Table Of ContentHerausgeber
Otto Bri.immer
Johannes Heydenreich
Karl Heinz Krebs
Helmut Gi.inther Schneider
Handbuch
Festkorperanalyse mit Elektronen,
lonen und Rontgenstrahlen
Herausgeber
Otto Brummer
Johannes Heydenreich
Karl Heinz Krebs
Helmut Gunther Schneider
Handbuch
Festkorperanalyse mit °Elektronen,
lonen und Rontgenstrahlen
Friedr. Vieweg & Sohn Braunschweig / Wiesbaden
ClP-Kurztitelaufnahme der Deutschen Bibliothek
Handbuch Festkorperanalyse mit Elektronen, lonen
und Rontgenstrahlen / Hrsg. Otto Briimmer '" -
Braunschweig, Wiesbaden: Vieweg, 1980.
ISBN-13: 978-3-528-08398-4 e-ISBN-13: 978-3-322-83622-9
DOl: 10.1007/978-3-322-83622-9
NE: Briimmer, Otto [Hrsg.]
1980
Aile Rechte vorbehalten
® VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, Berlin 1979
Softcover reprint of the hardcover 1st edition 1979
Lizenzausgabe fUr Friedr. Vieweg & Sohn Verlagsgesellschaft mbH, Braunschweig,
mit Genehmigung des VEB Deutscher Verlag der Wissenschaften, BerlinjDDR
Vorwort
Es ist das Ziel aller Festkorperanalyseverfahren, durch Beitrage zur Aufkllirung der
stofflichen Zusammensetzung und des strukturellen Aufbaus, insbesondere in Mikro
bereichen von Festkorpern, Zusammenhange mit entsprechenden makroskopischen
Festkorpereigenschaften aufzudecken und so Voraussetzungen ftir deren gezielte
Beeinflussung zu schaffen.
1m vorliegenden Buch werden Methoden der Festkorperanalyse mit Elektronen,
Ionen und Rontgenstrahlen insoweit beschrieben, als - abgesehen von einem.
Kapitel tiber Feldemissionsmikroskopie - sowohl zur Anregung des die Analyse
ermoglichenden physikalischen Prozesses wie auch zum Nachweis desselben jeweils
eine der drei genannten Teilchen- bzw. Strahlungsarten genutzt wird. Aus der
Ftille der Analysenprinzipien, die auf der Basis der Wechselwirkung von Teilchen
strahlung bzw. elektromagnetischer Strahlung mit dem Festkorper arbeiten, werden
- dem Buchtitel entsprechend - seitens der Teilchenstrahlung nur ElektrOllen und
Ionen (nicht aber N eutronen) und aus dem breiten Spektrum der elektromagnetischen
Strahlung nur die Rontgenstrahlen - im Teilchenbild die Rontgenquanten - aus
gewahlt. Die eng begrenzte Auswahl war einerseits wegen des notwendigerweise
beschrankten Umfangs des Buches erforderlich, andererseits bot sich eine Zusammen
fassung dieser Methodengruppe wegen der engen Beriihrungspunkte hinsichtlich der
Anregung der zur Analyse benutzten Strahlung (Elektronenquellen, Ionenquellen,
Rontgenstrahlquellen), des Nachweises der durch die Wechselwirkung mit dem Fest
korper erzeugten bzw. modifizierten Elektronen-, Ionen- oder Rontgenstrahlung und
der geratetechnischen Grundlagen (Hochspannungsanlagen ftir die Strahlungs
erzeugung, Einsatz der Vakuumtechnik) an.
