Modifikation von Halbmetall- und Halogenid-Dünnschichtsystemen durch Hochenergie-Ionenbestrahlung

Abstract

Gegenstand dieser Arbeit war die Untersuchung verschiedener durch Hochenergie- Ionenbestrahlung (SHI) induzierter Prozesse in Dünnschichtsystemen. Dabei wurden Daten zur Grenzflächendurchmischung von Bariumfluorid und Kalziumfluorid auf Substraten aus kristallinem Silizium, amorphem Silizium und amorphem Siliziumoxid, sowie des Halbmetalls Bismut auf Substraten aus kristallinem Silizium und amorphem Siliziumoxid gesammelt. Die Herstellung der Schichtsysteme erfolgte durch thermisches Aufdampfen der Deckschicht entweder beheizten oder bei Raumtemperatur befindlichen Substraten. Um die deponierten Energiedichte zu variieren, wurden die Proben mit Ar-, Kr-, Xe- und Au-Ionen von 110 MeV bis zu 600 MeV Energie bestrahlt. Alle Proben wurden mit Rutherford Rückstreuspektrometrie (RBS) untersucht und so Konzentrationstiefenprofile verschiedener Elemente in der Probe zur Quantifizierung der Grenzflächendurchmischung gewonnen. Außerdem liefert diese Methode Informationen über die atomare Flächenbelegung und deren laterale Schwankungen. Grenzflächendurchmischung durch SHI: Systeme mit kristallinem Silizium als Substrat zeigten in keinem Fall eine Grenzflächendurchmischung. In Übereinstimmung mit dem bisherigen Kenntnisstand zeigten Schichtsysteme, die eine Grenzflächendurchmischung aufwiesen, eine materialabhängige Schwelle für das Einsetzten dieses Prozesses. Die gefundenen Mischraten sind mit den bekannten Mischraten für kovalent gebundener Materialien vergleichbar. Die bekannte Korrelation zwischen dem Einsetzen der Durchmischung und dem Auftreten von Ionenspuren in den einzelnen Materialien, konnte in dieser Arbeit bestätigt werden. Sind die Stoffe welche die Grenzfläche bilden, chemisch nicht mischbar, dann tritt auch keine Grenzflächendurchmischung auf. Dies ist beim System Bismut auf Siliziumoxid der Fall. Es konnte gezeigt werden, dass Bismut nur dann in einer Siliziumoxid Matrix diffundieren kann, wenn zusätzlicher Sauerstoff vorhanden ist. Die nach dem Thermal Spike Modell erwartete Korrelation zwischen den Schwellen der Grenzflächendurchmischung und den für dieses Modell wichtigen Materialkonstanten konnte für die untersuchten Materialien bestätigt werden. Für eine Diffusion der Materialien in geschmolzener Phase, wie dies das Thermal Spike Modell nahe legt, sprechen die Werte für die Diffusionskonstanten, die aus den Mischraten bestimmt wurden. Die in dieser Arbeit beobachteten Mischraten wachsen oberhalb der Schwelle quadratisch mit dem elektronischen Energieverlust. Ein solches Verhalten wurde auch bei kovalent gebundenen Materialien gefunden und lässt sich mit dem Global Thermal Spike Modell erklären. Trägt man die Wurzel der Mischrate als Funktion des Energieverlustes auf, so wächst diese oberhalb der Schwelle linear mit dem Energieverlust. Die Steigung dieser Geraden ist die Mischeffizienz. Die für die Mischeffizienzen bestimmten Werte sind mit denen kovalent gebundener Isolatoren vergleichbar. Kompaktierung durch SHI: Das erste Mal konnte die Kompaktierung poröser nicht amorpher Materialien durch SHI experimentell nachgewiesen werden. Hierzu wurden poröse Schichten aus Bariumfluorid und Kalziumfluorid auf kristallinem Silizium und amorphem Siliziumoxid hergestellt. In Übereinstimmung mit den Vorhersagen der Theorie hängt die, Kompaktierungsrate (Zunahme der mittleren Dichte) nur von der anfänglichen Dichte des Materials, nicht aber von der Dicke der Schicht ab. Gleichzeitig mit der der Kompaktierung, wird die laterale Dichteverteilung homogenisiert. Die Daten aus den RBS-Messungen ermöglichen eine Quantifizierung der lateralen Dichteschwankungen,die exponentiell mit der Bestrahlungsfluenz abnehmen. Die Homogenisierungsrate steigt in den untersuchten Materialien linear mit dem Energieverlust an. Je dicker eine Schicht ist und je größer die anfänglichen Dichteschwankungen sind, um so langsamer erfolgt die Homogenisierung. Sowohl die Abhängigkeit der Homogenisierung von der Schichtdicke, als auch die Unabhängigkeit der Kompaktierung von der Schichtdicke, konnten durch Computer-Simulationen bestätigt werden. Aus den RBS-Messungen ließ sich außerdem die Abnahme der atomaren Flächenbelegung durch das Absputtern von Molekülen auf Grund des elektronischen Energieverlustes der Ionen im Material bestimmen. Die sehr hohen Sputterausbeuten, die für Halogenidverbindungen typisch sind, konnten in dieser Arbeit für Bariumfluorid und Kalziumfluorid beobachtet werden. Die experimentellen Ergebnisse einer internationalen Forschergruppe zum Sputterverhalten von Kalziumfluorid-Einkristallen Konnten durch Experimente mit Dünnschichtsystemen bestätigt werden.

