Weltrekord: Elastizitätsmodul-Messung an 4,3 Nanometer dünnen Schicht geglückt

Die zärtliche Berührung eines winzigen Diamanten
Weltrekord: Elastizitätsmodul-Messung an 4,3 Nanometer dünnen Schicht geglückt

Ultradünne Schichten mit Dicken von einigen zehn bis hundert Nanometern (das sind Millionstel Millimeter) werden in der Technik immer wichtiger: Sie sorgen als Isolatoren in Computerchips dafür, dass künftige Computerprozessoren noch kleiner und leistungsfähiger werden, sie machen Werkzeuge haltbarer oder vergüten Fotoobjektive. Die mechanischen Eigenschaften dieser Schichten, die wesentlich die Qualität der Bauteile bestimmen, ließen sich jedoch bisher nur schwer feststellen. Die Messmethoden waren dazu nicht empfindlich genug. Deshalb war es bislang auch nicht möglich, Schichtsysteme mit ganz speziellen mechanischen Eigenschaften optimiert für den jeweiligen Anwendungsfall herzustellen.

Den Wissenschaftlern Dr. Thomas Chudoba und Dr. Norbert Schwarzer, beide sind Mitarbeiter am Institut für Physik der TU Chemnitz (Professuren Technische Physik (Prof. Dr. Günther Hecht) und Physik fester Körper (Prof. Dr. Frank Richter)), ist es nun erstmals gelungen, mit einem neuartigen Messverfahren den Elastizitätsmodul an Schichten mit Dicken bis unter zehn Nanometern zu messen. Das Verfahren beschreibt Dr. Chudoba so: „Ein kugelförmiger Eindruckkörper aus einem winzig kleinen Diamanten mit einem Radius von einigen Tausend Nanometer dringt elastisch in die Oberfläche ein. Sowohl die Kraft als auch die Deformation kann so mit hoher Genauigkeit gemessen werden“. Dieser Diamant wird mit einer Kraft von teilweise weniger als einem Tausendstel Newton in die oft nur wenige hundert Nanometer dicke Oberflächenschicht eingedrückt, die untersucht werden soll. Die Verformung ist dabei von der aufgewandten Kraft abhängig.

Bisher wurden bei dieser so genannten Indenter-Methode vorrangig pyramidenförmige Spitzen (Berkovich-Indenter) verwendet. Genaue Elastizitätsmodul-Messungen an Schichten mit Dicken unterhalb von 200 Nanometern sind damit jedoch bisher nicht möglich gewesen, da der negative Einfluss des Substrates auf das Ergebnis nicht eliminiert werden kann. Das ist nun mit der neuen Untersuchungsmethode unter Nutzung kugelförmiger Spitzen gelungen: Vor wenigen Wochen wurde von Dr. Chudoba als bisheriger Weltrekord der Elastizitätsmodul an einer nur 4,3 Nanometer dünnen DLC-Schicht (DLC = diamond like carbon, diamantähnlicher Kohlenstoff) auf einem Siliziumsubstrat gemessen. Zum Vergleich: Ein menschliches Haar ist etwa 15.000-mal dicker.

Die Chemnitzer Messergebnisse wurden mit denen der einzigen alternativen Methode verglichen, die am Fraunhofer Institut für Werkstoffforschung und Strahlentechnologie IWS Dresden entwickelt wurde und bei der Ultraschall-Oberflächenwellen für die Messung genutzt werden. „Die Werte stimmen im Rahmen der Fehlergrenzen beider Methoden hervorragend überein. Das ist insofern von Bedeutung, als es bisher keinen Standard für solch dünne Schichten gibt und keine Aussage darüber möglich war, welche Methode richtige Ergebnisse liefert“, versichert Dr. Chudoba. Da die Indenter-Methode neben dem Elastizitätsmodul beispielsweise auch die Fließgrenze – eine charakteristische Spannung, bei der gerade der Übergang von rein elastischer zu plastischer Deformation erfolgt – ermitteln kann, eröffnen sich durch die Chemnitzer Ergebnisse neue Perspektiven für die Messung mechanischer Eigenschaften ultradünner Schichten.

Von den Chemnitzer Forschungsergebnissen profitiert auch das Kompetenzzentrum „Ultradünne funktionale Schichten“, das als eines von mehreren Kompetenzzentren vom Bundesministerium für Bildung und Forschung gefördert wird. Es wird vom Fraunhofer IWS Dresden koordiniert. 38 Unternehmen, 14 Hochschulinstitute – so auch das Chemnitzer Institut für Physik -, 19 Forschungseinrichtungen und sechs Verbände haben sich 1998 darin zu einem Netzwerk zusammengeschlossen.

Weitere Informationen erteilt Dr. Thomas Chudoba, Telefon (03 71) 5 31 – 31 15, E-Mail  t.chudoba@physik.tu-chemnitz.de .