Einfluß der Depositionsenergie auf die Strukturbildung, Selbst– und Multiaffinit¨ at im Fall von Aufdampf– und Sputterschichten

Die experimentelle Tatsache, daß Oberfl¨achenmorphologien von gesputterten Schichten mit ab-nehmendem Druck des Sputtergases und im Vergleich zu Aufdampfschichten sich durch gerin-gere Rauhigkeit und reduzierte Strukturbildung auszeichnen (Kap. 3.1.8 und 3.1.7), kommt in Abb. 5.14 zum Ausdruck (hinsichtlich der Strukturbildung siehe auch Abb. 3.18 und Abb. 3.19). Hier zeigen die Korrelationsfunktionen im Orts– und Fourierraum im Fall von Sputterschichten kein charakteristisches Maximum bzw. Minimum bei einer typischen Struk-turgr¨oße; es l¨aßt sich daher auch lediglich die Korrelationsl¨ange ξ definieren (Kap. 2.4).

0.1 1.0 Korrelationsfunktio-nen h¨oherer Ordnung einer 480nm dicken gesputterten Zr₆₅Al_7.5Cu_27.5– Schicht (f¨ur n = 1 bis 10 von unten nach oben).

Diese variiert bei konstantem Ar–Gasdruck im Rah-men der Streuung der Meßwerte nicht sehr stark:(7.2± 1.0)nm mit der Schichtdicke, Abb. 3.19. Da eine breite Winkelverteilung der Geschwindigkeiten der Partikel im Fall von Sputtern zu verst¨arkter Rauhigkeit f¨uhrt (vgl.

Verkippung des Substrates bei Rotation – Kap. 3.1.3), kann die Energie der Atome als wesentliche Ursache f¨ur die Modifikation der Oberfl¨achenkinetik identifiziert werden. Sowohl die Korrelationsfunktionen im Orts–

wie im Fourierraum zeigen hinsichtlich ihres Skalenver-haltens f¨ur alle betrachteten Schichtherstellungsbedin-gungen ein vergleichbares Verhalten f¨ur Aufdampf– und Sputterschichten (vgl. auch Abb. 3.19). Dies gilt auch f¨ur das Skalenverhalten der Rauhigkeit in den Fr¨ uhsta-dien des Schichtwachstums; hier wird in ¨ Ubereinstim-mung mit den Aufdampfschichten [Rei96, May97] ein Wachstumsexponent β ≈ 0.25± 0.05 bestimmt. Da-bei weisen Sputterschichten eine Da-bei 100nm Schicht-dicke mit der Dicke s¨attigende Rauhigkeit auf im Gegen-satz zum Aufrauhungsverhalten der Aufdampfschichten (Abb. 3.16). Dies ist ein deutliches Indiz f¨ur die Tatsa-che, daß im Sinne einer Kontinuumsmodellierung der Oberfl¨ache (Kap. 4.4) in guter N¨aherung gleiche funk-tionale Abh¨angigkeiten der Oberfl¨ achenrelaxationster-me vorhanden sind, jedoch sich die Koeffizienten durch den Energie¨ubertrag der deponierten Atome deutlich ver¨andern. Diese Parametermodifikation kann offensichtlich so stark sein, daß sogar die lineare Instabilit¨at, die im Fall der Aufdampfschichten nachgewiesen werden konnte [May97] (und zur deutlichen Aufrauhung mit der Schichtdicke f¨uhrt) zumindest deutlich redu-ziert wird, wenn sie nicht vollst¨andig verschwindet.

Im Rahmen der Kontinuumsmodellierung (Kap. 4.7) des Schichtwachstums kristalliner Si–

Schichten in Abh¨angigkeit von der Depositionsenergie wird gerade eine erh¨ohte atomare Kinetik auf der Oberfl¨ache durch einen einfachen atomaren

”Herausschlagmechanismus“ modelliert. Er wirkt der vorhandenen Instabilit¨at

”Ehrlich–Schwoebel–Barriere“ entgegen, indem durch Ener-gie¨ubertrag auf Oberfl¨achenatome eine Gl¨attung erreicht wird. Im Fall amorpher Sputterschich-ten sollte ein derartiger Effekt ebenso zu erwarSputterschich-ten sein, wobei zus¨atzlich mit zunehmender Partikelenergie eine Reduktion der Selbstabschattung, die hier zu der genannten linearen In-stabilit¨at f¨uhrt, stattfinden wird (Kap. 4.5,4.7 und C). Insbesondere erscheinen sowohl in den Simulationen (Abb. 4.32), als auch in den Experimenten die Schichtmorphologien bei energe-tischer Deposition aufgrund ihres Skalenverhaltens und des Fehlens deutlicher Strukturbildung in guter N¨aherung selbstaffin zu sein. Zur detaillierteren Untersuchung sind in Abb. 5.15 die

