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Porträt Dr. Böttger, Roman; FWIZ-I

Dr. Roman Böttger
Head Ion Implantation
Ion Technology
r.boettger@hzdr.de
Phone: +49 351 260 - 2873

Selbstorganisierte Oberflächenmuster auf Germanium durch schwere Clusterionen

Deutsche Forschungsgemeinschaft - DFG Projekt FOR 845

Einführung

Ionenstrahlinduzierte Oberflächenstrukturen von bisher nicht erreichter Qualität wurden Ende 2009 am HZDR bei der Untersuchung der Oberflächenerosion von Ge mit schweren Bi2+ und Bi32+ Ionenclustern gefunden. Die neue Qualität betrifft die sehr gute Nahordnung und die große Amplitude der "Dot"-Muster, die für elementare Halbleiter deutlich über dem bisher erreichten liegt. Das implantierte Bi ist in den Dots angereichert. Auch ein qualitativer Sprung wird bei der Cluster-Ionenerosion beobachtet: Währen bei senkrechter FIB-Bestrahlung mit Bi+-Ionen die Ge-Oberflächenschicht die bekannte amorphe Schwammstruktur erhält, finden wir mit Bi32+-Clustern bei gleicher Energie pro Bi-Atom (> 10 keV) selbstorganisierte, kristalline "Dots", deren Abstand untereinander weniger als 50 nm beträgt und die 30-40 nm hoch sind. Diese Art der Selbststrukturierung wird also durch einen Bi-Clustereffekt dominiert, nicht durch Einzelatom-Ioneneinschläge. Im Gegensatz zur regulären Selbststrukturierung von Ge mit 3 - 4 nm flachen Löchern durch Beschuss mit 5 keV Ga-Einzelionen sind Modellvorstellungen, die zur Bradley-Harper- bzw. zur Kuramoto-Sivashinsky-Gleichung führen, im vorliegenden Fall nicht unmittelbar anwendbar.

Erste theoretische Analysen zeigen, dass die durch die Stoßkaskade deponierte Energiedichte einen Schwellwert überschreiten muss, um den neuartigen Selbststrukturierungsprozess auszulösen. Der Schwellwert koinzidiert mit der benötigten Energie zum Schmelzen des Ge, d.h. jeder Bi-Clustereinschlag erzeugt einen "Ge-Schmelzpool" von einigen 100 nm3. Unsere erste Modellvorstellung erklärt die Bi-Konzentration in "Punkte" durch eine Bi-Ge-Entmischung der Oberflächenschicht mittels wiederholter Bi-Segregation in den erstarrenden Schmelzpools. Die topografische Aufwölbung in den "Punkten" wird durch die ca 5%-ige Ge-Volumenänderung beim Schmelzen bewirkt. Die stark Bi-konzentrationsabhängige Schmelztemperatur des Ge führt zu einem asymmetrischen Erstarren des Schmelzpools und wegen der Volumenänderung zu einem Ge-Massentransport in Richtung hoher Bi-Konzentration. Die Bi-clusterinduzierte, extrem schnelle Schmelz-Erstarrungskinetik kleinster Volumina ist auch ein einzigartiges Modellsystem für GeTe-basierte Phase-Change-Memories.

