LS Angewandte Physik / Sensorik
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The method of microscopic imaging using X-rays and diffractive lenses was developed at synchrotron radiation facilities and it was recently transferred to systems with laboratory X-ray sources. The first part of this thesis focuses on instrumentation, in particular on the fabrication, characterization, and application of multilayer Laue lenses (MLL). The second part describes a micromechanical in-situ test that is used to study crack propagation with X-ray microscopy in microchips in a dedicated fracture mechanics experiment called micro double cantilever beam test (MicroDCB).
MLLs were fabricated from WSi2/Si multilayer coatings using mechanical preparation and focused ion beam milling. Initial characterization of the obtained lenses using scanning electron microscopy and X-ray microscopy was used to evaluate the quality of the multilayer stack and particularly to identify geometrical imperfections of individual lens elements. Crossed partial MLLs were assembled as a compact lens device for two-dimensional operation, i.e. point focusing of synchrotron radiation or full-field transmission imaging. The optical properties were simulated using a geometrical optics approximation and a physical optics model. Experimental results verify full-field imaging using crossed partial MLLs with a focal length of 8.0 mm for Cu-Ka radiation in a laboratory X-ray microscope. Sub-100 nm resolution is shown and remaining aberrations are discussed. So-called wedged MLLs employ dynamic diffraction to increase the diffraction efficiency. A fabrication process is presented that allows a subsequent geometrical modification of the lens element using a stress layer. Thus, the wedged geometry is realized independently of the multilayer coating. The resulting layer tilt is measured using a laboratory X-ray microscope. First investigations of such wedged MLLs with synchrotron radiation at a photon energy E=15.25 keV show an enhancement of the diffraction efficiency of 57 % in comparison to a tilted MLL with the same dimensions.
The long working distance of the X-ray microscope facilitates the integration of customized equipment to perform in-situ experiments. The MicroDCB tester was designed and built to drive a crack in an appropriately prepared specimen. It is compatible with the X-ray microscope and it allows tomographic studies under load. In particular, the method was applied to investigate crack propagation in the on-chip interconnect stack of advanced microelectronics products. Stable crack propagation at this location was achieved. Subsequent tomographies were acquired at several load steps. The reconstructed datasets show no critical distortions. This test is assumed to provide valuable information about crack propagation such heterogeneous structures, what is of interest to address reliability issues.
Im Mittelpunkt der vorliegenden Arbeit stehen die Untersuchung von Fanointerferenzen innerhalb der wissenschaftlichen Methode der resonanten Photoelektronenspektroskopie. Basis dieser Methode ist die Interpretation aus dem Festkörper emittierter Elektronen. Die detektierten Elektronen können dabei aus direkten Photoemissionen oder Deaktivierungsprozessen (Spectator-/Participator-Zerfälle) nach resonanten Anregungen von Rumpfelektronen stammen. Führen beide Prozesse zum selben Systemendzustand, können die emittierten Elektronen interferieren, was sich in der Ausprägung eines charakteristischen Intensitätsprofils, dem Fano-Profil, äußert. Die Form des Intensitätsprofils kann dabei über den Fanoparameter q beschrieben werden.
Im Rahmen dieser Arbeit erfolgte die Diskussion von Fanointerferenzen an organischen (HOPG, Graphenflocken) und oxidischen (CuO, In2O3, SiO2) Materialsystemen.
Im HOPG und den untersuchten Graphenflocken konnten mittels der Analyse der Fanoprofile exzitonische Zustände innerhalb der Bandlücke nachgewiesen werden.
Durch die Untersuchungen am CuO konnte die Variation des Fanoparameters in Abhängigkeit vom Grundzustand des Systems gezeigt werden.
Die für die untersuchten In2O3 Einristalle beobachteten Interferenzen beruhen auf der Existenz besetzter Zustände an der Fermienergie.
Abschließend konnte eine Korrelation des jeweils auftretenden Fanoparameters mit den beobachteten multi-hole-Auger-Zerfällen nachgewiesen werden.
