Ion-beam induced rippling at the amorphous-crystalline interface in silicon
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Im Rahmen des DFG-Projektes „Ion-beam induced rippling in crystalline silicon“ haben die Antragsteller die Struktur von selbstorganisierten Wellenmustern auf Silizium-Oberflächen, die durch Ionenerosion mit Xe+ Ionen im Energiebereich zwischen 5 - 70 keV entstehen, untersucht. Das Hauptaugenmerk lag dabei bei der Aufklärung der entstehenden Strukturen an der amorph-kristallinen Grenzfläche und der beteiligten Musterbildungsmechanismen. Im Rahmen dieses Projektes konnte nachgewiesen werden, dass Röntgenstreuexperimente einen signifikanten Beitrag zum Verständnis der Musterbildung durch Ionenstrahlerosion, besonders der Prozesse die unterhalb der Probenoberfläche ablaufen, leisten können. Diese Forschungen werden jetzt in der DFG Forschergruppe 845 „Selbstorganisierte Nanostrukturen durch niederenergetische Ionenstrahlerosion“ weitergeführt. Unsere Untersuchungen haben gezeigt, dass die Oberflächenmuster bei höheren Ionenenergien (>10 keV) offensichtlich von den gleichen Prozessen erzeugt werden wie bei Energien unterhalb von 1 keV. Ausführlich wurde die Wechselwirkung mit den bei der Musterbildung entstehenden Oberflächenstrukturen und des darunter liegenden amorph-kristallinen Bereichs als auch der Einfluss auf das Siliziumsubstrate selbst untersucht. Diese Ergebnisse zeigen aber auch, dass bei höheren Energien Effekte festgestellt werden können, deren Detektion bei Energien unterhalb einiger keV nahezu ausgeschlossen ist. So konnte gezeigt werden, dass oberhalb etwa 20 keV in dem Bereich der amorphen Schicht, der dem Ionenstrahl zugewandt ist, cluster-ähnliche Strukturen auftreten. Diese Strukturen scheinen von der amorph-kristallinen Grenzfläche zur Oberfläche hin zu wachsen, d.h. mit steigender lokaler Ionenfluenz nimmt Ihre Größe zu. Eine mögliche Erklärung ist, dass sich die bei der Bestrahlung bildenden Vakanzen zusammenfügen und „Vakanzcluster“ bilden. Unsere Forschungen lassen auch erkennen, dass in diesem Bereich der amorphen Schicht eine erhöhte Xe Konzentration nachgewiesen werden kann. Kürzlich durchgeführte Kleinwinkel-Streuversuche im streifenden Einfall zeigen, dass solche Cluster auch mittels Röntgenstreuung nachgewiesen werden können.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
- High-temperature induced nano-crystal formation in ion beam-induced amorphous silicon ripples, phys. stat. sol.(a) 204, 2555-2560 (2007)
J. Grenzer, A. Mücklich, S. Grigorian, U. Pietsch, D. Datta, T. K. Chini, S. Hazra, M.K. Sanyal
- Ion-induced ripple structures on silicon, x-ray measurements and TEM, 7th Autumn School on X-ray scattering from surfaces and thin layers, 04.- 06.10.2007, Smolenice, Slovakia
Hanisch, A.; Grenzer, J.; Facsko, S.; Biermanns, A.; Pietsch, U.; Metzger, T. H.; Carbone, G.
- X-ray study of ion-beam induced amorphous-crystalline ripples in silicon, Nanopatterning via Ions, Photon beam and Epitaxy, 23.-27.09.2007, Sestri Levante, Italy
Biermanns, A.; Grigorian, S.; Pietsch, U.; Hanisch, A.; Facsko, S.; Grenzer, J.
