Universität zu Köln

Self-organized Ion Beam Pattern Formation on Si(001)

Engler, Martin (2015) Self-organized Ion Beam Pattern Formation on Si(001). PhD thesis, Universität zu Köln.

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      Abstract

      Self-organized ion beam pattern formation of Si(001) by 2 keV Kr+ ion bombardment was investigated in-situ with scanning tunnelling microscopy, and low energy electron diffraction and ex-situ with atomic force microscopy, scanning electron microscopy, transmission electron microscopy, and Rutherford backscattering spectrometry. It is known that metal impurities can induce pattern formation. The effect of co-depositing Pd, Ir, Fe, Ag, and Pb on ion beam pattern formation was analyzed. For the condition analyzed here, the ability of the metal to form a silicide is necessary for inducing pattern formation. However this is not sufficient. Comparing the effects of metals with similar nuclear charge and mass, but with different ability to form silicides, shows that collision kinetics are not decisive for pattern formation. To understand the observed phenomena one has to consider that the morphology and the composition of the surface are bidirectionally coupled. Due to this coupling the metal concentration depends on the surface history and it does not determine the resulting morphology. For ion incidence angles from 58° to 79° patterns develop on Si during 2 keV Kr+ ion bombardment at room temperature even without co-deposition of impurities. The evolution of the surface morphology was studied using in-situ scanning tunnelling microscopy for the ion incidence angles 63° and 75°. The fluence was varied by a factor of 1000. Two fluence regimes can be distiguished. While a similar ripple pattern evolves in the low fluence regime for both incidence angles, the evolution differs for both incidence angles in the high fluence regime. In the high fluence regime perpendicular mode ripples and a roof-tile morphology develop for 63° and 75° respectively. The observations will be compared to experimental data of ion beam patterning of Si and Ge from literature to identify universal phenomena. Comparing the results with theoretical models allows to asses their applicability to ion beam pattern formation of Si. Si(001) amorphizes under ion bombardment below a critical temperature and is crystalline above the critical temperature. For 2 keV Kr+ ions the critical temperature is (674 ± 10) K. In a limited temperature range of 674 K to 720 K the surface develops a pit and mound morphology with the step edges parallel to the ⟨110⟩ directions. The pattern formation is driven by the Ehrlich-Schwoebel barrier inducing an effective uphill diffusion current. The surface roughness is maximum at T ≈ 700 K. At this temperature the fluence dependence of the surface morphology was studied. For high fluences the pattern changes into a ridge and valley morphology where the directions of the ridges and valley is ≈ 45° rotated to the ⟨110⟩ directions.

      Item Type: Thesis (PhD thesis)
      Translated abstract:
      AbstractLanguage
      Mit in-situ Rastertunnelmikroskopie, niedereneegetischer Elektronenbeugung, sowie ex-situ Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie, Transmissionselektronenmikroskopie und Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie wurde die selbstorganisierte Ionenstrahl-Musterbildung von Si(001) durch Beschuss mit 2 keV Kr+ Ionen untersucht. Bekannterweise können Metallverunreinigung die Musterbilderung verusachen. Dazu wurde untersucht, wie die Ko-Deposition von Pd, Ir, Fe, Ag und Pb die Ionenstrahl-Musterbildung beeinflussen. Bei den hier untersuchten Bedingungen ist es nötig, dass die Metalle Silizide bilden können, um Musterbildung zu verursachen. Dies allein reicht jedoch nicht aus. Die Stoßkinetik ist nicht enscheidend dafür, ob ein Metall Musterbildung verursacht, wie sich durch den Vergleich von Metallen mit ähnlicher Atommasse und Kernladungszahl zeigt. Um die Beobachtungen zu erklären, muss man berücksichtigen, dass die Oberflächenmorphologie und deren chemische Zusammensetzung eng mit einander verknüpft sind und sich gegenseitig beeinflussen. Durch diese gegenseitige Beeinflussung hängt die mittlere Metallkonzentration empfindlich von der Geschichte der Musterbildung ab und ist daher kein geeignetes Maß, um das entstehende Muster zu charakterisieren. Bei Beschuss mit 2 keV Kr+ Ionen unter Einfallswinkeln im Bereich zwischen 58° und 79° bilden sich bei Raumtemperatur auch ohne Verunreinigungen Muster. Die Entwicklung der Muster wurde mit in-situ Rastertunnelmikroskopie bei den Einfallswinkeln 63° und 75° untersucht. Dabei wurde jeweils die Ionenfluenz um den Faktor 1000 verändert. Für beide Winkel lassen sich zwei Fluenzbereiche unterscheiden. Während sich für niedriege Fluenzen bei beiden Einfallswinkel ähnliche Wellenmuster mit einem Wellenvektor senkrecht zum auf die Oberfläche projizierten Ionenstrahl bilden, ist bei hohen Fluenzen die Entwicklung und die entstehende Morpholgie qualitativ unterschiedlich. Für 63° bilden sich Wellen senkrecht zu den ursprünglichen Wellen, während sich für 75° eine Dachschindel-artige Oberflächenmorpholgie ausbildet. Der Vergleich der Ergebnisse mit experimentellen Daten über Ionstrahl-Musterbildung auf Si- und Ge-Oberflächen aus der Literatur erlaubt es universelle Phänomene zu indentifizieren. Die Anwendbarkeit bestehender theoretische Modelle auf die Musterbildung bei den hier untersuchten Bedingungen wird bewertet. Unterhalb einer kritischen Temperatur amorphisiert Si(001) bei Ionebschuss, während es oberhalb dieser Temperatur kristallin bleibt. Für 2 keV Kr+ liegt die Temperatur bei (674 ± 10) K. In einem engen Temperaturbereich über dieser Temperatur bis 720 K entwickelt sich eine Morpholgie aus Gruben und Hügeln, deren Stufenkanten parallel zu den ⟨110⟩ Richtungen sind. Durch die Ehrlich-Schwoebel-Barriere an den Stufenkanten wird während des Ionenbeschusses ein destabilisierender Diffusionstrom induziert. Bei ≈ 0 K ist die Aufrauhung durch diesen Strom am stärksten. Deshalb wurde bei dieser Temperatur die Fluenzabhängigkeit der Oberflächenmorphologie untersucht. Bei hohen Fluenzen ändert sich die Morphologie und es bilden sich Täler und Bergrücken, die ≈ 45° gegen die ⟨110⟩ Richtungen verdreht sind.German
      Creators:
      CreatorsEmail
      Engler, Martinengler.science@gmail.com
      URN: urn:nbn:de:hbz:38-58717
      Subjects: Physics
      Uncontrolled Keywords:
      KeywordsLanguage
      nanoscale pattern formationEnglish
      ion beamEnglish
      siliconEnglish
      scanning tunneling microscopyEnglish
      atomic force microscopyEnglish
      nanotechnologyEnglish
      Si(001)English
      pattern formationEnglish
      self-organizationEnglish
      Faculty: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät
      Divisions: Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät > II. Physikalisches Institut
      Language: English
      Date: 2015
      Date Type: Publication
      Date of oral exam: 14 October 2014
      Full Text Status: Public
      Date Deposited: 05 Mar 2015 13:52:21
      Referee
      NameAcademic Title
      Michely, ThomasProf. Dr.
      Schlemmer, StephanProf. Dr.
      URI: http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/5871

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