0.1 1.0 10.0 100.0 r / nm

0.01 0.10 1.00

H(r) / nm2

Gedampft

Gesputtert (6.0 10^-3mbar) Gesputtert (0.5 10^-3mbar)

Strukturbildung

Selbstaffin RC

~r^1.6

ξ ξ

0.1 1.0

q / nm^-1 10-7

10-6 10-5 10-4 10-3

C(q) / nm2

~q^-4 Maximum: Strukturbildung

Keine Strukturbildung, Selbstaffin

Diffusions-kontrolliert

Abbildung 5.14.:H¨ohendifferenzkorrelationsfunktionH(r)(oben) und Intensit¨atsverteilung im Fou-rierraumC(q)f¨ur100nm dicke Zr₆₅Al_7.5Cu_27.5–Schichten, die durch Aufdampfen und Sputtern her-gestellt wurden – Abb.3.20. Nur im Fall von Bedampfung ist deutliche Strukturbildung erkennbar.

H¨ohendifferenzkorrelationsfunktionen Hn(r)h¨oherer Ordnung n=1, 2, ...

Hn(r) =

|h(R) −h(x+R)|ⁿ

R,|x|=r (5.24)

f¨ur eine experimentelle480nm dicke Sputterschicht, die bei einem Ar–Druck von2.0·10⁻³mbar hergestellt wurde, aufgetragen. Ihr Skalenverhalten mit dem Rauhigkeitsexponenten αn kann als Kriterium f¨ur das Vorhandensein von Selbstaffinit¨at (αn= α ∀n) oder Multiaffinit¨at (im allgemeinen α_n = α – die Oberfl¨ache ist durch eine Vielzahl von Rauhigkeitsexponenten zu beschreiben) benutzt werden. Da sich die Rauhigkeitsexponenten αnnicht sehr stark f¨ur sehr unterschiedlichenunterscheiden, kann also in relativ guter N¨aherung noch von ann¨ahernd selbst-affinen Morphologien ausgegangen werden. Insbesondere im Vergleich zu Aufdampfschichten, bei denen sie um nahezu eine Gr¨oßenordnung [May97] differieren, ist die Diskrepanz vernachl¨ assig-bar klein. Ein Indiz daf¨ur ist auch, daß sich bei der Auswertung unterschiedlich großer STM–

Bildausschnitte durch Berechnung der H¨ohendifferenzkorrelationsfunktion der Rauhigkeitsexpo-nentαnicht sehr ¨andert. Dennoch ist nat¨urlich dem Konzept der Selbstaffinit¨at nach unten hin durch die endliche Atomgr¨oße und die Aufl¨osung des STMs eine Grenze gesetzt, bei der große Abweichungen bei einer entsprechenden Auswertung auftreten.

In der vorliegenden Arbeit wurde das Wachstum und die Spannungsentwicklung amorpher und kristallisierter Schichten unter gew¨ohnlichen und extremen Bedingungen untersucht, wobei unter dem Betriff

”extrem“ die gezielte Variation von Depositionsparametern – wie die Verkippung des Substrats bei der Schichtherstellung (mit und ohne Rotation um die Substratnormale), die Va-riation der Aufdampfrate, der Art des Substrates und der Depositionsenergie – zur Identifikation ihres Einflusses auf die Morphologie – verstanden wird. Durch eine Temperaturbehandlung und das Herstellen grenzfl¨achenphasenstabilisierter amorpher Schichten war es m¨oglich, insbesondere durch STM– und Widerstandsmessungen, Aspekte des Schichtwachstums unter hohem Grenz-fl¨achenmisfit, der Kristallisationskinetik, sowie des Wachstums und der Spannungsentwicklung vor, w¨ahrend und nach der Kristallisation zu analysieren.

