Grenzflächendurchmischung in Dünnschichtsystemen durch Hochenergie-Ionenbestrahlung

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung ionenstrahlinduzierter Grenzflächendurchmischung in Dünnschichtsystemen. Dabei sollte insbesondere geklärt werden, inwieweit Atomtransportprozesse über die Grenzfläche eines Schichtsystems in einer hoch angeregten Ionenspur stattfinden. Betrachtet wurden Oxide (NiO, Cu2O, CuO, ZnO) auf amorphem SiO2, NiO und Ni3N auf verschieden Substraten (SiO2, Si3N4, SiC, Si, Al2O3), sowie Metalle (Ni, Cu) auf SiO2. Die Präparation der etwa 100 nm dicken Deckschichten erfolgte mittels (reaktivem) Magnetronsputtern. Die Grenzflächendurchmischung wurde in Abhängigkeit von der deponierten Energiedichte des Ions untersucht. Dazu wurden die Proben mit Ar-, Ni-, Kr-, Xe- und Au-Ionen von 90 MeV bis zu 350 MeV bei ca. 80 K bestrahlt. In diesem Energiebereich (MeV/amu) verlieren die Ionen ihre Energie primär über Anregungs- und Ionisationsprozesse im Elektronensystem (elektronischer Energieverlust Se). Zum Vergleich wurden einige Systeme mit 0.9 MeV Xe bestrahlt, da hier (keV/amu) der nukleare Energieverlust über elastische Stöße zwischen Ion und Targetatomen dominiert. Wichtigste Analysetechnik bildete die Rutherford Rückstreuspektrometrie (RBS), mit deren Hilfe die Konzentrationstiefenprofile an der Grenzfläche bestimmt werden konnten. Es zeigte sich bei allen untersuchten Schichtsystemen, dass Grenzflächendurchmischung erst oberhalb einer materialabhängigen Schwelle Sec einsetzt. Zwischen dem Einsetzen der Durchmischung und dem Auftreten von Ionenspuren in den einzelnen Materialien konnte eine Korrelation nachgewiesen werden. Danach setzt die Grenzflächendurchmischung erst ein, wenn die Spurbildungsschwellen in beiden Materialien des Dünnschichtsystems überschritten sind. Ähnlich wie bei der Spurbildung fällt die Mischschwelle für Isolatoren am geringsten aus. Bei höherem elektronischen Energieverlust wurde auch Grenzflächendurchmischung in Si-Schichtsystemen beobachtet. Für Ni und Cu auf SiO2 konnte selbst bei der größten deponierten Energiedichte (Au-Bestrahlung) kein Mischeffekt beobachtet werden. Nach dem Thermal Spike Modell findet der Energieübertrag vom Elektronensystem auf das Gitter über Elektron-Phonon-Kopplung statt. Im Rahmen dieser Arbeit konnte eine Korrelation zwischen den Schwellen der Grenzflächendurchmischung und den für dieses Modell wichtigsten Parametern (Wärmeleitfähigkeit, Wärmekapazität, Schmelztemperatur und Bandlücke) gefunden werden. Entsprechend dem Thermal Spike Modell kommt es in Folge der Ionenbestrahlung zu einer Erhöhung der Temperatur im Gitter, die nahe der Ionenbahn sogar den Schmelzpunkt des Materials überschreiten kann. Diese gaussförmige Temperaturverteilung verbreitert sich aufgrund der Wärmeleitung im Verlauf der Zeit und erreicht nach einigen 10 bis 100 ps wieder die Umgebungstemperatur. Abschätzungen von Diffusionskonstanten aus den beobachteten Mischraten stützen die These, dass die Grenzflächendurchmischung in flüssiger Phase erfolgt. Ein anderes theoretisches Modell basiert auf der Coulombabstoßung ionisierter Targetatome entlang der Ionenbahn. Nach dem Coulomb Explosions Modell ist eine Korrelation zwischen dem Elastizitätsmodul und der Schwelle der Grenzflächendurchmischung zu erwarten. Da ein solcher Zusammenhang nicht gefunden wurde, ist die Coulomb Explosion als dominierender Prozess auszuschließen. Oberhalb der Schwelle wächst die Mischrate quadratisch mit dem elektronischen Energieverlust. Ein solches Verhalten ist nach dem Global Thermal Spike Modell zu erwarten. Das Global Thermal Spike Modell geht von einer nahezu eindimensionalen instantanen Energiedeposition entlang der Ionenbahn aus, die sich anschließend in Form von Wärmeenergie radial zur Ionenbahn verteilt und so die Ausbildung zylindrischer Spuren erklärt. Neben den Untersuchungen an Dünnschichtsystemen wurde die ionenstrahlinduzierte Spurbildung in NiO-Einkristallen analysiert. Dazu wurden die Proben im gleichen Energiebereich bestrahlt und anschließend mit einem Transmissions Elektronen Mikroskop untersucht. Neben 10 nm großen kugelförmigen Ausscheidungen an der Probenoberfläche wurden hohle Kanäle von etwa 3 nm Durchmesser entlang der Ionenbahn gefunden. Ein Erklärungsansatz des Phänomens basiert auf der Dichteänderung der flüssigen gegenüber der kristallinen Phase, was aufgrund des hohen Drucks zu Ausscheidungen an der Probenoberfläche führt. Rekristallisationsprozesse in Folge der Spurbildung könnten das Aufreißen entlang der Ionenbahn erklären.