The subject of this work was the modification of thin film systems by swift heavy ion irradiation (SHI). Data of interface mixing by barium fluoride and calcium fluoride on substrates of crystalline silicon, amorphous silicon and amorphous silicon oxide, as well as the metalloid bismuth on substrates from crystalline silicon and amorphous silicon oxide. The production of the layer systems took place via thermal evaporating of the surface layer either on heated substrates or on substrates at ambient temperature. In order to vary the deposited energy density, the samples were irradiated with Ar-, Kr -, Xe and Au ions of 110 MeV up to 600 MeV energy. All samples were analyzed with Rutherford backscattering spectrometry (RBS) and depth profiles of different elements in the samples have been extracted to quantify the interface mixing. In addition this method provided information about the atomic area density and their lateral fluctuations. Interface mixing by SHI: Systems with crystalline silicon as substrate showed no interface mixing. In agreement with earlier experiments, layer systems which exhibited interface mixing showed a material-dependent threshold for this process. The found mixing rates correspond well to the rates for covalent bound materials. The well-known correlation between starting of mixing and the occurrence of ion tracks in the individual materials could be confirmed in this work. If the materials which form the interface are chemically not mixable, then also no interface mixing by SHI arises. This is the case for the system bismuth on silicon oxide. It could be shown that bismuth can diffuse only in silicon oxide matrix, if additional oxygen is present. The correlation between the thresholds of the interface mixing and the material constants relevant for the Thermal spike model could be confirmed for the examined materials. Diffusion of the materials in molten phase, as the Thermal Spike Model predicts, is in good agreement with the diffusion constants, which were determined from the mixing rates. The mixing rates observed in this work grow squarely with the electronic loss of energy above the threshold. Such a behaviour was also found for covalent bound materials and can be explained with the Global Thermal Spike Model. If one plots the square root of the mixing rate as function of the energy loss, then the grows above the threshold is linear with the energy loss. The upward gradient of this straight line is the mixing efficiency. The values for the mixing efficiencies of this work are comparable to the ones of covalent bound insulators. Compaction by SHI: It was possible to observe compaction of porous crystalline materials by SHI experimentally. For these experiments porous layers were made of barium fluoride and calcium fluoride on crystalline silicon and amorphous silicon oxide. In agreement with the forecasts of the theory the compacting rate (increase of the middle density) only depends on the initial density of the material, not on the thickness of the layer. At the same time with that compacting, the lateral density distribution is homogenized. The data from the RBS measurements make a quantification of the lateral density variations, which decrease exponentially with the irradiation fluence, possible. The homogenizing rate rises in the examined materials, linear with the loss of energy. The thicker a layer and the larger the initial density variations, the slower the homogenization. Both the dependence of the homogenization on the layer thickness and the independence of compaction of the layer thickness could be confirmed by computer simulations. From the RBS measurements the sputtering of molecules from the samples due to the electronic energy loss of the ions in the material was calculated. The very high sputtering yields, which are typical for halides, could be observed in this work for barium fluoride and calcium fluoride. The experimental results of an international group of researchers to the sputtering behaviour of calcium fluoride single crystals could be confirmed by experiments with thin film systems.