Zeitschrift fiir Physik, Bd. 143, S. t41--146 (1955)

Aus dem Inst i tut ftir Angewandte Physik der Univeislt~tt Hamburg

Uber die Anwendung der Kathodenzerstiiubung bei Elektronenbeugungsuntersuchungen

Von

O. HAASE

Mit 2 Figuren im Text

(E~ngegangen am 11. Juli 1988)

Als Hilfsmittel ftlr die Preparation yon Objekten ffir Elektronenbeugungsunter- suchungen wird eine I(athodenzerst~ubungsvorrichtung nach dem Prinzip der PE,'~-iN~-Entladung beschrieben, die gegenfiber der fiblichen I~athodenzerstAubung m~ttels Glimmentladung Vorteile besitzt. Sie arbeitet innerhatb der Elektronen- beugungsapparatur und erlaubt es, die Pr~parate sofort nach der Z'erstAubung zu

untersuchen.

Einleitung Die Kathodenzerst/iubung bietet die MSglichkeit, von el'her Metall-

oberfl/iche Material abzutragen, ohne dab hierbei, wie es bei chemischen Abtragungsverfahren z.B. Ab~tzen mit S/iuren der Fall ist, Spuren der Reaktionsprodukte auf der Fl~iche zuriickbleiben Eli, [2], [91. AuBer- dem hat das Verfahren den Vorteil, dab bei Abtragung yon Schicht- dicken von < t 08 • die Oberfl{iche kaum aufgerauht wird. Diese Methode eignet sich daher fiir die Herstellung yon Pr~tparaten zur Untersuchung mit Elektronenbeugung, sei es fiir die Verringerung der Dicke yon Schich- ten, die fiir Durchstrahlung ztt dick sind, sei es um diinne Schichten yon der Oberfl~che massiver Metallstficke abzutragen.

Die Brauchbarkeit des Verfahrens der Kathodenzerst~ubung zur Abtragung yon Oberfl/ichenschichfen erwies sich zuerst bei der Unter- suchung der Struktur/inderung durch Kaltbearbeitung [4], [a]. Um den Zustand des Kristallgefiiges in versehieden tiefen Schichten unter einer mechanisch bearbeiteten Oberfi~che zu ermitteln, wurden schrittweise Oberfl/ichensehichten in einer Gasentladung abgetragen. AnschlieBend wurde die Oberfl~che mit Elektroneninterferenzen in Refiexion unter- sucht. Es zeigte sich, dab der Grad der Zerst6rung des Oberfl/ichen- gefiiges durch die mechanische Bearbeitung mit zunehmender Tiefe abnimmt.

Eine andere M6glichkeit des~Verfahrens ist die Anwendung der Ka- thodenzerst~tubung auf elektrolytisch polierte Fl~chen zur Herstellung yon sauberen Oberfl~chen. Die Reflexion yon Elektroneninterferenzen erm6glicht es, die auf einer Oberft~che befindlichen Schichten, wie z.B.

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Aufdampfschichten und Oxydationsschichten, von wenigen Gitter- konstanten Dicke nachzuweisen. Um die Nachweisempfindlichkeit ftir diese Filme voll auszunutzen~ miissen die Unterlagen, also die Ausgangs- oberfl~ichen, auf welche aufgedampft oder welche in Reaktion mit Fremd- gasen treten sollen, folgende Forderungen erfiillen:

t . Sie mfissen nach M6glichkeit die Ebenheit einer Gitterebene haben, dm sehr diinne Oberft~ichenschichten nachweisen zu k6nnen.

2. Sie mtissen sauber sein, d.h. die oberste Gitterebene soll aus Ato- men des Materialinneren bestehen und keine Fremdatome enthalten.

3. Sie sollen nach M6glichkeit eiukristallinen Charakter haben.

Mechanisch polierte Oberfliichen widersprechen der drit ten Forde- rung, chemisch behandelte der zweiten. Das elektrolytische Polierver- fahren hingegen liefert auf Grund des Interferenzbildes Fl~ichen, die nahezu alle drei Fordertmgen erfiillen, wie das Beispiel des Cu, A1 und Ag zeigt V6~, [71, [81. Im Falle des Zn und Fe und anderen ist jedoch die Oberflitche mit einem Film bedeckt, der das Interferenzbild der Unter- lage nicht erkennen 1ABt*. Daher wurde das Verfahren der Kathoden- zerst~ubung angewendet, um diese Deckschichten abzutragen, also eine saubere Flffche zu erzeugen unter Beibehaltung der Ungest6rtheit und Ebenheit der Einkristallfl~che.

