Festkörperanalytik · beiden Sauerstoffatome partial negativ und das Kohlenstoffatom partial...

Institut für Angewandte Physik

Festkörperanalytik

Vorlesung „ Festkörperanalytik″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

FestkörperanalytikDünne Schichten

Organisatorisches

Johannes Heitmann Institut für Angewandte Physik Gellert-Bau, EG.17Tel.: 39 2590E-Mail: johannes.heitmann@physik.tu-freiberg.de

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Vorlesungsfolien finden Sie unter:http://tu-freiberg.de/fakult2/angph/studium/

Nutzer: iapuserPasswort: iap0107

Vorlesung „Festkörperanalytik″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Dünnschichtanalytik1. Einleitung

- Übersicht über unterschiedliche Techniken

- Vergleich von Auflösung, Empfindlichkeit und Eindringtiefe

- Grundlagen der Vakuumtechnik

2. Ionenbasierte Anregung

- IonenstrahlanalytikRBS, PIXE, NRA, ERDA; Microprobes

- Ionenbasierte Sputter prozesseSIMS, SNMS

3. Elektronenbasierte Anregung

3

- Scanning Electron MicroscopyElektronenangeregt Abbildung, EDX, STEM

- Transmissionselektronmikroskopie (TEM)Abbildung, EELS, EDX, HRTEM, Dunkelfeld

4. Röntgenanregung

- Detektion von Röntgenstrahlung (XRF), Photoelektronen (XPS)

5. Photonen

- Ellipsometrie

- Infrarotspektroskopie

- Raman

- Photolumineszenz

Vorlesung „Festkörperanalytik″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Dünnschichtanalytik1. Einleitung

- Übersicht über unterschiedliche Techniken

- Vergleich von Auflösung, Empfindlichkeit und Eindringtiefe

- Grundlagen der Vakuumtechnik

2. Ionenbasierte Anregung

- IonenstrahlanalytikRBS, PIXE, NRA, ERDA; Microprobes

- Ionenbasierte Sputter prozesseSIMS, SNMS

3. Elektronenbasierte Anregung

4

- Scanning Electron MicroscopyElektronenangeregt Abbildung, EDX, STEM, Auger

- Transmissionselektronmikroskopie (TEM)Abbildung, EELS, EDX, HRTEM, Dunkelfeld

4. Röntgenanregung

- Detektion von Röntgenstrahlung (XRF), Photoelektronen (XPS)

5. Photonen

- Ellipsometrie

- Infrarotspektroskopie

- Raman

- Photolumineszenz

Vorlesung „Festkörperanalytik″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Spektroskopie

5Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Spektroskopie

Spektroskopie: Wechselwirkung von elektromagn. Strahlung mit stofflicher Materie

Resonanzspektroskopie � Änderung des magnetischen Moments

Optische Spektroskopie ���� Änderung des elektrischen Dipolmoments

Geschichtlich:

6

Geschichtlich:

1800 – IR Entdeckung

1880 – Anwendung von IR auf organische Moleküle

1892 – Zusammenhang zwischen Abstrahlung und Struktur der Materie

1905 – IR Atlanten

1928 – Raman-Spektroskopie

1935 – 1. IR Spektroskop kommerziell erhältlich

Vorlesung „Festkörperanalytik″Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Elektromagnetische Strahlung

7Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

I0 ID

IRIS

Wellenzahl:

Einheit: cm-1

c

νν =

Absorption - Emission

I0 ID

IRIS

Absorption: M+hν � M*Spontane Emission: M* � M+hν

Induzierte Emission: M* +hν � M+ 2hν

kxeII

−= Lambert‘sches Gesetz

8Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

kxeII

−= 0 Lambert‘sches Gesetz

kxII −=)/ln( 0 Extinktion, Absorbance

xII ε=)/lg( 0 Extinktionskoeffizient

cxkeII

'

0

−= c – Konzentration des Absorbers (nach BeerAnwendung für Lösungen)

Dipolmoment

9Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

qr

EM

⋅=

⋅=rr

rr

µ

µ

Voraussetzung Schwingungsspektroskopie (IR-aktiv): 0≠ird

dr

rµ

Voraussetzung Rotationsspektroskopie (µ-Wellen): permanentes Dipolmoment

irr

Drehmoment:

Dipolmoment:

- Normalkoordinate

Statisches Dipolmoment

10Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Die symmetrische Schwingung der Methylengruppe besitzt ein Dipolmoment, das auf der winkelhalbierenden Gerade des HCH-Winkels liegt. Würde sich die Methylengruppe komplett in Ruhe befinden, so wäre dieses Dipolmoment statisch vorhanden und würde sich nicht ändern. Es würde "dynamisch" ruhen. Schwingen nun beide H-Moleküle synchron in der Bindungslänge, so ändert sich während der Schwingung das Dipolmoment (in Bild unten links, rot dargestellt) ständig. Dieses veränderliche Dipolmoment lässt sich auch ausdrücken als ein mittleres Dipolmoment (nicht dargestellt) und der Abweichung (blau dargestellt) des Dipolmoments von seinem Mittelwert.