Aluminium based micro mirrors exposed to UV laser light – in situ performance and degradation
(2014)
The present thesis characterises aluminium based micro mirrors exposed to UV laser light. Such micro mirrors, used in highly integrated spatial light modulators, can for example be used as programmable masks in DUV micro lithography. Therefore they are sensitive to any performance loss arising from material degradation or changes in the mirror curvature. The key question addressed in this thesis is the investigation of the in situ curvature change, which means characterisation during a real laser irradiation. For this purpose a measuring station was designed, combining a phase-shift interferometer, an optical microscope and the laser irradiation of the sample at 248nm. The Phase-shift interferometry technique used is a very sensitive contactless optical measurement principle, which allows a resolution of the sample surface in the single-digit nanometer range.
A multitude of irradiation tests were performed to describe the change of mirror curvature as a function of different irradiation parameters such as the pulse energy, the laser repetition rate or the ambient atmosphere. The most significant effect was detected by the variation of the applied pulse energy, which was in the range of 10⁻⁵J/cm²-10⁻²J/cm². A general conclusion was that a minimum energy of 10⁻⁵J/cm² at a repetition rate of 1kHz is required to detect any laser induced change of the mirror curvature. At higher energy levels two characteristic behaviours can be distinguished. Up to a level of 10⁻³J/cm² the mirrors show a permanent concave bowing in the range of λ/100. A further increase of the pulse energy causes an accumulating bowing in the opposite direction (convex) of λ/10 within some ten million laser pulses. However this convex bowing partially relaxes after the irradiation is stopped.
Another aspect of the thesis was the determination of laser induced material degradation. For this purpose irradiated mirrors were investigated by means of different devices and analytical techniques such as atomic force microscopy (AFM), reflectometry and transmission electron microscopy (TEM). The AFM analysis showed a slight increase of surface roughness and a directional change of the grain size. As a result of the TEM analysis it turned out that arrangement and shape of the grains seems not to have changed. But after the irradiation the growth of a porous oxide layer up to 20nm on the upper mirror surface was noticed.
Finally different hypotheses are proposed to explain the mechanisms behind the observed concave and convex bowing at particular pulse energies. In this connection it is assumed that the mirrors at pulse energies larger than 10⁻³J/cm² do not show a static bowing at all. It is rather assumed that the mirror bow oscillates with the laser repetition rate.
In the framework of this thesis synchrotron radiation spectroscopy is applied to study the electronic structure of organic semiconductors, of Graphene, and of transition metal (TM) oxide water splitting catalysts (Co-PI) with emphasis on excitonic and polaronic effects. For a correct theoretical description of the electronic structure of these material classes electron-phonon and electron-electron coupling as well as polarization and excitonic effects have to be considered. Excitons and Polarons are localized in-gap states. They are known to affect the optical properties of the material. Their influence can also be revealed in the resonant Auger decay profile. Even in TM-oxides Polarons and Excitons are observed as a consequence of an oxygen 2p to TM3d charge transfer. Therefor, the following three material classes are chosen for the fundamental study of Excitons and Polarons in resonant Auger decay processes. First, the existence of localized polaronic and excitonic states is investigated for regioregular-Poly(3 hexylthiophene-2,5-diyl) (rr-P3HT) and Phenyl-C61-butyric acid methyl ester (PCBM) used as a light absorber in organic solar cells. The existence of 2D-Polarons, singlet Exciton, and triplet Exciton is demonstrated for rr-P3HT whereas for PCBM only singlet Excitons are observed. Singlet Excitons show an influence on the resonant Auger decay by a combined spectator-participator (S+P) Auger decay in the π*-band. Second, for a more detailed study of the (S+P) decay Highly Ordered Pyrolytic Graphite (HOPG) is chosen. For Graphene as a single layer of HOPG without van der Waals force another combination of Auger decays can be observed: a double spectator Auger (S+S) and a double spectator Auger-Gain (S+S)* decay. Third, Co-PI (cobalt oxide compound) is investigated. It is a TM-oxide catalyst used for the oxygen evolution reaction in photo-electrochemical cells. Self-trapped Excitons formed by resonant core electron excitation into self-trapped hole states give rise to a combined Auger decay process (S+P). For all three novel Auger decay processes {(S+P), (S+S), and (S+S)*} a model is proposed.