Bei den beschriebenen Versuchen war es aber nachteilig, dab das in einer getrennten Apparatur kathodenzerst~ubte Pr~parat in die Elek- tronenbeugungsanlage tibertragen werden mul3te, mithin die gereinigte und sehr reaktionsf~hige Oberfl~iche mit dem Sauerstoff der Luft in Bertihrung kam. Es war wichtig, das Verfahren der Kathodenzerst~iu- bung in der Interferenzapparatur selbst durchzuftihren, so dab die yon dem Verunreinigungsfilm befreite Metalloberfl~iche sofort untersucht werden konnte.

Die vofliegende Arbeit beschreibt eine neue Anordnung der Kathoden- zerst~ubung, die in der Elektroneninterferenzapparatur untergebracht werden kann und es erlaubt, unmittelbar nach der KathodenzerstXubung die Pr~iparate zu untersuchen.

Prinzip Die bisher zur Zerst~ubung verwendete Glimmentladung wurde unter

folgenden Bedingungen betrieben: Bei 10 cm Elektrodenabstand und einem Strom von t00 ~A/cm 2 wurde bei einer Entladungsspannung yon Ibis 3 kV gearbeitet, wobei der Gasdruck einige t0 .-3 Tort betrug. Von Nachteil war dabei, dab Strom, Spannung und Druck nicht unabh/ingig voneinander einstellbar sind. Gibt man bei-einer Glimmentladung durch

* Auch im Falle des Cu z.B. ist eine wenn auch sehr dtinne Deckschicht mi t passivierenden ]~igenschaften auf der elektrolytisch polierten Oberfli~che vorhanden.

Anwendung der Kathodenzerst~ubung bei Elektronenbeugungsuntersuchungen l z~

eineri groBen Vorwiderstand den Strom vor, so ist die Entladungsspan- nung nicht mehr frei w~hlbar, sondern bereits durch den Gasdruck be- stimmt. Zur Einstellung kleinerer Entladungsspannungen mul3 er erh6ht werden. Das Interferenzbild yon Einkristall-Pr~paraten zeigt dann zus~tzlich DEBYE-SCHERRER-Ringe. Die regellos angeordneten Kfistallite stammen von Atomen, die nach dem Abst~uben infolge des erh6hten Gasdruckes wieder zur Pr~paratoberfl~che zurflckdiffundieren.

Wiinschenswert w~re es, die Kathodenzerst~ubung unter folgenden Bedingungen durchzuffihren:

t. Der bei der Glimmentladung bestehende Zusammenhang zwischen Strom, Spannung und Druek soll aufgehoben werden, damit die Ionen- energie unabh~ngig vom Druck geregelt werden kann.

2. Der Fiillgasdruck soll so weit verringert werden, dab Rtickdiffu- sion vermieden wird. Eine weitere Senkung des Ffillgasdruckes ist nicht erwiinscht, damit der Anteil der restlichen Gase (Sauerstoff, Wasser- und 01dampf) nicht unn6tig grol3 wird.

3. Beim Betrieb in einer normalen Elektronenbeugungsapparatur darf die Entladung nicht im gesamten Gef~B brennen, da dessen Ober- fl~tchen nicht genfigend sauber sind. Andernfalls verschmutzt das Gas und die Probenoberfl~ch.e tiberzieht sich mit einem schwarzen Belag (aus Kohlenstoff).

Um diese Forderungen zu 'erfiillen, wurde folgender Gedanke ver- wirklicht :

Aus einer Ionenquelle als Hilfsentladung, die sich innerhalb der Elektronenbeugungsanlage befindet, werden Ionen entnommen und durch eine Nachbesehteunigungsspannung auf die gewfinsehte Energie gebracht. Dadurch wird die Ionenenergie, wie unter I. gefordert, ge- trennt vom Druck regelbar. Um die beiden anderen Bedingungen zu erffiUen, wurde als Hilfsentladung eine Pendelentladung im Magnetfeld nach dem PENml~Gschen Prinzip verwendet, die im gewiinschten Druck- bereich mit kleiner Entladespannung und grol3em Strom brennt. Die Riickdiffusion wird durch die Verringeruug des Druckes gem~iB der zweiten Forderung vermieden. Da die Entladung auf das bevorzugte Gebie.t zwischen den Elektroden beschritnkt bleibt, und bei dem ver- ringerten Druck gew6hnliche Glimmentladungen bei den verwendeten Spannungen und Gef~iBabmessungen'erlSschen, ist auch die dritte For- derung erfiillt.