Molekulardynamiksimulationen, kinetische Monte–Carlo–Simulationen, sowie Kontinuums-modelle zum Wachstums– und Schichtrelaxationsverhalten dienten dazu, wesentliche Mechanis-men des experiMechanis-mentellen Schichtwachstums zu identifizieren, wobei zus¨atzlich der Einfluß der Meßmethode selbst auf das Meßergebnis simuliert wurde.

Das Wachstum und die Spannungsentwicklung amorpher Zr₆₅Al_7.5Cu_27.5–Schichten unter thermischer Schichtdeposition senkrecht zum Substrat ist gekennzeichnet durch eine Wachstums-instabilit¨at, die durch ein Zusammenspiel von kr¨ummungsinduzierter Oberfl¨achendiffusion und Selbstabschattung zustandekommt. Bei gr¨oßeren Oberfl¨achenrauhigkeiten werden weitere nicht-lineare Effekte wichtig, die auf einem Adatomkonzentrationsausgleich und der Ausbildung von Uberh¨¨ angen an den H¨ugelflanken basieren. Ab dem Zeitpunkt der Dominanz der Oberfl¨ achenin-stabilit¨aten kommt es zu dreidimensionalen Wachstum aufgrund von Anziehungs–, Koaleszenz–

und Relaxationseffekten zwischen den einzelnen H¨ugeln, die f¨ur starke Zugspannungen in den Wachstumssp¨atstadien verantwortlich sind. Diese neuartige Interpretation der Meßergebnisse ergibt sich aus einem Vergleich von Molekulardynamik–Simulationen und experimentellen Er-gebnissen und wird hier erstmalig vorgeschlagen. Die Druckspannungen w¨ahrend der Fr¨ uhstadi-en lassuhstadi-en sich durch Ver¨anderung der Oberfl¨achenpackungsdichte durch das Zusammenspiel von Oberfl¨achenspannung und Oberfl¨achenenergie erkl¨aren. Das Wachstumsverhalten k¨onnte sich auch nach Schichtherstellung z.B. im Bruchverhalten der Schichten wiederspiegeln.

Bei Substratverkippung wirken grunds¨atzlich dieselben Mechanismen auf der amorphen Oberfl¨ache, nur spielen zus¨atzlich mit zunehmendem Verkippungswinkel die geometrische Ab-schattung in den H¨ugelt¨alern und das Ausbilden von ¨Uberh¨angen eine gr¨oßere Rolle, wie indirekt durch Vergleich von Simulationen und Experimenten gezeigt werden konnte. Eine Abbildung der Oberfl¨achenmorphologie im STM ist wegen der Ausbildung der schneewehenartigen Strukturen nur noch bedingt m¨oglich.

Erst durch einen Nachweis der Substrat– bzw. Ratenunabh¨angigkeit der Oberfl¨ achenmor-phologie und Spannungen in weiten Bereichen ist eine Rechtfertigung erbracht f¨ur die Model-lierung des Wachstums mit Kontinuumswachstumsmodellen vomLangevin–Typ. Hier wird nur das Depositionsrauschen im Zusammenspiel mit Oberfl¨achenprozessen f¨ur das Schichtwachs-tum verantwortlich gemacht. Die experimentell nachgewiesene Ratenunabh¨angigkeit in weiten Bereichen erlaubt auch den Bezug zu MD–Simulationen, in denen sehr hohe Aufdampfraten verwendet werden, die erstmals mechanische Spannungen zeigen mit gleichen Abh¨angigkeiten, wie experimentell beobachtet werden.

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MBE–Wachstumsprozessen von Si mit Kontinuumswachstumsmodellen, zeigen die Rolle der Depositionsenergie hinsichtlich einer Erh¨ohung der Kinetik auf der Schichtoberfl¨ache, die zu relativ glatten Oberfl¨achenstrukturen f¨uhrt. Sputterexperimente an Zr₆₅Al_7.5Cu_27.5 und Daten aus der Literatur f¨ur gesputterte Si–Schichten belegen im Vergleich mit Simulationen die gute Anwendbarkeit der Modellgleichungen auch auf solche Schichten. Das zeigt schon in ersten Tests die Universalit¨at des hier vorgeschlagenen Modells.