Besonders betont werden solI, dal3 die hier beschriebenen Verfahren der Fest
korperanalyse mit Elektronen, Ionen und Rontgenstrahlen in engem Zusammenhang
mit der hier nicht behandelten optischen Spektroskopie anderer Wellenlangen
bereiche - als besonders aktuell sei hier die Laser-Mikrospektralanalyse genannt -
zu sehen sind. Wahrend von den atomspektroskopischen Analysenprinzipien auf Grund
von deren Zuordnung zur ausgewahlten, flir die Analyse benutzten Strahlung, ins
besondere der Elektronen und der Rontgenstrahlung, einige beschrieben werden, sind
molekiilspektroskopische Analysenprinzipien (neben optischer. Spektroskopie vor
allem Resonanzverfahren - NMR, EPR) nicht erfal3t worden; das gleiche betrifft
kernphysikalische Analysenverfahren.
1m vorliegenden Buch wird die Fest.korperanalyse mit Elektronen, Ionen und
6 Vorwort
Rontgenstrahlen sowohl in ihrer Anwendung auf mogliche Volumenuntersuchungen
wie auch auf die Oberflachenanalyse dargestellt. (Zu letzterer Thematik hat es wegen
der besonderen Aktualitat dieser Untersuchungsrichtung in den letzten Jahren
mehrere Obersichtsdarstellungen gegeben.) Die Festkorperanalyse wird dabei im
weitesten Sinne aufgefaBt, so daB nicht nur spektroskopische und Beugungsverfahren,
sondern auch abbildende Methoden (Elektronenmikroskopie, Rontgentopographie)
behandelt werden. Die im wesentlichen mit Rontgenstrahlen und mit Elektronen
betriebene Strukturanalyse hat sich zu einem Gebiet von solcher Breite entwickelt,
daB eine kurze Darstellung innerhalb der "Festkorperanalyse" nicht moglich ist. Es
wurde deswegen bei der Gestaltung des Buches bewuBt darauf verzichtet, die
Strukturanalyse mit zu behandeln, und es soli diesbeziiglich auf die einschlagige
Literatur dieses Fachgebietes verwiesen werden. Auf die vielseitigen Beriihrungs
punkte der hier behandelten Verfahren der Festkorperanalyse mit der Struktur
analyse im engerem Sinne soli an dieser Stelle besonders hingewiesen werden.
Anliegen des Buches ist es, dem in der Forschung tatigen Wissenschaftler An
reglmgen ziIr Auswahl von Analysenmethoden fUr die Losung einer bestimmten
Forschungsproblematik zu geben, dem auf einem Einzelgebiet der Analysentechnik
tatigen Spezialisten einen tiberblick iiber Moglichkeiten und Grenzen benachbarter
Methoden zu bieten und dem Lernenden im weitesten Sinne einen Einblick in den
Stand der physikalischen Analysentechnik mit Elektronen, Ionen und Rontgen
strahlen zu ermoglichen. Die Kapitel wurden in ihrer Einteilung so aufeinander
abgestimmt, daB jeweils nach der Angabe des Grundprinzips des Verfahrens die
theoretischen Grundlagen, die experimentelle Technik und die Anwendung des
Verfahrens behandelt werden. Eine kurze Zusammenfassung am SchluB jedes
Kapitels soIl noch einmal die Moglichkeiten und Grenzen des besprochenen Ver
fahrens nnd den kiinftigen Entwicklungstrend herausstellen. Besonderer Wert wurde
auf die ausreichende Angabe von Originalliteratur und auch von tibersichtsliteratur
gelegt, die dem starker interessierten Leser eine rationelle Einarbeitung in das ent
sprechende Spezialgebiet erlaubt. Eine vollige Normierung der verwendeten Formel
groBen durch das gesamte Buch hindurch wurde nicht angestrebt, da sich sonst bei
der groBen Breite des behandelten Gebietes Diskrepanzen zwischen GroBenbezeich
nungen in den verschiedenen Gebieten (Elektronen, Ionen, Rontgenstrahlen)
ergeben hatten.
Wir bedanken uns bei den Autoren der einzelnenKapitel fiir ihre fruchtbare Arbeit.
