Quasi-in-situ Photoelektronen-Spektroskopie an elektrochemisch hergestellten Filmen

Abstract

Elektrochemische Abscheidungen finden in einem weiten Bereich technische Anwendung. Für die Entwicklung von neuen industriellen Verfahren zur Herstellung von Dünnschichtsystemen ist insbesonders die Abscheidung der ersten Monolagen von Interesse.<br />Im Zuge der vorliegenden Arbeit wurde ein Anbau an ein bestehendes Elektronenspektrometer entwickelt um die Bildung dieser ersten Schichten zu untersuchen. Außer der eigentlichen elektrochemischen Zelle aus Glas besteht dieser aus einem Transfer-Mechanismus, welcher das Probensubstrat kontrolliert und reproduzierbar in den Elektrolyten eintaucht. Um Verschmutzung der Probenoberfläche zu verhindern, wird die Beschichtung unter Inertgas durchgeführt. Nach der Beschichtung besteht die Möglichkeit, die Elektrolytreste in-situ abzuwaschen und die Probe unter Schutzgas zu trocken. Dieser Aufbau ist über ein im Zuge dieser Arbeit entwickelte Transferzelle an das Spektrometer angeschlossen.<br />Als erster Test der Funktionalität des Systems wurde die in-situ-Abscheidung von dünnen Magnesium-di-Borid-Schichten auf Silbersubstraten untersucht.<br />Man erkennt eine erfolgreiche Abscheidung, Reste des Elektrolyten auf der Oberfläche machen eine Quantifizierung der Spektren jedoch schwierig.<br />Abscheidung von Weißgold auf Kupfer- und Stahlsubstraten hingegen resultierte in sauberen Schichten mit nur minimalen Verunreinigungen. Sowohl der Aufbau und die Zusammensetzung dieser Schichten als auch die Dicke in Abhängigkeit von der Beschichtungszeit konnte durch winkelabhängige Messungen vollständig aufgeklärt werden.<br />Es wurden auch Simulationen durchgeführt um die experimentellen Resultate zu bestätigen. Dazu wurde das Programmpaket SESSA , welches in unserer Gruppe entwickelt wurde, verwendet. Man erhält eine gute Übereinstimmung zwischen Experiment und Simulation. Außerdem wurde durch den Vergleich mit den Simulationsresultaten ein aufgrund von Aufladungen gebildeter Potential-Gradient innerhalb der Probe charakterisiert.<br />

Electrochemical deposition of thin films is used in a wide range of technical applications. For the development of novel industrial procedures the composition of the first monolayers of the deposited films are of special interest.<br />In the frame of this thesis an apparatus has been designed to investigate the initial stages of the formation of electrochemical layers. Besides the electrochemical cell made of glass it consists of a transfer mechanism which guarantees a controlled and well reproducible dipping of the sample into the electrolyte. To avoid contamination of the sample surface the deposition procedure is performed under an inert gas atmosphere. The apparatus is attached to a commercial XPS spectrometer via a custom designed transfer chamber. After deposition the sample is rinsed and blown dry in-situ and then transferred into the spectrometer for investigation.<br />As a first proof for the functionality of the system in-situ deposition of thin magnesium-di-boride films on silver substrates was investigated.<br />Evaluation of the spectra revealed the successful deposition but contaminations by remains of the electrolyte on the sample surface made the clarification of chemical states difficult.<br />Deposition of white gold on copper and steel substrates resulted in clean surfaces with only marginal contaminations. The structure of the deposited layers as well as the film thicknesses as a function of deposition times were elucidated by angle resolved XPS. By comparing the peak positions with the literature it was possible to completely clarify the chemical composition of the layers.<br />The results of the experiments were compared with simulations performed with the software SESSA developed at our institute. The composition and structure of the sample is in good agreement with the model calculations.<br />Furthermore a potential gradient in the sample resulting in a shift of peaks was quantified by comparing the experimental spectra with calculations.