Übergangsdipolmoment

Voraussetzung für die Möglichkeit der IR-Anregung eines Schwingungsübergangs (Anregung in einen anderen Schwingungszustand) in einem Molekül ist aber nicht unbedingt das anfängliche Vorhandensein eines Dipolmoments. Es reicht völlig, wenn sich durch die Schwingungsanregung das Dipolmoment ändert. Beim Wasser ist bereits

11Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

sich durch die Schwingungsanregung das Dipolmoment ändert. Beim Wasser ist bereits ein Dipolmoment vorhanden, das sich durch die Schwingungs-anregung ändert. Beim Kohlendioxid hingegen ist kein anfängliches Dipolmoment vorhanden. Zwar sind die beiden Sauerstoffatome partial negativ und das Kohlenstoffatom partial positiv. Da aber das Molekül symmetrisch ist, heben sich die Polaritäten auf. Es kann jedoch mit infrarotem Licht zur z. B. asymetrischen Streckschwingung angeregt werden. Diese besitzt kein statisches, wohl aber der Bewegung entsprechend ein dynamisches Dipolmoment. Eine weitere im Kohlendioxid anregbare Schwingung ist die Deformationsschwingung (Schwingung im O-C-O Winkel)

Fouriertransformation

Fouriertransformation: Zeitdomäne Frequenzdomäne

f(t) F(ν)

f(t) F(ν)

12Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

νπνπνννν πνdtitFdeFtf

ti )2sin2(cos)()()( 2 +== ∫∫+∞

∞−

−+∞

∞−

dtttftF )2(cos)()( πν∫+∞

∞−=

t ν

Nur Realteil (ausreichend, wenn die Phase vernachlässigt wird):

Interferometer

t

f(t)

13Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

F(ν,λ)

ν,λ

Fouriertransformed Infrared Spectroscopy

14Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Lichtquelle: IR fähig (Globar)IR-Detektor: MCT (Mercury-Cadmium-Tellurid)-Detektor

Attenuated total reflection (ATR)Abgeschwächte Totalreflektion

Grenzwinkel der Totalreflexion: 2

1sinn

nG =α

ATR-Prisma Probe als ATR-Prisma

15Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Spektroskopie möglich durch stehende Wellen an der Grenzfläche

90010001100

TA (°C)

Ab

sorp

tio

n [

w.E

.]

Si-O-SiStreckschwingung

OSiSiO

SiSi

Si-O-SiBiegeschwingung

Zusätzliche Bande

Beispiel: Entmischung von SiOx-Schichten

16

FTIR Spektren für Proben ausgeheizt zwischen 100°C und 1100°C

800 900 1000 1100 1200 1300100300400500600700800900

Ab

sorp

tio

n [

w.E

.]

Wellenzahlen (cm-1)

1020

1040

1060

1080

1100

thermisches SiO2

SiO2 Modell

100 nm SiO 100 nm SiO

2

νν ννS

iO [

cm-1]

1

2

3 100 nm SiO

2

5 nm SiO 3 nm SiO

Ab

sorp

tio

nsi

nte

nsi

tät

[w.E

.]

OSiSi Zusätzliche Bande

Disproportionierung

17

0 200 400 600 800 1000 1200980

1000

1020

SiO Modell

100 nm SiO2

5 nm SiO 3 nm SiO

TA [°C]

300 400 500 600 7000

1

TA [°C]

Ab

sorp

tio

nsi

nte

nsi

tät

[w.E

.]