In einigen Fallen wurden Bildmaterialien weiterer Autoren beigesteuert, die in den
entsprechenden Bildunterschriften genannt sind; auch hierfiir sei Dank gesagt. Von
Herrn Prof. Dr. BETHGE, Halle, sind wir mit vielen wertvollen Ratschlagen, die
inhaltliche Gestaltung des Buches betreffend, unterstiitzt worden, wofiir besonders
gedankt wird. SchlieBlich bedanken wir uns beim VEB Deutscher Verlag der Wissen
schaften fiir die gute Ausstattung des Buches, das bereitwillige Eingehen auf be
sondere Wiinsche und - insbesondere bei der Verlagslektorin, Frau Dipl.-Phys.
IiAMMIG - fUr die gute Zusammenarbeit sowie bei der Druckerei fiir die sorgfaltige
Ausfiihrung des Satzes.
HallejSaale, Berlin
und Karl-Marx-Stadt,
im Mai 1978 Die Herausgeber
Inhaltsverzeichnis
Einfiihrung. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9
(0. BRUMMER, Halle; J. HEYDENREICH, Halle; K. H. KREBS, Berlin;
H. G. SCHNEIDER, Karl-Marx-Stadt)
1. Rontgendiffraktometrie . 25
(P. KLIlII:ANEK, Freiberg)
2. Rontgentopographie ... 57
(H.-R. HOCHE, O. BRUMMER, Halle)
3. Rontgenfluoreszenzanalyse . 81
(G. FORSTERLING, Dresden)
4. Elektronenstrahl-Mikroanalyse . . . . . . 99
(W. BEIER, A. RODER, O. BRUMMER, Halle)
5. Hochauflosende Rontgenspektroskopie . . .............. 131
(G. DRAGER, Halle)
6. Festkorperanalyse mittels ioneninduzierter Rontgenstrahlung. . . . . . . . 149
(K. HOHMUTH, W. RUDOLPH, Rossendorf)
7. Beugung schneller Elektronen (HEED) ................. 165
(J. BRUCKNER, Dresden)
8. Beugung langsamer Elektronen (LEED) ................ 185
(J. KLOBER, H. A. SCHNEIDER, Freiberg)
9. Durchstrahlungs-Elektronenmikroskopie ................ 209
(J. HEYDENREICH, Halle)
10. Oberflachen-Elektronenmikroskopie ................. 235
(J. HEYDENREICH, H. JOHANSEN, Halle)
11. Feldemissionsmikroskopie ........ 263
(Ch. EDELMANN, Dresden)
12. Energieveriust-Elektronenspektroskopie ................. 281
(K. BREUER, H. ZSCHEILE, Berlin)
8 Inhaltsverzeichnis
13. Auger.Elektronenspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . 295
(M. Klaua, Halle; G. OERTEL, Berlin)
14. Photoelektronenspektroskopie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
(U. BERG, Halle)
15. Ioneninduzierte Elektronenemission . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 335
(K. H. KREBS, Berlin)
16. Ionenreflexionsspektroskopie . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 345
(H. PECH, Berlin)
17. Ionometrie. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 357
(G. GOTZ, Jena)
18. Sekundiirionen.Massenspektroskopie ................... 373
(H. DUSTERHOFT, Berlin)
19. Elektronenstimulierte Ionendesorption .................. 399
(G. DWORZAK, Halle)
20. Rechnersteuerung, Datenerfassung und Auswertung ............ 407
(H. MAr, Dresden)
Autorenverzeichnis 425
Sachverzeichnis. . 426
EinfUhrung
(0. BRUMMER, Halle; J. HEYDEN REICH, Halle; K. H. KREBS, Berlin;
H. G. SCHNEIDER, Karl-Marx-Stadt)
Eine differenzierte und zugleich umfassende Analyse fester Stoffe ist unverzichtbarer
Bestandteil vieler naturwissenschaftlichel und technischer Disziplinen, insbesondere
der Werkstoffwissenschaft. Durch die Gewinnung grundlegender festkorperphysi
kalischer und -chemischer Kenntnisse, insbesondere hinsichtlich des Aufbaus fester
Korper im Mikro- und Makrobereich, gestattet sie die ErkHirung von Stoffeigen
schaften und - in vielen Fallen - deren gezielte Beeinflussung. Das gilt gleicher
maBen fiir die Entwicklung eines Stahles wie eines Halbleitermaterials, um nur zwei
Beispiele mit offensichtlich unterschiedlichen qualitativen und quantitativen An
forderungen an chemische Reinheit, Legierungs- und Dotierungsgenauigkeit, gezielt
hergestellte Gefiige bei polykristallinen Materialien bzw. hohe oder gezielt gestorte
Strukturperfektion bei monokristallinen Werkstoffen zu nennen. In jedem Fall kommt
man heute ohne die Einhaltung strenger Regeln beziiglich del' chemischen Zweck
reinheit bzw. realstruktureller Besonderheiten zur Erzielung gewiinschter stofflicher
Eigenschaften, optimiert auf Technologie und Anwendungsfall, nicht mehr aus.
