festkörperanalytik · beiden sauerstoffatome partial negativ und das kohlenstoffatom partial...
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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: [email protected]
2
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
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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″
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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″
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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″
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F(ν,λ)
ν,λ
Fouriertransformed Infrared Spectroscopy
14Vorlesung „Festkörperanalytik″
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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″
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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″
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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″
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Detektion IR uv-vis (je nach Anregung)
Signal Molekülschwingungen, Phononen
Molekülschwingungen, Phononen
Anwendung Detektion vonVerunreinigungen, kristallinen Phasen, chemische Umgebung
Nachweis von Verunreinigungen, Stressmessungen, Dotierstoffmessungen