Synergismen bei der Erosion von amorphen Kohlenwasserstoffschichten mit niederenergetischen und thermischen Teilchenstrahlen, eine In-Situ-Ellipsometriestudie

Titelangaben

Schlüter, Michael:
Synergismen bei der Erosion von amorphen Kohlenwasserstoffschichten mit niederenergetischen und thermischen Teilchenstrahlen, eine In-Situ-Ellipsometriestudie.
Bayreuth , 2007
( Dissertation, 2008 , Universität Bayreuth, Fakultät für Mathematik, Physik und Informatik)

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Abstract

Die Erosion von amorphen Kohlenwasserstoff-Schichten (a-C:H-Schichten) durch kombinierten Beschuss von quantifizierten Teilchenstrahlen von Ionen und chemisch reaktiven Spezies wurde mittels Ellipsometrie untersucht. Im Rahmen dieser Arbeit wurden folgende Kombinationen untersucht: (1) Edelgasionen + H°, (2) N2-Ionen und N2-Ionen + H° und (3) Ar-Ionen + O2. Die Ionenenergie wurde zwischen 20 und 900 eV und die Probentemperatur zwischen 110 und 950 K variiert. In allen Fällen wurden synergetische Effekte beobachtet: Die Erosionsrate bei der gleichzeitigen Wechselwirkung ist deutlich höher als die Summe der einzelnen Erosionsraten durch energetische Ionen (physikalische Zerstäubung) und thermische chemisch reaktive Teilchen (chemische Erosion). Zwei unterschiedliche Synergismen wurden beobachtet und ein Modell der Erosion von a-C:H-Schichten wurde entwickelt: (I) Bei tieferen Temperaturen spielt die chemische Erosion durch thermische H°, N° oder O2 eine unbedeutende Rolle, so dass als einzig möglicher Erosionsmechanismus ein ioneninduzierter Prozess in Frage kommt: Die Ionen brechen zuerst C-C-Bindungen in der Schicht auf danach reagieren die chemisch reaktiven Spezies mit diesen gebrochenen Bindungen innerhalb ihrer Reichweite chemisch und bilden flüchtige Produkte C:X (X=H, N, O). Dieser Synergismus ist temperaturunabhängig und bekannt als chemische Zerstäubung. Im Fall Ar-Ionen + O2 wurde ein Anstieg der Erosionsausbeute mit sinkenden Temperaturen (110-300 K) beobachtet. Das lässt sich durch einen von der O2-Bedeckung abhängigen Erosionsprozess bei tiefen Temperaturen erklären. Die Erosionsausbeute, die proportional zur O2-Bedeckung angenommen wird, steigt mit fallenden Temperaturen. Die Implementierung eines Adsorption-Desorption-Mechanismus für die temperaturabhängige O2-Bedeckkung im Modell ergibt gute Übereinstimmung mit den Daten. Die Messungen der chemischen Zerstäubung durch Ar-Ionen + Wasser zeigte eine ähnliche Temperaturabhängigkeit der Erosionsausbeuten bei tiefen Temperaturen (110-200 K). (II) Wie erwartet wird bei hohen Temperaturen (über 330 K für H° und über 700 K für O2) die Erosion durch H° oder Verbrennung durch O2 wichtig. Allerdings, ist die Erosionsausbeute durch Ionen + H° oder Ionen + O2 deutlich höher als die Summe der Erosionsausbeuten durch chemische Zerstäubung und die Ausbeute der chemischen Erosion durch H° bzw. O2. Ein Mechanismus für diesen neuen Synergismus wurde vorgeschlagen: Eine ioneninduzierte Erhöhung der chemischen Erosion. Schädigung durch den Ionenbeschuss (gebrochene C-C-Bindungen) aktiviert die Oberfläche und erhöht die chemische Erosion. Die Implementierung dieses Mechanismus im Modell ermöglicht eine Beschreibung der Daten bei diesen hohen Temperaturen. Die Gesamterosionsausbeute ergibt sich daher aus der Summe der Ausbeuten der physikalischen Zerstäubung, der chemischen Erosion und der Ausbeuten der zwei Synergismen, dem Prozess der chemischen Zerstäubung (I) und dem Prozess der ioneninduzierten Erhöhung der chemischen Erosion (II). Das Modell beschreibt die gemessenen Erosionsausbeuten in Abhängigkeit von Energie, Teilchenfluss und Temperatur sehr gut.

Abstract in weiterer Sprache

The erosion of amorphous hydrocarbon (a-C:H) films due to the combined irradiation with ions and chemically reactive species was investigated by ellipsometry using quantified particle-beams. In this work the following combinations were investigated: (1) noble gas ions + H°, (2) N2-ions and N2-ions + H° and (3) Ar-ions + O2. The ion energy was varied between 20 and 900 eV and the substrate temperature between 110 and 950 K. In all these cases synergistic effects have been observed: the erosion rate of the simultaneous interactions is much higher than the sum of the individual erosion rates due to energetic ions (physical sputtering) and thermal chemical species (chemical erosion). Two types of synergisms were observed and a model of the erosion of a-C:H films was developed: (I) At low temperatures chemical erosion due to thermal H°, N° or O2 species plays an insignificant role, so that the only possible erosion mechanism is due to ion-induced processes: first, the ions break C-C-bonds in the film and second, the chemically reactive species react with these broken bonds within their penetration range and volatile products C:X (X=H, N, O) are formed. This synergism is temperature independent and known as chemical sputtering. For the case Ar-ions + O2 an increase of the erosion yield was observed with decreasing temperature (110-300 K). This is explained by an O2-coverage-dependent erosion process at low temperatures. The erosion yield, which is assumed to be proportional to the O2 coverage, increases with decreasing temperature. The implementation of an adsorption-desorption mechanism for the temperature-dependent coverage of O2 in the model leads to good agreement with the data. Measurements of the chemical sputtering due to Ar-ions + water showed a similar temperature dependence of the yields at low temperatures (110-200 K). (II) As expected, at higher temperatures (above 330 K for H° and above 700 K for O2) chemical erosion due to H° or combustion due to O2 becomes significant. However, the yields in ions + H° or ions + O2 cases increased much more than the sum of the yield of chemical sputtering plus the yield of the chemical erosion due to H° or the combustion due to O2. A mechanism for this new synergism is proposed: ion-enhanced chemical erosion. Damage due to ion bombardment (broken C-C-bonds) activates the surface and enhances chemical erosion. By including this mechanisms in the model it was possible to describe the data at high temperatures. The total erosion yield is therefore the sum of the yields due to physical sputtering and chemical erosion plus the two yield enhancements due to the synergisms, the chemical sputtering process (I) and the ion-enhanced chemical erosion process (II). The model describes the energy, flux and temperature dependence of the measured erosion yields very well.