Die groBe Anwendungsbreite del' festkorperanalytischen Verfahren erlaubt je nach
Spezialfall die Untersuchung von Festkorpern sehr unterschiedlichen strukturellen
Aufbaus. Kristalline Festkorper, die durch eine definierte strukturelle Fernordnung
im Verband del' Gitterbausteine (Atome, Ionen, Molekiile) gekennzeichnet sind,
haben in diesem Zusammenhang eine besondere Bedeutung, wobei die durchzu
fiihrenden Analysen nicht nul' auf deren Idealstruktur, sondern vor all em auch auf die
durch spezifische Gitterstorungen gegebene Realstruktur gerichtet sind. Weiterhin
sind die lediglich durch eine entsprechende Nahordnung del' Atome, Ionen bzw.
Molekiile gekennzeichneten amorphen Festkorper, wie Z. B. Glaser, amorphe Halb
leiter und amorphe Metalle, zu nennen, die im Prinzip die Strukturen unterkiihlter
Fliissigkeiten besitzen. Die zwischen den kristallinen und den amorphen Festkorpern
einzuordnenden teilkristallinen Substanzen, z. B. bestimmte Polymerentypen, sind
ebenfalls wichtige Untersuchungsobjekte del' Festkorperanalyse. 1m Hinblick darauf,
daB viele physikalische bzw. chemische Eigenschaften von Festkorpern durch deren
Oberflachen (Geometrie, Elektronenstruktur, Adsorptionsverhalten) gegeben sind,
hat die Analyse reiner wie auch bedeckter Oberflachen ein besonderes Gewicht und
wird haufig als separates Analysengebiet ausgewiesen. 1m vorliegenden Buch werden
Volumen- und Oberflachenanalyse fester Korper gleichermaBen behandelt, wobei das
Gebiet in weitestem Sinne bis hin zu den submikroskopischen Abbildungsverfahren
erfaBt wird.
10 Einfiihrung
Die groBe Einsatzbreite der Festkorperanalyse in bezug auf die Aufk1.arung von
Struktur-Eigenschafts-Beziehungen soll im folgenden an Beispielen zu mechanischen
Eigenschaften, zu elektrischen Eigenschaften und zu Oberflacheneigenschaften
(Korrosion, Katalyse, Wandproblem in Anlagen fur die thermonukleare Fusion) ver
anschaulicht werden.