Der Ablauf der Entladung entspricht der einer Ghmmentladung bei relativ kleinem Druck und entsprechend vergrSBertem Elektronenwege. Er wird dadurch erreicht, dab die Elektronen nur auf Umwegen (Pendel- und Spiralbahnen) auf die als Hohlzylinder ausgebildete Anode gelangen k6nnen. Der Versuch, aus einer seitlichen Bohrung der Anode Ionen

tO*

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herauszuziehen, fiihrte auch bei Ziehspannungen, die vergleichbar waren mit der Entladespannung, zu nur geringen IonenstrSmen. H6here StrSme, etwa 1/1 o des Entladestromes, wurden erhalten, wenn, wie in Fig. t gezeichnet, eine der Kathoden durchbohrt wurde. Durch die im Entladungsraum herrschenden Felder ~vurden die Ionen in Richtung auf die Kathoden beschleunigt. Sie treten durch die 0ffnung bereits mit kinetischer Energie aus. Der hierdurch bedingte Ausfall an Nachliefe- rungselektronen wird yon den verbleibenden Ionen durch eine gering- fiigige Erh6hung der Brennspannung wettgemacht.

i Ppbpamt- Obe~ache

Kathode H

_I

" " = e

Kathode I f '

A n o d e

Fig. t. Prinzip der Zerstaubungsanlage. * Ionenstrom (+ Sekundarelektronen); U Nachbeschleunigungs- sparmung; U ~ Entladespannung der Hilfsentladung; iRt Entladestrom; RHiVorwiderstand ; E~'l Spannungs- quelte fur die Hilfsentladung; ~ axiales konstantes Magnetfeld, emige 100 GB. Die in der unteren Hfilfte der Entladungsstrecke gebildeten Ionen laufen nach unten und erzeugen dort Naehlieferungsetektronen. Die n~ch oben laufenden komlen zum Tell durch dm 0ffnung der Kathode K den Entladungsraum verlassen

Aufbau

Fig. 2 zeigt den Aufbau. Der Entladungsraum ist umsctllossen von einem Glaszytinder G yon 3 5 mm AuBendllrchmesser und 2, 5 mm Wand- stiirke. In diesem wird als Anode A ein Hohlzylinder von einer Schrau- be S gehalten, die gleichzeitig als Zuftihrung der Anodenspannullg dient. Oben und unten wird der Glaszylinder von den Kathoden K und K" aus V2K-Blech oder Aluminium abgeschlossen. Die elektrische Schal- tung ist wie in Fig. t angegeben. Das Ftillgas wird tiber ein Drosselventil durch eine Bohrung des Glaszylinders seitlich in die Entladungskammer oder einfach in die Apparatur gelr

Di~;eben%eschriebene Entladungskammer E K wird mit einer Schrau- be S' zwischen den Polschuhen 'P und P ' des Elektromagneten. M leicht herausnehmbar festgeklemmt, dessen Abmessungen dutch die Gr6Be der

Anwendung der Kathodenzerstaubung bel Elektronenbeugungsuntersuchungen ~4~

Obiektkammer der Apparatur bestimmt wurden. Die Wicklung W be- sitzt etwa t 000 Windungen und wird mit 2 bis 3 Amp Gleichstrom be- trieben. Einer der Polsclmhe P und die dazugehSrige Kathode K be- sitzen eine Bohrung B yon 8 ram.

Das System, das sich ganz in der Apparatur befindet, ist an einem Flansch F befestigt, der am Objektraum der Elektronenbeugungsappa- ratur gegentiber dem Objekttr~iger angeschraubt wird.' Der Abstand der Entladungskammer yon dem Pr/iparat Pr betr~gt etwa 30 ram. Der

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Fxg. 2. Schematischer Aufbau der Ionenquelle. 00bjektha~ter der Interferenzapparatur; Pr Pr~,parat, mlt der Obertlache nach unten; E Elektronenstrahl der Interferenzapparatur; Ek Entladungskammer der Hflfsentladung; B Bohrung in Kathode K und Polschuh P; K, K' Kathoden; G Glaszylinder; A Anode; S Schraube zum Halten der Anode; M Elektromagnet mit Wleklung W; P, P ' Polschuhe; S' Schraube zum Befestigen der Entladungskammer im Magneten; D Vakuumdlchtung; F Flansch am Objektraum der

Interferenzapparatur

Objekthalter 0, der das Pr~parat tr~gt, ist so eingerichtet, dab bei Ver- iinderung des Neigungswinke]s die Drehachse in der Oberfl~che liegt, damit das Pdiparat bei der Einste]lung zum Elektronenstrahl im Ionen- strahl bleibt. Sie kann dann zur Zerst~iubung in dieser Einstellung be- ]assen werden.