Die Oberfl¨achenstrukturen von anf¨anglich amorphen Schichten unter Kristallisation h¨angen empfindlich von den Eigenschaften des betrachteten Systems ab, insbesondere, inwieweit der Bereich der unterk¨uhlten Schmelze durchlaufen wird. Ist das nicht der Fall, bleiben die Ober-fl¨achenstrukturen im wesentlichen erhalten, wobei nat¨urlich Details der Kristallisationskinetik eine Rolle spielen. Widerstandsmessungen sowohl bei aufgedampften, wie gesputterten unrela-xierten amorphen Zr₆₅Al_7.5Cu_27.5–Schichten zeigen bei erstmaligem Tempern im Bereich der unterk¨uhlten Schmelze ein Relaxationsverhalten, das sich im Rahmen irreversibler Relaxations-prozesse in ¨Ubereinstimmung mit Untersuchungen an Massivgl¨asern deuten l¨aßt. Daß dabei an der Oberfl¨ache tats¨achlich Fließen und nicht Diffusion (beide sind im Bereich der unterk¨uhlten Schmelze deutlich erh¨oht) die entscheidende Rolle spielt, kann durch numerische Analyse von STM–Daten gezeigt und auch simuliert werden.

Die Fr¨uhstadien des Wachstums grenzfl¨achenstabilisierter amorpher Fe100−xZrx–Schichten auf Zr sind inselartig, wobei mit zunehmender Schichtdicke aus den Inseln zusammenh¨angende Oberfl¨achenstrukturen mit einzelnen H¨ugeln werden. Beim ¨Uberschreiten der kritischen Schicht-dicke werden diese einzelnen H¨ugel im wesentlichen zu einzelnen Kristalliten. Darauf weisen STM–Messungen hin, mit denen sich die polymorphe Kristallisation durch das Entstehen von Terrassen auf den H¨ugeln eindeutig nachweisen l¨aßt, in ¨Ubereinstimmung mit RHEED und R¨ontgenmessungen. Spannungsmessungen im Bereich der polymorphen Kristallisation zeigen ein schwaches Signal eines Zugspannungsaufbaus im Sinne einer Volumenreduktion beim ¨ Uber-gang amorph→ kristallin. Mit zunehmender Schichtdicke kann man mit STM–Messungen aus-gepr¨agtes dreidimensionales Wachstum nachweisen, so daß in Analogie zum amorphen Schicht-wachstum im Rahmen von Relaxationsmodellen die auftretenden starken Zugspannungen erkl¨art werden k¨onnen.

Mit zunehmender Substrattemperatur kann beim Aufdampfen von Fe100−xZrx–Schichten auf Zr ein deutlicher Druckspannungseffekt nachgewiesen werden, wobei als Erkl¨arungsvorschlag die Eindiffusion von Fe in das Zr–Substrat als wesentlicher Mechanismus angegeben wird, da Au-germessungen auf eine Anreicherung mit Zr bei gleicher nomineller Schichtzusammensetzung hinweisen, und die temperaturabh¨angigen Druckspannungen deutlich gr¨oßer sind, als in ver-gleichbaren Messungen auf anderen Substraten, die in der Literatur genannt werden.

Generell zeigt sich sowohl im Fall amorpher, wie auch polykristalliner Schichten die Bedeu-tung der Wachstumsinstabilit¨aten f¨ur die Strukturbildung und Spannungsentwicklung, da unter den gegebenen Aufdampfbedingungen stets im Fall von dreidimensionalem Schichtwachstum Zugspannungen beobachtbar sind, die sich auf die Koaleszenz von H¨ugeln zur¨uckf¨uhren lassen.

Durch systematische experimentelle Parametervariation, numerische Analyse der Daten und Modellierung mit Kontinuumswachstumsmodellen – teils in quantitativer ¨Ubereinstimmung mit den Experimenten –, kinetischen Monte–Carlo–Modellen und Molekulardynamikmodellen konn-ten die wesentlichen atomaren Mechanismen, die zu den mesoskopischen Eigenschafkonn-ten der Schichten, wie Oberfl¨achenstrukturbildung und mechanischen Spannungen, f¨uhren, identifiziert werden. Das Ziel zuk¨unfiger Untersuchungen sollte sein, unter Vorgabe von zus¨atzlichen Parame-tern, wie beispielweise einer externen mechanischen Spannung und der Verwendung vollst¨andig anderer Systeme mit ver¨anderter Oberfl¨achenspannung und –energie (z.B. Halbleiter, Oxide), die Wachstums– und Relaxationsmodelle insbesondere auch im Zusammenhang mit den mecha-nischen Spannungen weiter zu ¨uberpr¨ufen.

des Aufdampfens auf mechanische