- High energy Xe+ ion beam induced ripple structures on silicon, 72. Jahrestagung der DPG und DPG Frühjahrstagung des Arbeitskreises Festkörperphysik, 25.-29.02.2008, Berlin, Germany
Hanisch, A.; Grenzer, J.; Facsko, S.; Winkler, I.; Biermanns, A.; Grigorian, S.; Pietsch, U.
- High energy Xe+ ion beam induced rippled patterns on silicon, IBMM 2008 - 16th International Conference on Ion Beam Modification of Materials, 31.08.-05.09.2008, Dresden, Deutschland
Hanisch, A.; Grenzer, J.; Facsko, S.; Biermanns, A.; Pietsch, U.; Metzger, T. H.; Carbone, G.
- X-ray scattering and diffraction from ion beam induced ripples in crystalline silicon, J. Appl. Phys. 104, 044312 (2008)
A. Biermanns, U. Pietsch, J. Grenzer, A. Hanisch, S. Facsko, G. Carbone, T.H. Metzger
- X-ray scattering and diffraction from ion beam induced ripples in crystalline silicon, XTOP 2008 - 9th Biennial Conference on High Resolution X-Ray Diffraction and Imaging, 15.-19.09.2008, Linz, Austria
Biermanns, A.; Pietsch, U.; Grenzer, J.; Hanisch, A.; Facsko, S.; Carbone, G.; Metzger, T. H.
- X-ray scattering and diffraction from Xe-induced ripples in crystalline (001) silicon, 16th International Conference on Ion Beam Modification of Materials - IBMM 08, 31.07.-05.09.2008, Dresden, Germany
Biermanns, A.; Pietsch, U.; Grenzer, J.; Hanisch, A.; Facsko, S.; Carbone, G.; Metzger, T.H.
- X-ray scattering and diffraction from Xe-induced ripples in crystalline silicon, 72. Jahrestagung der DPG und DPG Frühjahrstagung des Arbeitskreises Festkörperphysik, 25.-29.02.2008, Berlin, Germany
Biermanns, A.; Pietsch, U.; Grigorian, S.; Grenzer, J.; Facsko, S.; Hanisch, A.; Carbone, D.; Metzger, H.
- Ion-induced nanopatterns on semiconductor surfaces investigated by grazing incidence x-ray scattering techniques, J. Phys - Condens Mat. 21(22), 224007 (2009)
D. Carbone, A. Biermanns, B. Ziberi, F. Frost, O. Plantevin, U. Pietsch, T.H. Metzger
- Ripple structures on surfaces and underlying crystalline layers in ion beam irradiated Si wafers, Phy. Status Solidi, (a), 206, 1731 (2009)
J. Grenzer, A. Biermanns, A. Mücklich, S.A. Grigorian, U. Pietsch
- Xe+ ion beam induced rippled structures on Si miscut wafers, DPG Frühjahrstagung der Sektion Kondensierte Materie (SKM) 2009, 22.- 27.03.2009, Dresden, Germany
Hanisch, A.; Grenzer, J.; Biermanns, A.; Pietsch, U.
- Characterization of Xe ion-induced rippled structures on Si (001) in the medium ion energy range, DPG Frühjahrstagung der Sektion Kondensierte Materie (SKM) 2010, 22.- 26.03.2010, Regensburg, Deutschland
Hanisch, A.; Biermanns, A.; Grenzer, J.; Pietsch, U.
- X-ray scattering and diffraction from Xe-beam induced ripples in crystalline Si, "Deutsche Tagung für Forschung mit Synchrotronstrahlung, Neutronen und Ionenstrahlen an Großgeräten“ (SNI2010), 24.-26.02.2010, Berlin, Deutschland
Biermanns, A.; Hanisch, A.; Grenzer, J.; Facsko, S.; Metzger, T. H.; Pietsch, U.
- Xe ion beam induced ripple structures on differently oriented single crystal Si surfaces, Phys. D: Appl. Phys. 43, 112001 (2010)
A. Hanisch, A.Biermanns, J,Grenzer, S. Facsko U.Pietsch