Im Rahmen der vorliegenden Arbeit wurde mit Synchrotron-basierenden, optischen und Elektronen-basierenden Methoden die elektronischen Eigenschaften zweier unterschiedlicher Materialklassen untersucht. Der Fokus lag dabei im besonderen auf der Bestimmung der Größe der Bandlücke/HOMO-LUMO-Lücke und ihre Abhängigkeit der verwendeten Methode. Die zwei unterschiedliche Materialklassen, welche untersucht wurden sind folgende: Erstens die organischen Systeme Cobalt-Phthalocyanin und Fulleren. An Ihnen wird der Einfluss der verwendeten Messmethoden aufgezeigt und die sich draus ergebenen HOMO- LUMO-Lücken (elektronisch, Volumen, Oberfläche, optisch) diskutiert. Es zeigt sich, dass die optische Methode (Ellipsometrie) generell den kleinsten Wert und die elektronischen Methoden (XPS, XAS) den größten Wert ergeben. Die Gründe dafür werden ausführlich diskutiert. Durch die Kombination von XPS- , XAS- und Ellipsometrie-Messungen war es möglich die Orientierung der aufgedampften CoPc-Moleküle auf den SiO2-Substrat zu bestimmen. Zweitens wurden die Metalloxide HfO2, Al2O3, In2O3 und Ga2O3 aufgrund ihrer großen technologischen Bedeutung untersucht. Mit Hilfe von ALD Zyklus-für-Zyklus Experimenten konnten die elektronischen Eigenschaften von HfO2 in Abhängigkeit der ALD- Zyklenzahl und das Wachstum von HfO2 in den ersten Zyklen studiert werden. Auf Basis der XPS- und EELS-Ergebnisse wurde ein Wachstumsmodell entwickelt. Es wird ebenfalls der Einfluss einer Dipolschicht an der Grenzfläche HfO2/SiO2 auf die Größe der Bandlücke in den EELS-Messungen diskutiert. Mittels resonanten Photoemission wurde ein neuer Auger-Mechanismus (3-Loch-Auger-Prozess) in den Oxiden gefunden. Dieser hat seine Ursache in Defekten. Defekte führen auch zu einer Fano-Anti-Resonanz, welche an der O1s-Absorptions-Kante beobachtet und diskutiert wird.
Als eine Folge der Miniaturisierung aller integrierten elektrischen Bauteile wird der spezifische Widerstand der TaN/Ta Doppelsperrschichten ein zunehmend wichtiger Parameter für die Schaltgeschwindigkeit beim 32 nm Technologieknoten. In Rahmen dieser Arbeit wird die Optimierung der Abscheidung von TaN/Ta Stapeln durchgeführt, mit dem Ziel die Tantalnitridschichtdicke zu minimieren und das Tantal in der leitfähigeren alpha-Phase wachsen zu lassen. Im ersten Teil der Studie wurde in situ ARXPS verwendet, um das Wachstum von verschiedenen Tantalnitridschichten auf SiO2 und SiCOH in Abhängigkeit der Abscheidezeit, des Stickstoffflusses und der Abscheideleistung zu untersuchen. Im zweiten Teil wurde die kristalline Phase 20 nm dicken Tantal Schichten abgeschieden auf verschiedenen Tantalnitridschichten, die in der Wachstumsstudie vorgestellt worden sind, untersucht. Die wichtigsten Erkenntnisse sind das Auftreten von Tantalkarbid und Tantalsilizid als Zwischenschichtverbindungen bei der Abscheidung auf SiCOH und nur Tantalsilizid für die Abscheidung auf SiO2. Demzufolge wächst alpha-Tantal vorzugsweise auf Tantalkarbid und stickstoffreichen Zwischenschichten, während Silizid an der Schnittstelle das Wachstum von beta-Tantal fördert. Um die Ergebnisse zu überprüfen, wurden zwei weitere Modifikationen des Interfaces untersucht. So wurde eine kleinere Bias-Leistung für eine Abscheidung von Tantalnitrid auf SiO2 benutzt, um die Rolle des Tantalsilizids zu bestätigen. Außerdem wurde eine thermische Behandlung einer dünnen Tantalschicht auf SiCOH durchgeführt, um die Rolle des Tantalkarbids zu bestätigen. Schließlich ergab die Kontaktwiderstandsmessung in Viaketten auf strukturierten Wafern für vier ausgewählte Prozesse tendenziell den gleichen Verlauf wie die Schichtwiderstandsergebnisse der entsprechenden Barrierenaufbauten der Experimente auf blanken Testwafern.
