nlsop/diplom/exp_befunde.tex

   1 \chapter{Experimentelle Befunde}
   2 \label{chapter:exp_befunde}
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   4 Gegenstand dieser Arbeit ist die Umsetzung eines Modells, welches den Selbstorganisationsvorgang bei der Bidlung von lamellaren und sph"arischen $SiC_x$-Ausscheidungen an der vorderen Grenzfl"ache zur durchgehend amorphen $SiC_x$-Schicht bei Hochdosis-Kohlenstoff-Implantation in Silizium erkl"aren soll.
   5 Neben der Kohlenstoffimplantation in Silizium wurden solche Ausscheidungen auch in Hochdosis-Sauerstoffimplantation in Silizium, $Ar^+$ in Saphir und $Si^+$ in $SiC$ \cite{van_ommen,specht,ishimaru} gefunden.
   6 Allen Systemen gemeinsam ist eine drastische Dichtereduktion von mehr als $3-10 \, \%$ des Targetmaterials bei der Amorphisierung, worauf im n"achsten Kapitel genauer eingegangen wird.
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   8 Die Entstehung solcher Ausscheidungen beobachtet man nur unter bestimmten Implantationsbedingungen.
   9 Im Folgenden sollen einige der experimentellen Ergebnisse bez"uglich der Bildung der geordneten Ausscheidungen aus \cite{maik_da} zusammengefasst werden.
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  11 Es wurden Implantationen von Ionen der Energie $180 \, keV$ in einem Winkel von $\alpha = 7^{\circ}$ und einer Dosisrate von $\dot{D} = 10 \, \mu A cm^{-2}$ in einem Temperaturbereich von $150$ bis $250 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ in $(100)$ $Si$ f"ur verschiedene Dosen zwischen $1,0$ und $8,5 \times 10^{17} cm^{-2}$ durchgef"uhrt und untersucht.
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  13   \section{Lage und Ausdehnung amorpher Phasen}
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  15   \printimg{h}{width=15cm}{k393abild1_.eps}{Hellfeld-TEM-Abbildung einer bei $150 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ mit $180 \, keV$ $C^+$ implantierten $Si$-Probe mit einer Dosis von $4,3 \times 10^{17} cm^{-2}$. (L: amorphe Lamellen,  S: sph"arische amorphe Ausscheidungen) \cite{maik_da}}{img:xtem_img}
  16   Abbildung \ref{img:xtem_img} zeigt eine Cross-Section TEM-Aufnahme (Querschnittsaufnahme) einer mit $4,3 \times 10^{17} cm^{-2}$ $180 \, keV \, C^{+}$-inplantierten Probe.
  17   Die hellen Gebiete sind amorph, dunkle Gebiete kristallin.
  18   In einer Tiefe von ungef"ahr $300 \, nm$ beginnt die durchgehend amorphe Schicht.
  19   An der vorderen Grenzfl"ache sind die lamellaren und sph"arischen $SiC_x$-Ausscheidungen zu erkennen.
  20   Diese erstrecken sich "uber einen Tiefenbereich von ca. $100 \, nm$.
  21   Die Lamellen sind parallel zur Targetoberfl"ache ausgerichtet.
  22   Die H"ohe der Ausscheidungen betr"agt ungef"ahr $3 \, nm$.
  23   Im rechten Teil von Abbildung \ref{img:xtem_img} sieht man einen vergr"o"serten Ausschnitt der vorderen Grenzfl"ache.
  24   Man erkennt die regelm"a"sige Anordnung der lamellaren Ausscheidungen ($L$) in Abst"anden, die ungef"ahr der H"ohe der Ausscheidungen selbst entsprechen.
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  26   \printimg{h}{width=10cm}{a-d.eps}{Mittels TEM bestimmte Position und Ausdehnung amorpher Phasen in bei $150 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ implantierten Proben in Abh"angigkeit von der implantierten Dosis. \cite{maik_da}}{img:lua_vs_d}
  27   \printimg{h}{width=15cm}{temdosisai1.eps}{Hellfeld-TEM-Abbildung der Schichtstruktur der bei $150 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ implantierter Proben mit Dosen von: $a)$ $1,0$, $b)$ $2,1$, $c)$ $3,3$ und $d)$ $4,3 \times 10^{17} cm^{-2}$. \cite{maik_da}}{img:temdosis}
  28   Die Lage und Ausdehnung der Lamellen sowie der durchgehend amorphen Schicht, ist abh"angig von der implantierten Dosis.
  29   Abbildung \ref{img:lua_vs_d} zeigt die in \cite{maik_da} mittels TEM bestimmte Position und Ausdehnung amorpher Phasen unter denselben Implantationsbedingungen abh"angig von der Dosis.
  30   In Abbildung \ref{img:temdosis} sind die dazugeh"origen Hellfeld-TEM-Abbildungen zu den ersten vier Dosen abgebildet.
  31   Die mit $R_{max}$ gekennzeichnete Linie in Abbildung \ref{img:lua_vs_d} gibt die Position des Kohlenstoffkonzentrationsmaximums an, welches f"ur kleine Dosen mittels {\em TRIM} und f"ur hohe Dosen durch RBS- und TEM-Messungen bestimmt wurde.