Die Kenntnis der mechanischen Eigenschaften fester Stoffe in ihrer Abhiingigkeit
von deren Realstruktur ist die Voraussetzung fur die Entwicklung hochwertiger
Konstruktionswerkstoffe. Eine gezielte Beeinflussung des Festigkeits- und Bruch
verhaltens steht dabei im Vordergrund. Die Beherrschung der Realstruktur kristal
liner Werkstoffe - insbesondere von Metallen - ist Grundbedingung dafur, daB sie
frei von Empirie wissenschaftlich begrundeten Be- und Verarbeitungsprozessen
(z. B. Kalt-undJoder Warmumformung) unterzogen werden konnen, um die erforder
lichen mechanischen Eigenschaften zu gewahrleisten. Man kann generell sagen, daB
die mechanischen Eigenschaften von Werkstoffen im wesentlichen strukturfehler
bestimmte Eigenschaften sind. Plastische Deformation erfolgt in kristallographisch
+
definierter- Weise durch die Betatigung von Gleitsystemen (= Gleitebene Gleit
richtung). Sie ist vor allem aus dem Verhalten von Versetzungen und Punktdefekten
und ihrer Wechselwirkung zu interpretieren. Es handelt sich um Vorgange, deren
Geschwindigkeit durch Verfestigung und Erholung bestimmt sind. - Die Ver
festigung erfolgt auf Grund definierter grundsatzlicher Mechanismen, wie der
Wechselwirkung paralleler Vel'setzungen, sich schneidender Versetzungen, der
Wechselwirkung von Versetzungen mit Fremdatomen, insbesondere interstitiellen,
mit Grenzfli.i.chen (wie Korngrenzen und Zwillingsgrenzen) und mit Ausscheidungen
bzw. Einschlussen, sowie durch die Erhohung der Versetzungskrummung, die ent
weder einzeln oder in bestimmter Weise kollektiv wirksam werden. - Erholung ist
eine Folge der Abnahme der Anzahl von Defekten, die die Versetzungsbewegung
behindem, und der Erhohung der Anzahl beweglicher Versetzungen, wobei wiederum
kollektive Effekte zu beachten sind. Sie ist verbunden mit dem Klettem von Stufen
versetzungen im Fall der thermischen und mit dem Quergleiten von Schrauben
versetzungen im Fall der dynamischen Erholung. - Kommt es infolge des Einflusses
von Spannungen zur Ausbildung von Mikro- und Submikrorissen, zu deren Aus
breitung und Wachstum in makroskopischen Bereichen, so resultiert daraus die
makroskopische Trennung, der Bruch, d. h. die Vberwindung der Kohasionskriifte im
.8trukturverband. Aufgabe der Mikrofraktographie ist es, sich der vielfaltigen
Phanomene und moglichen Mechanismen der Bruchbildung anzunehmen. Dazu ist
eine detaillierte Defektstrukturanalyse notwendig, in die die Submikro- und Mikro
risse als den Versetzungen und Leerstellen ahnliche Elemente dieser Defektstruktur
·einzubeziehen sind.
Die Festkorperanalyse von Werkstoffen und Bauelementen der Halbleitertechnik,
von denen definierte elektrische Eigenschaften gefordert werden, hat in bezug auf die
besonderen physikalischen Wirkprinzipien und die sich fortsetzende Tendenz zur
weiteren Steigerung der Integrationsgrade und Packungsdichten in der Mikro
·elektronik besonders hohe Anspruche an Empfindlichkeit, Auflosung und Repro
duzierbarkeit zu erfiillen. tJber Funktionsparameter, Zuverliissigkeit und Lebens
dauer von Bauelementen und Schaltkreisen wird bereits im Stadium der Gewinnung
und Herstellung der Ausgangssubstanz bis hin zur Einkristallzuchtung und Abschei
dung epitaktischer Schichten entschieden. Weiterhin bedarf die kontinuierliche
Einfiihrung 11
Kontrolle der Werkstoffbeeinflussung im Verlauf technologischer Prozesse zur
Erzeugnisfertigung ausgewahlter, unter Umstanden automatisierungsfreundlicher
festkorperphysikalischer Untersuchungsmethoden. Insbesondere miissen in allen
Phasen dieses Prozesses analytische Aussagen vielfaltiger Art moglich sein. Hierher
gehoren z. B. der Nachweis von Restverunreinigungen in der GroBenordnung kleiner
1014 ionisierbarer Storstellen pro cm3 Siliciumvolumen und der Konzentration von
Dotierungselementen im Bereich ihrer Loslichkeit in der halbleitenden Matrix.