Im heutigen Bereich der Analytik spielen optische Verfahren eine wichtige Rolle und kommen in unterschiedlichsten Anwendungen zum Einsatz. Vorteilhaft ist dabei die berührungslose und zerstörungsfreie Messung mit Licht, die die Analyse von kritischen Substanzen deutlich vereinfacht. Die optische Spektroskopie nimmt dabei einen wichtigen Teil der Analytik ein. Speziell die Nah-Infrarot (NIR)-Spektroskopie im Wellenlängenbereich von 780 nm bis 3000 nm weist zahlreiche Anwendungen auf, die von chemischen Reaktionen und Prozessanalysen, der Untersuchung von Polymeren und Textilien, der Qualitätskontrolle von Früchten und Samen bis in die Medizintechnik reichen. Die hierfür verwendeten NIR-Spektrometer sind überwiegend als Spektrografen ausgelegt, wobei das dispersive Element fest eingebaut ist und das Spektrum über ein Galliumarsenid basiertes Diodenarray vermessen wird. Diodenarrays im NIR-Bereich sind kostenintensiv, tragen allerdings maßgeblich zur spektralen Auflösung der Spektrografen bei. Ein alternativer Ansatz ergibt sich durch Monochromatoren mit einem beweglichen dispersiven Element, wobei das Spektrum zeitabhängig über den Detektor streicht. Dadurch ist nur eine Einzeldiode als Detektor ausreichend. Die spektrale Auflösung ist in diesem Fall allerdings eine Funktion der zeitabhängigen Position des dispersiven Elements, die mit hoher Präzision kontrolliert und bestimmt werden muss. In Kombination mit schnellen Messzeiten eines Spektrums im Millisekunden-Bereich, ist eine makroskopische Realisierung sehr aufwendig. Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich alternativ mit der Herstellung und Charakterisierung eines mikromechanischen NIR-Beugungsgitters, durch das ein neuartiges, miniaturisiertes NIR-Spektrometer, basierend auf einer Monochromator-Konfiguration, realisiert werden konnte. Das Beugungsgitter basiert dabei auf einem resonant schwingenden Mikrospiegel, der als mikroelektromechanisches System (MEMS) mittels siliziumbasierter, oberflächennaher Volumen-mikromechanik hergestellt wurde. Dabei konnte durch den Einsatz des mikromechanischen Beugungsgitters ein äußerst kompaktes und robustes NIR-Spektrometer (10 x 8 x 7,5 cm³) entwickelt werden, das als Monochromator-System einen deutlichen Kostenvorteil gegenüber derzeitigen NIR-Spektrografen erzielen kann. Erforderlich war hierbei, die Anforderungen an das mikromechanische Beugungsgitter zwingend an den Randbedingungen des NIR-Spektrometers zu spiegeln und mit Ihnen in Übereinstimmung zu bringen. Durch eine gezielte Dimensionierung und Optimierung der mechanischen und optischen Eigenschaften des mikromechanischen Beugungsgitters, zu der unter anderem die Größe, Beugungseffizienz, Schwingungsfrequenz, Schwingungsstabilität, Schockfestigkeit und ein Verfahren zur Detektion des zeitabhängigen Torsionswinkels gehörte, konnte eine spektrale Auflösung des NIR-Spektrometers von unter 10 nm bei einem Wellenlängenbereich von 900 – 2500 nm erreicht werden. Gleichzeitig wurden 3 verschiedene Gitterstrukturen zur Maximierung der Beugungseffizienz untersucht, erfolgreich hergestellt und vermessen.
