Universität zu Köln

Macko, Sven (2011). Mechanisms and Manipulation of Ion Beam Pattern Formation on Si(001). PhD thesis, Universität zu Köln.

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Abstract

Ion beam pattern formation is a versatile and cost-efficient tool for the fabrication of well-ordered nanostructures. Furthermore, silicon is known to be a prime material in microelectronics. The thesis at hand deals with pattern formation on Si(001) through 2keV Kr+ ion beam erosion under ultra high vacuum conditions investigated by in situ scanning tunneling microscopy, ex situ atomic force microscopy, scanning electron microscopy, and transmission electron microscopy. Under highly pure conditions, at room temperature, and for fluences of F ≈ 1 × 10^22 ions/m^2, no ion beam induced patterns develop for ion incidence angles ϑ ≤ 55° with respect to the global surface normal. In fact, the ion beam induces a smoothing of preformed patterns. Only for grazing incidence angles 60° ≤ ϑ < 81° pronounced ripple and tiled roof patterns develop. Analysis of the fluence dependence of pattern formation was conducted at ϑ = 75° in the unstable ion incidence angular range. The initially flat surface develops small amplitude, regular ripple patterns which then evolve to large amplitude, irregular facet patterns. Experiments were conducted to rule out or determine the processes of relevance in ion beam pattern formation on Si(001) with impurities. Co-deposition of stainless steel during ion beam erosion results in well developed hole, dot and ripple patterns for even small ion fluences of F ≈ 5 × 10^21 ions/m^2. The key factor determining the type of pattern realized is the ion-to-impurity arrival ratio. While in a broad range from 140K to 440K pattern formation tends to be temperature independent, dramatic changes take place above a threshold temperature of about 600K, when structures of crystalline iron silicide are shaped upon the surface. For these high temperatures nanopillars and spongelike patterns with amplitudes in the order of 100nm and directed towards the ion beam evolve. Furthermore, variation of the angle between ion beam and impurity source has a significant effect on pattern formation. The larger this angle is, the more efficient the pattern formation. This observation highlights the relevance of shadowing. Our investigations on the phenomenology of metal assisted ion beam pattern formation identify height fluctuations, local flux variations, induced chemical inhomogeneities, silicide formation and ensuing composition-dependent sputtering to be of relevance.

Item Type:	Thesis (PhD thesis)
Translated title:	Title Language Mechanismen und Manipulation der ionenstrahlinduzierten Musterbildung auf Si(001) German
Translated abstract:	Abstract Language Ionenstrahlinduzierte Musterbildung ist ein vielseitiges und kostengünstiges Verfahren für die Herstellung von regelmäßigen Nanostrukturen. Darüber hinaus ist Silizium ein maßgebendes Material in der Mikroelektronik. Die vorliegende Dissertation behandelt die Musterbildung auf Si(001) mittels 2keV Kr+ Ionenbeschuss unter Ultrahochvakuumbedingungen. Die Untersuchungen wurden mittels in situ Rastertunnelmikroskopie, ex situ Rasterkraftmikroskopie, Rasterelektronenmikroskopie und Transmissionselektronenmikroskopie durchgeführt. Unter reinsten Bedingungen bei Raumtemperatur und Ionenfluenzen von F ≈ 1 × 10^22 Ionen/m^2 bilden sich keine Muster für Ioneneinfallswinkel ϑ ≤ 55° relativ zur globalen Oberflächennormalen. Im Gegenteil, senkrecht einfallende Ionen glätten eine anfänglich raue Siliziumoberfläche. Ausschließlich für flach bis streifend einfallende Ionen mit 60° ≤ ϑ < 81° bilden sich ausgeprägte Wellen- und ziegeldachartige Muster. Es wurde eine fluenzabhängige Messreihe im instabilen Ioneneinfallswinkelbereich mit ϑ = 75° durchgeführt. Die anfänglich flache Oberfläche entwickelt sich über regelmäßige Wellenmuster mit kleiner Amplitude zu einem facettierten ungeordnetem Muster mit großer Amplitude. Weitere Experimente wurden durchgeführt, um relevante Prozesse in der ionenstrahlinduzierten Musterbildung auf Si(001) unter Hinzugabe von Verunreinigungen aufzudecken. Bereits bei niedrigen Ionenfluenzen von F ≈ 5 × 10^21 Ionen/m^2 führt Kodeposition von Stahl während des Ionenbeschusses der Si Oberfläche zu ausgeprägten Loch-, Punkt- und Wellenmustern. Der entscheidende Faktor, der den resultierenden Mustertyp festlegt, ist das Ionen-zu-Verunreinigung-Flussverhältnis. Während in einem großen Temperaturbereich von 140K bis 440K die Musterbildung weitestgehend temperaturunabhängig ist, ergeben sich drastische Unterschiede oberhalb einer kritischen Temperatur von ungefähr 600K, wobei sich kristalline Strukturen aus Eisensilizid auf der Oberfläche bilden. Bei dieser hohen Temperatur entwickeln sich nanoskalige Säulen und schwammartige Muster mit Höhen in der Größenordnung von 100nm. Die Muster sind dabei zum Ionenstrahl hin ausgerichtet. Änderungen des Winkels zwischen Ionenstrahl und den einfallenden Verunreinigungen haben eine starken Effekt auf die Musterbildung. Je größer der einschließende Winkel, desto effizienter ist die Musterbildung. Diese Beobachtung führt zu dem Schluss, dass Abschattungseffekte von Bedeutung sind. Unsere Untersuchungen zur Phänomenologie der ionenstrahlinduzierten Musterbildung mithilfe metallischer Verunreinigungen führten zu folgenden Ergebnissen: Höhenfluktuationen, lokale Unterschiede im Teilchenfluss, induzierte Ungleichmäßigkeiten in der chemischen Zusammensetzung, Silizidbildung und eine daraus folgende kompositionsabhängige Zerstäubungsausbeute sind ausschlaggebend. German
Creators:	Creators Email ORCID ORCID Put Code Macko, Sven macko@ph2.uni-koeln.de UNSPECIFIED UNSPECIFIED
URN:	urn:nbn:de:hbz:38-44805
Date:	18 December 2011
Publisher:	Dr. Hut
ISBN:	978-3-8439-0248-9
Language:	English
Faculty:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences
Divisions:	Faculty of Mathematics and Natural Sciences > Department of Physics > Institute of Physics II
Subjects:	Natural sciences and mathematics
Uncontrolled Keywords:	Keywords Language ion beam, pattern formation, erosion, Silicon, Si(001), krypton, impurities, Silicide, iron, ripple, nanodot, nanopillar, facets, scanning tunneling microscopy, transmission electron microscopy, atomic force microscopy, scanning electron microscopy English
Date of oral exam:	11 October 2011
Referee:	Name Academic Title Michely, Thomas Prof. Dr. Hofsäss, Hans Prof. Dr.
Projects:	Deutssche Forschungsgemeinschaft: Forschergruppe 845
Refereed:	Yes
URI:	http://kups.ub.uni-koeln.de/id/eprint/4480