Weiterhin erscheinen strukturanalytische Aussagen zur Realstruktur im Kristall
volumen und in Grenzflachenbereichen (Versetzungen, Korngrenzen, Leerstellen
agglomerate, "Oberstrukturen) notwendig, desgleichen auch Aussagen zu Bindungs
verhaltnissen, zu Stochiometriefragen, zu Adsorptionsprozessen auf Oberflachen, um
nur einige Beispiele zu nennen.
Auf dem Gebiete der Km"r08ion, die ja einen Werkstoffangriff durch chemische
bzw. elektrochemische Reaktionen von der Oberflache her darstellt, sind die For
schungsarbeiten im wesentlichen auf die Aufklarung der damit verbundenen irrever
siblen reaktiven, schadlichen Umsetzung eines festen Stoffes mit seinen Nachbar
phasen gerichtet. Sie verfolgen das Ziel, durch Erkennen der Ursachen des Korro
sionsprozesses zuverlassige MaBnahmen flir den Korrosionsschutz abzuleiten, ins
besondere durch Aufbringung anorganischer oder organischer Schutzschichten, durch
die Wirkung von Passivatoren bzw. Inhibitoren und durch Methoden der elektro-..
chemischen Korrosionshemmung. Korrosionsprozesse sind durchweg topochemische,
heterogene Reaktionen hoherer Ordnung. Entscheidend ist dabei die Ausbildung von
Lokalelementen durch die ortlich begrenzte Anreicherung von Substanzen mit
niedrigerer Wasserstoffiiberspannung in der Matrixsubstanz in Form von Aus
scheidungen, meist raumlich und ursachlich gekoppelt mit Gitterdefekten, wie Korn
grenzen und Leerstellenagglomeraten. 1m Zusammenhang mit der elektrochemischen
Korrosion spielt die spezifische Adsorption von Ionen und Molekiilen an Metall
oberflachen (elektrochemische Doppelschicht) eine wesentliche Rolle. Reaktive
Schichtwachstumsprozesse, die zu vorwiegend in die Matrix einwachsenden Schichten
fiihren, sind durch auBerordentlich komplizierte Diffusions~ und Reaktionsmecha
nismen ausgezeichnet und weisen eine Vielzahl unterschiedlicher, z. T. nebeneinander
existierender Reaktionsprodukte aus. Zur chemischen Substanzdifferenzierung in
Mikrobereichen und zum Nachweis extrem geringer Oberflachenbelegungen geeignete
festkorperanalytische Verfahren sind aus den genannten Grunden in der Korrosions
forschung von besonderer Bedeutung.
Beim ProzeB der Katalyse, durch welchen die Geschwindigkeit des Ablaufes von
chemischen Reaktionen (durch in der Reaktionsgleichung nicht enthaltene Stoffe)
verandert wird, geht es hinsichtlich der durchzufiihrenden Forschungsarbeiten um
die Erfassung heterogener chemischer Reaktionen hoherer Ordnung in Gestalt von
Phasengrenzreaktionen, die das Wirkprinzip der heterogenen Katalyse mit festern
Katalysator darstellen. Bei dieser u. a. durch Elektronenkonfiguration und Elek
tronenstruktur gesteuerten Kontakt- oder Oberflachenkatalyse, die an moglichst
groBen und unregelrnaBigen Oberflachen der Katalysatorsubstanz stattfindet, werden
Reaktionen zwischen verschiedenen Gasen odeI' Fliissigkeiten oder zwischen Gasen
und Fliissigkeiten gesteuert, meist beschleunigt bzw. auch ihr Ablauf iiberhaupt erst
ermoglicht. In den meisten Fallen werden dabei die Reaktionspartner chemisorptiv
an die Oberflache des Kontaktkorpers gebunden, damit sie miteinander reagieren
