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Polymerfilme auf unsichtbarem Substrat

Neuartiger Röntgendetektor ermöglicht Kontrastvariation bei Streuexperimenten

PTB-News 2.2015
10.06.2015
Besonders interessant für

Nano- und Dünnschichttechnologie

Oberflächenforschung

Die innere Strukturierung technologisch relevanter Polymerfilme im Nanometer-Bereich lässt sich im Prinzip sehr gut mit Streuung von Synchrotronstrahlung im Röntgenbereich bei Wellenlängen unter 1 Nanometer untersuchen. Allerdings entsteht an der Grenzfläche des Films zum Substrat oft ebenfalls Streuung, die die Empfindlichkeit der Methode stark einschränkt. Im PTB-Laboratorium an der Synchrotronstrahlungsquelle BESSY II konnte dieser Effekt jetzt durch Kontrastvariation bei dazu passenden Wellenlängen bzw. Photonenenergien deutlich unterdrückt werden. Dabei war der Einsatz eines neuartigen Detektors für die gestreute Röntgenstrahlung entscheidend, mit dem sich die entsprechenden, meist niedrigen Photonenenergien erreichen lassen.

Horizontaler Schnitte durch GISAXS-Bilder vor (oben) und nach (unten) einer thermischen Behandlung. Jede Zeile stellt ein Intensitätsprofil (blau: gering, rot: hoch) bei einem bestimmten Einfallswinkel der Röntgen-strahlung auf die Probe dar, also bei unterschiedlicher Eindringtiefe. Die thermisch behandelte Probe zeigt das Fehlen von Signalen der oberflä-chensensitiven Streuung bei kleinen Einfallswinkeln, was den Verlust von Strukturordnung an der Oberfläche anzeigt. Die Ordnung bei größeren Einfallswinkeln, d. h. bei Streuung auch aus tieferen Schichten in der Nähe der Grenzfläche zum Substrat, bleibt erhalten.

Röntgenkleinwinkelstreuung unter streifendem Einfall (GISAXS für Grazing Incidence Small Angle X-ray Scattering) ist eine etablierte Methode zur kontaktlosen Größenbestimmung vertikaler und lateraler Oberflächenstrukturen im Bereich weniger Nanometer bis zu Mikrometern. Bei aktuellen Forschungen zu selbstorganisierten nanostrukturierten Polymerfilmen als organische Photovoltaiksysteme oder zu funktionalisierten Oberflächen für Anwendungen in der Medizin und in der Mikro- bzw. Nanoelektronik ist GISAXS manchmal die einzig verfügbare Methode der nanodimensionellen Strukturcharakterisierung. Durch den hohen Streukontrast an der Grenze zwischen Polymerfilm und Substrat entsteht jedoch oft ein hoher Anteil an Substratstreuung, welche die interessierende, aber meist schwache Streuung an den Nanostrukturen innerhalb des Polymerfilms so überlagern kann, dass eine Analyse der Daten unmöglich wird.

Mit dem neuen In-Vakuum-Hybrid-Pixel-Detektor PILATUS 1M, der in Zusammenarbeit zwischen PTB und Dectris Ltd. entwickelt worden war, konnten erstmals hochgenaue GISAXS-Messungen an Dünnschicht-Polymerfilmen auf einem Silizium-Substrat bei sehr niedrigen Röntgenenergien durchgeführt werden, nämlich im Bereich der Silizium-K-Kante bei 1,84 keV. Hier lässt sich das Silizium-Substrat durch Kontrastanpassung praktisch „unsichtbar“ für die Röntgenstreuung machen. Dadurch konnten Strukturveränderungen innerhalb der Filme vor und nach thermischer Behandlung tiefenaufgelöst beobachtet werden. In beiden Fällen zeigte sich an der Oberfläche eine Lamellenstruktur mit einer Periodenlänge von etwa 60 nm, deren Ordnung bei der thermisch behandelten Probe jedoch bereits innerhalb der ersten ca. 30 nm des 85 nm dicken Films stark verringert war.

Die Ergebnisse liefern einen wichtigen Beitrag zum tieferen Verständnis der Umordnungsprozesse in selbstorganisierten Polymerfilmen, was bei technologischen Anwendungen für eine präzise Kontrolle der Struktur von großer Bedeutung ist. Gleichzeitig wurden so die durch den In-Vakuum-PILATUS-Detektor erweiterten Messmöglichkeiten am Vierkristall-Monochromator-Strahlrohr der PTB am Elektronenspeicherring BESSY II sehr deutlich aufgezeigt.

Ansprechpartner

Michael Krumrey
Fachbereich 7.1 Radiometrie mit Synchrotronstrahlung
Telefon: (030) 3481-7110
E-Mail: Michael.Krumrey(at)ptb.de

Wissenschaftliche Veröffentlichung

J. Wernecke, H. Okuda, H. Ogawa, F. Siewert, M. Krumrey: Depth-dependent structural changes in PS-b-P2VP thin films induced by annealing. Macromolecules 47, 5719-5727 (2014)