Versuche

Bei ge6ffneter Pumpe wird das Drosselventil in der Ffillgaszuleitung so eingestellt, dab ohne Magnetfeld gerade keine Entladung mehr brennt. Nach Einsehalten des Magnetfeldes ztindet die Hilfsentladung. Der Entladungsstrom und damit der Ionenstrom kann am Vorwiderstand RH der Hilfsentladung eingestellt werden. Die Energie der auf das Pr~tparat auftreffenden Ionen wird mit der Naehbesehleunigungsspannung ge- regelt.

146 O. HAASE: Anwendung der Kathodenzerst i tubung

Die Ionen treten als begrenztes Bfindel aus. Andere Teile der Appa- ratur werden durch die Entladung nicht berfihrt. Im Druckbereich zwischen t0 -z und t0 -3 Torr brennt die Hilfsentladungmit Stromst~irken bis zu 5 mA und liefert einen Strom fiber das PrAparat von bis zu 500 [,A, also 1000[,A/cm 2. "Die Brennspannung der Hilfsentladung liegt unter- halb 500 V; bei t00 ~A Strom auf das Pr~parat betr~igt sie 200 V. Die Energie der Ionen ist an der Blenden6ffnung also noch gering und die Zer.st~iubung des Blenden- und Kathodenmatefials ist zu vernachl/issi- gen. Expefimentell l~13t sich dieser Tatbestand am Interferenzbild prfifen, welches andernfaUs neben den Interferenzen des Pr~tparates die D~BYE-SCHERRER-Ringe des Kathoden- und Blendenmatefials zeigen mtiBte. (Ffir den Fall, dab auch im Interferenzbild nicht erkennbare Spuren auf dem Priiparat st6ren, k6nnen Blende und Kathoden aus dem Probenmaterial hergestellt werden.)

Nach Abstellen der Ffillgaszufuhr und Entmagnetisieren der Fol- schuhe mit Wechselstr6m ist die Elektronenbeugungsapparatur in wenigen Sekunden aufnahmebereit. Die V~rAnderung der Priiparatoberfl~iche dutch die ZerstAubung l~Bt. sich daher bequem in beliebig kurzen Ab- st~tnden an Hand des Interfe.renzbildes kontrollieren.

Es wurden Versuehe an Kupfer-Einkristallen durchgeftihrt, die durch unvoUkommene elektrolytische Politur oder langes Lagern an Luft keine Reflexe lieferten, "sondern nut allgemeinen Untergrund zeigten. Bereits nach sehr kurzer Zerst~ubungsdauer (30 sec mit i----500[~A/0,5 cm*, t, 5 kV Nachbeschleunigung) wurden brillante EinkristaUdiagramme des Kupfers erhalten mit der fiir elektrolytische Politur charakteristischen Schw~nzung der Reflexe. Desgleichen wurden elektrolytisch polierte Eiseneinkristalle untersucht. ~3ber die hierbei erhaltenen Resultate wird im Zusammenhang mit der Oxydation von Eiseneinkristallfl~tchen aus- f~hrlicher an ander~ Stelle berichtet [3J.

Die vorliegende Arbeit wurde als Tell einer Diplomarbeit im Ins t i tu t ffir An- gewandte Physik der UniversitAt Hamburg durchgefiihrt. Fiir die Anregung und FOrderung der Arbeit bin ich dem Leiter des Inst i tuts , Herrn Professor Dr. H. RA~- THER, ZU groflem Dank verpflicht;et.

Literatur [1] EHI2SRS, H.: Z: Physik 136, 379 ( t 9 5 3 ) . - [2] EHLERS, H., u. H. RAEZHER:

Naturwiss. 39, 487 ( t 9 5 2 ) . - [3] HAASE, O.: Z. Naturforsch. (im Erscheinen). Siehe auch LADAGE, A. : Z. Physik (im Druck). - - [g] HOPKINS, H. G. : Trans. Faraday Soc. 31,, t095 (1935). - - [8] KRANERT, W., U. H. RAETHER: Ann. Phys. 43, 520 (1943). - - [6] KRAN**Rr, W., K. H. L~ISE u. H. R^ETHER: Z. Physik 122, 248 (~944). - - [7] PASHL~Y, D. W.: Metal Ind. |94~, 557. --~ [8] RAETHER, H.: Z. l'ffaturforsch. 4a, 582 (t949). ~ Ergebn. exakt, k'r 24 (195t). - - [9] WESE- MEYER, H., U. H. I~AETH~R: Naturwiss. 39, 398 (1952).

Dipl.-Phys. O. HAASE, Hamburg, Ins t i tu t fiir Angewandte Physik der UniversitAt