The aim of this work was the investigation of atomic transport processes induced by swift heavy ion irradiation in thin layer systems. Oxides (NiO, Cu2O, CuO, ZnO) on thermally grown SiO2, NiO and Ni3N on different substrates (SiO2, Si3N4, SiC, Si, Al2O3), as well as metals (Ni, Cu) on thermally grown SiO2 have been investigated. The top layers of about 100 nm thicknesses have been produced by (reactive) magnetron sputtering. In the energy range of keV/amu, nuclear energy deposition is dominating, where elastic collisions between the ion and the target atoms take place. Electronic excitation and ionization processes slow down the ion in the electronic energy loss (Se) regime of MeV/amu, where nuclear stopping is negligible. To investigate the dependence of the interface mixing on the energy deposition Se, the samples were irradiated with Ar, Kr, Xe and Au ions at energies varying from 90 MeV up to 350 MeV at about 80 K. Interface mixing was analyzed by means of Rutherford backscattering (RBS) measurements. As a general observation it was found that mixing due to electronic energy deposition only occurs above a material threshold Sec. A correlation between the appearance of intermixing and defect or track formation in bulk materials is considered. Thus the threshold of intermixing is determined by the less Se-sensitive component of the bilayer, and that efficient mixing can occur only if Se exceeds the track formation threshold for both components forming the interface. Low thresholds are observed for ceramic/ceramic bilayers, while higher values are determined for ceramic/Si bilayers. On the other hand no mixing was found for Ni/SiO2 and Cu/SiO2 even after irradiation with 350 MeV Au ions. According to the thermal spike model the energy is transferred to the lattice via electron phonon coupling, which leads to an increase in the lattice temperature along the ion path. As a consequence, of sufficiently high energy deposition, the material could even melt. After rapid quenching within about 10 to100 ps amorphous tracks may finally be left. Correlations between the thresholds of intermixing and parameters (the thermal conductivity Kth, the melting temperature Tm and the band gap Eg) connected with the thermal spike model were observed. The estimation of the diffusion constants from the interface mixing supports the assumption that mixing occurs in a molten track. Another model is based on the repulsive Coulomb force between ionized atoms along the ion path. The consideration of the Coulomb explosion model would lead to expect low thresholds of intermixing for low values of the Young moduli E of the layer determining the threshold. No correlation between the onset of intermixing and the elastic module was observed. This denotes that the Coulomb explosion at least is not the dominating process, it is rather superposed by the thermal spike which stays about two orders of magnitude longer. Above the threshold Sec the mixing rate k was found to scale with the square of Se as it is predicted by the global thermal spike model. The model was developed for low energy (keV/amu) mixing and is based on one dimensional instantaneous energy deposition along the ion path. This finally leads to a cylindrical global thermal spike where the lattice attains a very high temperature. To examine the track formation in NiO, single crystals of NiO were irradiated with ions in the same energy range. The track formation was investigated by using a transmission electron microscopy. Ion tracks with an empty channel of about 3 nm in diameter at its center have been observed. The void formation conforms with the observation of spherical nanoparticle (10 nm in diameter) at the surface. A possible explanation is based on the change of density from a solid crystal to liquide, which could be the origin of the segregation on the surface. Fast recrystallization from the matrix at the boundary of the track generate stress along the ion path and as a consequence of the stress the material cracks along the ion path and a void is formed.