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 von lamellaren und sph"arischen $SiC_x$-Ausscheidungen an der vorderen Grenzfl"ache zur durchgehenden amorphen $SiC_x$-Schicht bei Hoch-dosis-Kohlenstoff-Implantation in Silizium erkl"aren soll.
   5 Die Entstehung solcher Ausscheidungen beobachtet man nur unter bestimmten Implantationsbedingungen.
   6 Im Folgenden sollen einige der experimentellen Ergebnisse bez"uglich der Bildung der geordneten Ausscheidungen aus \cite{maik_da} zusammengefasst werden.
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   8   \section{Lage und Ausdehnung der amorphen Phasen}
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  10   \begin{figure}[h]
  11   \includegraphics[width=12cm]{k393abild1_.eps}
  12   \caption{Hellfeld-TEM-Abbildung einer bei $150 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ mit $180 keV \quad C^+$ 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}}
  13   \label{img:xtem_img}
  14   \end{figure}
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  16   Abbildung \ref{img:xtem_img} zeigt eine Cross-Section TEM-Aufnahme 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 durchgehende 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   \begin{figure}[!h]
  27   \begin{center}
  28   \includegraphics[width=6cm]{uni-logo.eps}
  29   \end{center}
  30   \caption{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}}
  31   \label{img:lua_vs_d}
  32   \end{figure}
  33   \begin{figure}[h]
  34   \includegraphics[width=12cm]{temdosisai1.eps}
  35   \caption{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}}
  36   \label{img:temdosis}
  37   \end{figure}
  38   Die Lage und Ausdehnung der Lamellen sowie der durchgehenden amorphen Schicht ist abh"angig von der implantierten Dosis.
  39   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.
  40   In Abbildung \ref{img:temdosis} sind die dazugeh"origen Hellfeld-TEM-Abbildungen zu den ersten vier Dosen abgebildet.
  41   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.
  42   F"ur die kleinste Dosis von $1,0 \times 10^{17} cm^{-2}$ wird keine durchgehende amorphe Schicht beobachtet.
  43   Stattdessen kann man zahlreiche $3 nm$ gro"se, teilweise zusammenwachsende amorphe Einschl"usse erkennen.
  44   F"ur Dosen oberhalb $1,0 \times 10^{17} cm^{-2}$ entstehen durchgehende amorphe Schichten.
  45   Gut zu erkennen ist, dass sich die, mit steigender Dosis anwachsende durchgehende Schicht um das Kohlenstoffverteilungsmaximum erstreckt.
  46   Wie man in Abbildung \ref{img:temdosis} gut erkennen kann, bilden sich die lamellaren Ausscheidungen an der vorderen Grenzfl"ache zur durchgehenden amorphen Schicht erst ab einer Dosis von $3,3 \times 10^{17} cm^{-2}$.
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  48   \section{Temperaturabh"angigkeit}
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  50   Die Ausdehnung
  51   Die Implantationstemperatur muss 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.
  52   F"ur Kohlenstoff in Silizium sind Temperaturen zwischen $150$ und $400 \, ^{\circ} C$ geeignet.
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  55   Neben 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.
  56   Entscheidend ist eine Dichtereduktion des Materialsystems bei der Amorphisierung, worauf im n"achsten Abschnitt eingegangen wird.
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  58   \section{Kohlenstoffverteilung}
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  60   Da bei diesen Temperaturen kaum Amorphisierung zu erwarten ist \cite{kaum_amorph_bei_high_t}, muss sehr viel Kohlenstoff implantiert werden, was letztendlich zur Nukleation kohlenstoffreicher amorpher $SiC_x$-Ausscheidungen f"uhrt \cite{c_beguenstigt_amorph}.
  61   Diese