Elektronische Struktur epitaktischer Chalkopyrite und deren Heterokontakte für die Photovoltaik
(2011)
Die vorliegende Arbeit stellt eine umfassende Studie der Oberflächenmorphologie, der elektronischen Struktur und der Heterokontakte epitaktischer CuInSe2-Schichten dar. Sämtliche Analysen wurden unter dem Aspekt der Stöchiometrievariation von CuInSe2 zu kupferarmem CuIn3Se5 durchgeführt. Diese Kombination aus nah-stöchiometrischem Chalkopyrit im Volumen des Absorbers und kupferarmer Defektverbindung im Bereich der Absorber-Puffer-Grenzfläche ist unter anderem für die außergewöhnlich hohe Effizienz der polykristallinen Solarzellen verantwortlich. Sämtliche Präparations- und Analyseschritte wurden im Ultrahochvakuum durchgeführt, um die Untersuchung hochdefinierter und kontaminationsfreier Oberflächen zu gewährleisten. Die Verwendung einkristalliner Proben ermöglicht die Bestimmung der Periodizität der Oberfläche mittels Beugung niederenergetischer Elektronen. Für die natürliche Wachstumsfläche der Chalkopyrite, die (112)-Oberfläche, konnten so beide von der Theorie als stabil vorhergesagten Rekonstruktionen nachgewiesen werden. Dabei handelte es sich um die kupferreiche, durch CuIn-Defekte stabilisierte sowie die nah-stöchiometrische 2 VCu-stabilisierte Oberfläche. Beide Konfigurationen stellen eine c(4x2)-Rekonstruktion gegenüber dem Zinkblendegitter dar und entsprechen somit der natürlichen Ordnung des Chalkopyritgitters. Die mit der Umordnung der Oberfläche verbundene Kupferanreicherung bzw. -verarmung konnte mittels Tiefenprofilierung der Elementkonzentration mit winkelaufgelöster XPS nachgewiesen werden. Für die Oberfläche der Defektverbindung CuIn3Se5 wurde eine Sphaleritordnung gefunden, was auf eine Abwesenheit der Chalkopyritordnung im Volumen des Materials hindeutet. Die ungewöhnliche Stabilität der (112)-Oberfläche konnte durch den Vergleich mit den Rekonstruktionen der (001)- und (220)-Fläche gezeigt werden. Die so gewonnen Kenntnisse hinsichtlich Präparation und Eigenschaften der Oberflächen wurde herangezogen, um die Valenzbandstruktur des CuInSe2 mit winkelaufgelöster Photoemission zu messen. An CuInSe2(001)-Proben sind die Hochsymmetrierichtung Gamma-T und Gamma-N des reziproken Raumes zugänglich. Der Vergleich der experimentellen Ergebnisse mit Bandstrukturen der Dichtefunktionaltheorie offenbarte eine überraschend genaue Übereinstimmung. Deutliche Abweichungen, wie sie etwa für d-Elektronenzustände in Zn-VI-Verbindungen beobachtet werden treten in CuInSe2 nicht auf. Die Gegenüberstellung der nah-stöchiometrischen mit der Defektverbindung für Proben in (112)-Orientierung zeigte eine energetische Verbreiterung der Bänder durch eine erhöhte Defektdichte sowie eine Reduktion der Dispersion: Diese kann als erhöhte Lokalisation der elektronischen Zustände im Material mit hoher Defektdichte aufgefasst werden. Schließlich wurden für die Anwendung in der Photovoltaik relevante Grenzflächen des CuInSe2 untersucht. Hervorzuheben ist hier die Valenzbanddiskontinuität mit CuIn3Se5, die sich aus der Absenkung des Valenzbandmaximums durch die reduzierte p-d-Abstoßung in der Defektverbindung ergibt. Diese Diskontinuität wurde mit Photoemission an epitaktischen Schichten nachgewiesen und betrug 0.28 eV, in guter Übereinstimmung mit Ergebnissen der Theorie. In direktem Kontakt mit dem Absorber steht die Pufferschicht, wobei als Cadmium-freie Alternative ZnO untersucht wurde, welches mittels metall-organischen Prekursoren abgeschieden wurde. Die Verschiebung des Fermi-Niveaus innerhalb der Bandlücke in Folge der Grenzflächenausbildung führt zur Bildung von Kupferfehlstellen im Absorber und damit zur Entstehung der kupferarmen Grenzschicht. Diese grenzt an eine nur ca. 1 nm dicke ZnSe-Schicht, welche der initiellen Wachstumsphase des ZnO entspricht. Unabhängig von der Zusammensetzung des Chalkopyritabsorbers bildet sich also eine CuIn3Se5/ZnSe-Grenzfläche zwischen Absorber und Fensterschicht aus. Die gefundenen Bandanpassungen zwischen CuInSe2 und ZnSe bzw. ZnO zeigen keine Orientierungsabhängigkeit und entsprechen den theoretischen Ergebnissen. Für den elektronischen Transport im Leitungsband ergibt sich eine vorteilhafte Situation.