Siyx

xSiO

yx

xSiO yxx )1(

+−+

+→ + nicht IR-aktiv

IR-aktiv ⇒Verschiebung

Raman Spectroscopy

18[ I. De Wolf ]

Raman Spectroscopy

19Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Grundlagen

Das elektrische Feld der anregenden Strahlung mit der Frequenz kann durch folgende Gleichung beschrieben werden:

Die Anregungsstrahlung greift die Elektronen der Bindungen eines Moleküls an. Diese Elektronen führen erzwungene Schwingungen mit der Frequenz der Anregungsstrahlung aus. Dadurch wird ein Dipolmoment µ induziert:

20Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Die Polarisierbarkeit ist ein Maß der Deformierbarkeit der Elektronenhülle von Molekülen und Atomen unter Einwirkung eines elektrischen Feldes.Dieser oszillierende Dipol sendet die ihm aufgezwungene Schwingungsenergie wieder aus (Erklärung der Rayleigh-Streustrahlung).

Grundlagen

Führen Moleküle zusätzlich Schwingungs- bzw. Rotationsbewegungen aus, bei denen sich die Polarisierbarkeit ändert, kann diese wie folgt beschrieben werden:

Die Normalkoordinate Q variiert periodisch mit der Frequenz der Schwingung :

Damit ergibt sich für die Polarisierbarkeit α der Molekülbewegungen:

21Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Damit ergibt sich für die Polarisierbarkeit α der Molekülbewegungen:

Setzt man den letzten Ausdruck in die Gleichung für das induzierte Dipolmoment ein, dann erhält man:

GrundlagenNach Umformen der letzten Gleichung (Trigonometrie:) ergibt sich:

Rayleigh-Streuung Anti-Stokes-Streuung Stokes-Streuung

22Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Voraussetzung für ein Ramansignal für eine Schwingung:

0≠iqd

dv

rα

Bei der Schwingung muß eine veränderliche Polarisierbarkeit auftreten

Stimulierte Emission

W2

hν hν

Ein Photon der Energie hν = W2 – W1 tritt in WW mit dem bereits angeregten AtomUnd stimuliert den Übergang in den Zustand W1 unter Verkürzung der Lebensdauer,begleitet von Aussendung eines zweiten Photons

23

W1

kohärenter Prozess

•

•

Rückkopplungsprinzip

•

Spiegel 1 Spiegel 2

•

24

L

•

Resonator

Bedingungen des ‚Laserns‘Besetzungsinversion und Rückkopplungsprinzip

Die drei Hauptbestandteile des Lasers:

Sp1 Sp2Pumpquelle

25

L

Resonator

Lasermedium

Si Phononen- Dispersionsrelation

26

Phonon TO LO TA LAasd

Energie [meV] 57,8 54,5 18,4 46,3 3

Irel 1 0,15 0,03 - 4

1 J.Y. Tang et al., J. Appl. Phys. 54 (1982) 5139.2 H. Ibach, H. Lüth, Festkörperphysik, Springer-Verlag, (1990).3 O. Madelung, Landolt-Börnstein, 22a, Springer, Berlin, (1987).4 O. Glembocki et al., Phys. Rev. B 25 (1982) 1193.

Strain Calculation• Equations for strain calculation

[ I. De Wolf ]

strain (ε) = σ/ E [ Hooke’s law ]

27

where� ω0 = peak position for bulk Si � ∆ω3 = peak shift from bulk Si peak� σ = stress � S = elastic compliance tensor� E = young’s modulus� p & q = phonon deformation potentials

514 n

m

457 n

m

364 n

m

8-16 nm tensile strained layer

Eindringtiefe

28

8 nm strained Si0.7Ge0.3

~ 1 µm relaxed Si0.85Ge0.15

~ 1.5 µm relaxed Si1.xGex (x=0 to 0.15)

Si (100)

[ Horiba Jobin Yvon ]

Strain profiling in thin layers

Tensile strained

Si channel

Ge ~ 15%

29

Strain profiling in MOSFET channelSample before bevelling

Target to bevel

50 µµµµm x 50 µµµµm20 µµµµm x 20 µµµµm10 µµµµm x 10 µµµµm

Sample after bevelling

line scan

30

Si0.77Ge0.23

Si

SIMS profile

Strain & doping profiling in laser crystallized solar cells

31

Zusammenfassung

FTIR Raman

Bedingung

Anregung IR Licht(kontinuierliches Spektrum)

Laser (uv – vis)

0≠ird

dr

rµ

0≠ird

dr

rα

32Vorlesung „Festkörperanalytik″

Johannes Heitmann, Institut für Angewandte Physik

Detektion IR uv-vis (je nach Anregung)

Signal Molekülschwingungen, Phononen

Molekülschwingungen, Phononen

Anwendung Detektion vonVerunreinigungen, kristallinen Phasen, chemische Umgebung

Nachweis von Verunreinigungen, Stressmessungen, Dotierstoffmessungen