title: Echtzeitanalyse des photoinduzierten Wachstums von Siliziumoxid mittels spektroskopischer Ellipsometrie und FTIR-Spektroskopie
creator: Patzner, Patrik
subject: ddc-540
subject: 540 Chemistry and allied sciences
description: Um die photochemisch induzierte Oxidation von Silizium zu untersuchen, wurde in dieser Arbeit eine Messapparatur für in situ und Echtzeit-Diagnose geplant und aufgebaut. Der Prozess wurde durch die direkte Bestrahlung der Probenoberfläche mit einem Fluorlaser oder einem ArF-Laser induziert. Durch die hohe Photonenenergie dieser UV-Laser von 7,9 eV Fluorlaser) bzw. 6,4 eV (ArF-Laser) wurden bei diesen Experimenten Moleküle in der Gasphase dissoziiert, wobei atomarer Sauerstoff erzeugt wurde. Dieser war für die Oberflächenoxidation verantwortlich. Es wurden Oxidationsatmosphären mit verschiedenen Konzentrationen an O2 oder N2O verwendet und die Probentemperatur wurde über einen großen Bereich variiert. In den Oxidationsexperimenten wurde das Wachstum ultradünner Oxidfilme (< 6 nm) auf H-terminierten Siliziumoberflächen untersucht. Dabei kamen amorphe Siliziumfilme, Si(100)-Einkristalle und Si(111)-Einkristalle zum Einsatz.  Der Oxidationsprozess wurde mit FTIR-Spektroskopie und mit spektroskopischer Ellipsometrie in Echtzeit charakterisiert. Mittels FTIR-Spektroskopie konnte die Abnahme der H-Terminierung und das Wachstum der Oxidstruktur beobachtet werden. Für die Modellierung der ellipsometrischen Messungen wurde ein 3-Lagen-Modell entwickelt. Zwischen dem amorphen Siliziumdioxidfilm (a-SiO2) und dem Siliziumsubstrat enthält dieses Modell eine Grenzschicht. Diese setzt sich aus einer ultradünnen Lage aus dichtem, amorphem Silizium (a-Si) und aus einer Suboxidlage (SiOx, x = 0..2) zusammen. Der Aufbau der Oxidstruktur auf den drei verschiedenen Siliziumsubstraten wurde untersucht. Dabei stellte sich heraus, dass die Oxidationsbedingungen wenig Einfluss auf die Oxidstruktur hatten. Vielmehr war der Aufbau des Oxids charakteristisch für das verwendete Substrat. Auf den amorphen Siliziumfilmen wuchs direkt ein a-SiO2-Film ohne die Ausbildung eine Grenzschicht. Im Gegensatz dazu bildete sich auf den Si(100)-Substraten eine Grenzschicht aus, die aus einer (0,1 ± 0,1) nm dicken dichten a-Si-Lage und aus einer (0,40 ± 0,15) nm dicken SiOx-Schicht (x = 0,15 ± 0,10) besteht. Die dickste Grenzschicht wurde auf den Si(111)-Oberflächen gemessen. Sie setzte sich aus einer (0,2 ± 0,1) nm dicken dichten a-Si-Lage und aus einer (0,85 ± 0,25) nm dicken SiOx-Schicht (x = 0,40 ± 0,15) zusammen. Es wurde der Schluss gezogen, dass die Aufgabe der Grenzschicht darin besteht, die geordnete, kristalline Struktur des Substrats mit der amorphen Struktur des Oxids zu verbinden und Spannungen bei diesem Übergang abzubauen. Es zeigte sich, dass sich die Grenzschicht in der ersten Oxidationsphase aufbaute und sich während des weiteren Oxidwachstums kaum mehr änderte. Die Kinetik des SiO2-Filmwachstums hängt von den Reaktionsbedingungen ab. Es hat sich herausgestellt, dass die Oxidation bei hohen Drücken (~ 1000 mbar) stark gehemmt war. Mit höheren Temperaturen (32 °C - 300°C) nahm die Wachstumsrate zu, was bei einem diffusionskontrollierten Prozess zu erwarten war. Der Wachstumsverlauf lässt sich mit dem klassischen Deal-Grove-Modell nicht beschreiben. Die Wachstumsrate ist im frühen Stadium des Oxidationsexperiments größer, und die Selbstlimitierung des Wachstums ist bei dickeren Filmen stärker. Unter Berücksichtigung der Rekombination von atomarem Sauerstoff während der Diffusion im Oxid konnte ein Wachstumsmodell erstellt werden, mit dem das Wachstumsverhalten sehr gut beschreibbar ist. Daraus konnte die Aktivierungsenergie für die Diffusion von Sauerstoffatomen in a-SiO2 bestimmt werden (ED = 0,15 eV). Dieser niedrige Wert erklärt, warum es mit atomarem Sauerstoff möglich ist, selbst bei geringen Konzentrationen und niedrigen Temperaturen SiO2-Filme zu erzeugen. Es wurden Versuche durchgeführt, in einer ozonhaltigen Atmosphäre die Oberflächenoxidation photochemisch zu induzieren. Aufgrund des hohen Drucks und der Rekombination von Sauerstoffatomen mit Ozon konnte jedoch kein photoinduziertes Oxidwachstum beobachtet werden. 
date: 2004
type: Dissertation
type: info:eu-repo/semantics/doctoralThesis
type: NonPeerReviewed
format: application/pdf
identifier: https://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserverhttps://archiv.ub.uni-heidelberg.de/volltextserver/5265/1/Patzner_Dissertation_heidok.pdf
identifier: DOI:10.11588/heidok.00005265
identifier: urn:nbn:de:bsz:16-opus-52655
identifier:   Patzner, Patrik  (2004) Echtzeitanalyse des photoinduzierten Wachstums von Siliziumoxid mittels spektroskopischer Ellipsometrie und FTIR-Spektroskopie.  [Dissertation]     
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language: ger