In this thesis the detailed investigations concerning processing and stability of thin films including carbon species and their possible application as materials of a low dielectric constant (low k) are presented. In order to gather a complex information regarding the chemical, morphological and dielectric properties of the produced layer a combination of the spectroscopy: X-ray photoelectron spectroscopy (XPS), near edge X-ray absorption fine structure spectroscopy (NEXAFS) and Fourier transform infrared spectroscopy (FTIR), microscopy: atomic force microscopy (AFM) and electrical characterization: capacitance-voltage technique (CV) have been applied. The films deposited by means of variety of techniques have been described, ranging from evaporation, through spraying and dropping to spin-coating. Regarding the possible low-k application, a considerable attention has been paid to the hybrid organic-inorganic 3-aminopropyl-trimethoxysilane (APTMS) based composite materials enriched with carbon species coming from the following dopants: C60 fullerenes, [6,6]-phenyl-C61-butyric acid (PCBM), copper phthalocyanine (CuPc), and tris(dimethylvinylsilyloxy)-POSS (POSS). In the following thesis progressive steps leading to gradual decreasing of the resulting permittivity of the hybrid material is presented. As revealed by the performed investigations, the replacement of C60 within the APTMS based matrix by its better soluble derivative PCBM allows the increase of the concentration of the carbon species within the composite films. The introduction of POSS as an additional dopant gave the opportunity of increasing the resistance of the produced material against the ambient influence. With the excess of the POSS concentration an original fractal-shaped cluster formation has been observed. Finally, the dispersion of the properly chosen low concentration of CuPc and POSS molecules within the APTMS based matrix led to the fabrication of homogenous layer with an ultra-low dielectric constant of 1.8.
Modern dielectrics in combination with appropriate metal electrodes have a great potential to solve many difficulties associated with continuing miniaturization process in the microelectronic industry. One significant branch of microelectronics incorporates dynamic random access memory (DRAM) market. The DRAM devices scaled for over 35 years starting from 4 kb density to several Gb nowadays. The scaling process led to the dielectric material thickness reduction, resulting in higher leakage current density, and as a consequence higher power consumption. As a possible solution for this problem, alternative dielectric materials with improved electrical and material science parameters were intensively studied by many research groups. The higher dielectric constant allows the use of physically thicker layers with high capacitance but strongly reduced leakage current density. This work focused on deposition and characterization of thin insulating layers. The material engineering process was based on Si cleanroom compatible HfO2 thin films deposited on TiN metal electrodes. A combined materials science and dielectric characterization study showed that Ba added HfO2 (BaHfO3) films and Ti added BaHfO3 (BaHf0.5Ti0.5O3) layers are promising candidates for future generation of state of the art DRAMs. In especial a strong increase of the dielectric permittivity k was achieved for thin films of cubic BaHfO3 (k~38) and BaHf0.5Ti0.5O3 (k~90) with respect to monoclinic HfO2 (k~19). Meanwhile the CET values scaled down to 1 nm for BaHfO3 and ~0.8 nm for BaHf0.5Ti0.5O3 with respect to HfO2 (CET=1.5 nm). The Hf4+ ions substitution in BaHfO3 by Ti4+ ions led to a significant decrease of thermal budget from 900°C for BaHfO3 to 700°C for BaHf0.5Ti0.5O3. Future studies need to focus on the use of appropriate metal electrodes (high work function) and on film deposition process (homogeneity) for better current leakage control.