätzvorgang wichtig ist, muß für Ti die Strahlungsdichte gering sein.

Aufgrund der sehr wenigen getesteten Proben wurde für Co$_{43}$Ni$_{57}$ auf einen 3D Plot der Ergebnisse verzichtet. CoNi konnte aber auch erfolgreich strukturiert werden. Bei einer Strahlungsdichte von 2,5 bis 9VA/m$^2$ und einer Ätzdauer von etwa 33sec wurde ein Strukturierung mit der Bewertung 3 erzielt.

Abbildung: Bewertungsübersicht für den Strukturübertrag auf Co

Abbildung: Bewertungsübersicht für den Strukturübertrag auf Fe

Abbildung: Bewertungsübersicht für den Strukturübertrag auf Fe$_{50}$Co$_{50}$

Abbildung: Bewertungsübersicht für den Strukturübertrag auf Py

Abbildung: Bewertungsübersicht für den Strukturübertrag auf Ti