  32   F"ur die kleinste Dosis von $1,0 \times 10^{17} cm^{-2}$ wird keine durchgehend amorphe Schicht beobachtet.
  33   Stattdessen kann man zahlreiche $3 \, nm$ gro"se, teilweise zusammenwachsende amorphe Einschl"usse erkennen.
  34   F"ur Dosen oberhalb $1,0 \times 10^{17} cm^{-2}$ entstehen durchgehend amorphe Schichten.
  35   Gut zu erkennen ist, dass sich die, mit steigender Dosis anwachsende durchgehende Schicht um das Kohlenstoffverteilungsmaximum erstreckt.
  36   Wie man in Abbildung \ref{img:temdosis} gut erkennen kann, bilden sich die lamellaren Ausscheidungen an der vorderen Grenzfl"ache zur durchgehend amorphen Schicht erst ab einer Dosis von $3,3 \times 10^{17} cm^{-2}$ und werden mit steigender Dosis sch"arfer.
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  38   \section{Temperaturabh"angigkeit}
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  40   Die Position und Ausdehnung der amorphen Phasen ist au"serdem abh"angig von der Implantationstemperatur.
  41   F"ur die Bildung durchgehend amorpher Schichten und lamellarer Ausscheidungen an der Grenzfl"ache muss die Implantationstemperatur hoch genug sein, um eine komplette Amorphisierung der Targetoberfl"ache, und gleichzeitig niedrig genug, um die Kristallisation amorpher Ausscheidungen zu kubischen $3C-SiC$-Pr"azipitaten zu verhindern.
  42   F"ur Kohlenstoff in Silizium sind Temperaturen zwischen $150$ und $400 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ geeignet.
  43   \printimg{h}{width=10cm}{a-t.eps}{Schematischer Aufbau des implantierten Schichtsystems f"ur $180 \, keV$ $C^+$"=Implantationen in $(100)Si$ mit einer Dosis von $4,3 \times 10^{17} cm^{-2}$ in Abh"angigkeit von der Temperatur. \cite{maik_da}}{img:lua_vs_t}
  44   Abbildung \ref{img:lua_vs_t} zeigt die Position und Ausdehnung der strukturell verschiedenen Bereiche f"ur $180 \, keV \, C^+$-implantierte Proben mit einer Dosis von $4,3 \times 10^{17} cm^{-2}$ abh"angig von der Implantationstemperatur.
  45   Die Dicke der durchgehenden Schicht nimmt mit steigender Temperatur ab.
  46   Dies deutet auf eine erleichterte Rekristallisation bereits amorphisierten Siliziums, beziehungsweise erschwerte Amorphisierung kristallinen Siliziums, bei h"oheren Temperaturen hin.
  47   Auff"allig ist weiterhin die Ausdehnung der amorphen Schicht um das Kohlenstoffverteilungsmaximum.
  48   Die Kohlenstoffkonzentrationen an der vorderen Grenzfl"ache  f"ur $150 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ betr"agt $15 \, at.\%$, bei $200 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ $20 \, at.\%$ und bei $250 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ $25 \, at.\%$.
  49   Dies weist auf einen Beitrag des Kohlenstoffs zur Amorphisierung hin, der f"ur h"ohere Temperaturen aufgrund der erschwerten Amorphisierung ansteigen muss, um Amorphisierung zu beg"unstigen.
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  51   \section{Kohlenstoffverteilung}
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  53   Im letzten Abschnitt wurde deutlich, dass die Amorphisierung stark abh"angig von der Implantationstemperatur ist.
  54   Da in den hier verwendeten Temperaturen zwischen $150$ bis $250 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ f"ur niedrige Dosen kaum Amorphisierung zu erwarten ist \cite{linnross}, muss sehr viel Kohlenstoff implantiert werden, was letztendlich zur Nukleation kohlenstoffreicher amorpher $SiC_x$-Ausscheidungen f"uhrt \cite{kennedy}.
  55   \printimg{h}{width=15cm}{eftem.eps}{a) Hellfeld- und b) Elementverteilungsaufnahme der vorderen Grenzschicht einer mit $4,3 \times 10^{17} cm^{-2}$ bei $200 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ implantierten Probe. Amorphe Bereiche in der Hellfeldaufnahme erscheinen hell, hohe Kohlenstoffkonzentrationen in der Elementverteilungsaufnahme sind gelb, niedrige blau. \cite{maik_da}}{img:eftem}
  56   Dies wird durch die Gegen"uberstellung (Abbildung \ref{img:eftem}) einer Hellfeldaufnahme mit einer zugeh"origen, durch energiegefiltertes TEM gewonnenen Elementverteilungsaufnahme, einer bei $200 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ und sonst gleichen Bedingungen implantierten Probe, best"atigt.
  57   Die lamellaren amorphen Bereiche weisen eine erh"ohte Kohlenstoffkonzentration im Gegensatz zu den kristallinen Bereichen auf.