Experimentelles

Unterschiedliche Binm+ Ionen werden in einer reinen Flüssigmetallionenquelle erzeugt. Die Quelle ist auf einer massenseparierten FIB Säule mit einer Massenauflösung von m/Δm ≈ 35 montiert. Einfach und doppelt geladene Monomere sowie Clusterionen wurden für Bestrahlungsexperimente verwendet. Die Beschleunigungsspannung von 30 kV entspricht Energien von 7.5-20 keV/Atom für die Clusterionen und 30 und 60 keV für die einfach und doppelt geladenen Monomere. Bestrahlungen wurden mit Fluenzen zwischen 5x1013 und 1x1017 Ionen/cm2 durchgeführt. Der fokussierte Ionenstrahl wurde digital über die Ge (001) Oberfläche in Quadraten von 5x5 µm2 (256x256 pixel2) mit einer konstanten Pixelverweilzeit von 20 µs mit angepassten Wiederholraten gescannt. Zusätzlich wurde der Ioneneinfallswinkel zwischen senkrechtem und fast streifendem Einschuss mit einer Genauigkeit von 0.30° variiert. Die Bi+ Monomer Bestrahlung wurde zusätzlich noch auf geheizten Proben im Temperaturbereich von RT bis 600°C durchgeführt. Dazu wurden die Proben auf ein Tectra BORALECTRIC® Heizelement montiert.

Ergebnisse

Monomer- vs. Clusterionen

Nach der Bestrahlung mit Bi+ und Bi++ ions mit Energien von respektive 30 und 60 keV, wurde die bekannte poröse schwammartige Ge Oberflächenstruktur erzielt. Im Gegensatz dazu, wurden für Bi2+, Bi3+ und Bi3++ Dimer- and Trimerionen bei senkrechtem Einfall regalmäßige Dot-Muster mit einer betonten mittelreichweitigen Ordnung und einem Dot-Abstand von 40 bis 60 nm und Dot-Durchmessern zwischen 30 und 50 nm beobachtet. Die Ausbildung der geordneten Strukturen beginnt bereits bei Fluenzen von 1015 Ionen/cm2, was ein paar Größenordnung geringer als die notwendige Fluenz bei Einzelionenbeschuss ist. Das unterschiedliche Verhalten ist im unteren Bild dargestellt, in dem auch das verfügbare Massenspektrum und die verwendeten Ionenspezies gezeigt sind.

Spektrum einer Bi LMIS

Das Aspektverhältnis hängt von der lokalen Deposition der Ionenenergie ab. Für die Bi3++ Ionen, mit der höchsten Energie von 20 keV/Atom, wurde ein Aspektverhältnis von nahezu eins beobachtet. Daher wurden die meisten weiteren Untersuchungen auf dieses Clusterion beschränkt.

Ein AFM Bild der regulären Dot-Matrix nach der Bi3++ Bestrahlung und das zugehörige Oberflächenprofil sind unten dargestellt.trimer irradiation and the corresponding surface profile are shown below confirming the high aspect ratio. Die Insetes zeigen das Ergebnis einer FFT Analyse, die auf ein stark Geordnetes Dot-Ensemble hinweist. Der Vergleich zwischen Sekundärelektronen- und Rückstreuelektronen-Rasterelektronenmikroskopie (sensitiv für Topography und Atommasse) weist auf die Anreicherung von Bi in den Dots hin.

AFM image of a Bi irradiated Ge sample

Einfluss des Einfallswinkels

Die Oberflächenevolution durch die 30 keV FIB Bestrahlung mit Bi3++  Clusterionen unter schrägen Einfall kann in vier charakteristische Bereiche unterteilt werdem. Zwischen 0° und 30° bilden sich regelmäßige Dot-Muster. Zwischen 35° und 60° erhält man eine nahezu glatte Oberfläche. Zwischen 60° und 75° entstehen betonte Ripple-Strukturen mit einer Wellenlänge von etwas 150 nm, gefolgt von einer Schindel- oder Sägezahn-Struktur bei höchsten Winkeln um 85°. Alle Ripple und Schindeln sind senkrecht zur Ionenstrahlrichtung orientiert. Eine Rotation der Muster in die parallele Strahlrichtung, wie in anderen Einzelionenexperimenten, konnte nicht beobachtet werden. Nichtsdestotrotz, die Winkelabhänigkeit und die Musterevolution auf der makroskopischen Skale ähneln einem Verhalten, welches durch ein angepasstes Bradley - Harper Modell beschrieben werden könnte.

Ge Oberflächenmuster bei schräger Bi Bestrahlung


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