Δομικός χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων υλικών προηγμένης τεχνολογίας με τεχνικές μικροσκοπίας: Pd σε υπόστρωμα 6H-SiC (0001), BN σε Si(100) και CeO2 σε Si (100)

Abstract

This thesis deals with structural characterisation of three different systems of thin films with great technological impact: a) Pd/6H-SiC(0001) b) BN/Si(100) and c) CeO2/Si(100). Various complementary microscopy techniques were employed such as Transmission Electron Microscopy (TEM), High Resolution Transmission Electron Microscopy (HRTEM) and Atomic Force Microscopy (AFM) to identify the structural profile via detailed study, analysis and modeling. The scientific results of this thesis contributed to parameterization and optimization of deposition condition leading to high degree of reproducibility of thin film fabrication. The structural study of Pd/6H-SiC(0001) revealed that deposition at room temperature leads to epitaxial growth. During deposition, structural defects and twinning are observed with two different twin interfaces {111} Σ=3 and {11} Σ=3 existing between the two crystals. This study also included modelling and quantitative simulation analysis found in good agreement with experimental results. The study of the second system BN/Si(100) revealed the growth of the cubic phase (c-BN) during deposition via RF magnetron sputtering. The existence of c-BN triangular shape crystals self-organizing (by pointing always towards to the substrate) was attributed to the influence of the deposition parameters. It is remarkable, that the Si substrate and the observed c-BN nanostructures share a common crystallographic axis (texture formation). The third system studied was the cubic phase of polycrystalline CeO2 during its deposition on Si(100) via ΕΒΕ. Specially designed software package (Process Diffraction) was used alternatively to identify the structure, except the standard method. No evidence of hexagonal phase crystals Ce2O3 was found. Additionally, the increase of temperature during deposition seems to increase the size of the crystals. The analysis of diffraction patterns revealed various crystallographic orientations and correlations between thin film and substrate.

Το αντικείμενο της εργασίας αυτής, είναι ο δομικός χαρακτηρισμός λεπτών υμενίων τριών συστημάτων που παρουσιάζουν σημαντικό τεχνολογικές ενδιαφέρον: α) Pd/6H-SiC(0001) β) BN/Si(100) και γ) CeO2/Si(100). Οι τεχνικές που χρησιμοποιήθηκαν είναι η Συμβατική Ηλεκτρονική Μικροσκοπία (TEM), η Ηλεκτρονική Μικροσκοπία Υψηλής Διακριτικής Ικανότητας (HRTEM) και η Μικροσκοπία Ατομικών Δυνάμεων (AFM). Ως κύριος στόχος της παρούσας εργασίας ορίστηκε, η λεπτομερής παρατήρηση, μελέτη, πιστοποίηση και μοντελοποίηση των δομικών χαρακτηριστικών που εμφανίζουν τα τρία αυτά συστήματα. Τα αποτελέσματα της εργασίας αυτής συνέβαλλαν σημαντικά στην παραμετροποίηση και βελτιστοποίηση των συνθηκών ανάπτυξης αυξάνοντας σημαντικά το βαθμό επαναληψιμότητας στην παραγωγή λεπτών υμενίων με ιδιαίτερο τεχνολογικό αντίκρισμα. Το πρώτο σύστημα που εξετάζεται είναι το σύστημα Pd/6H-SiC(0001). Ο δομικός χαρακτηρισμός έδειξε ότι η εναπόθεση του υμενίου σε θερμοκρασία δωματίου οδηγεί σε πολύ καλή επιταξιακή ανάπτυξη. Κατά την ανάπτυξη διαπιστώνονται σφάλματα δομής, με την παρουσία πολλών διδυμιών. Δύο κύριοι τύποι διεπιφανειών {111} Σ=3 και {11} Σ=3 εμφανίζονται μεταξύ των διδύμων κρυστάλλων. Οι τύποι αυτοί αναλύθηκαν και προτάθηκαν δομικά μοντέλα, τα οποία οδήγησαν στην υπολογιστική προσομοίωση των διεπιφανειών αυτών. Η σύγκριση των προσομοιωμένων εικόνων με τις αντίστοιχες πειραματικές έδειξε πολύ καλή συμφωνία γεγονός που κατέδειξε την ορθότητα και την αξιοπιστία του εφαρμοζόμενου μοντέλου. Στο δεύτερο σύστημα BN/Si(100) παρατηρήθηκε ανάπτυξη κυβικής φάσης ΒΝ (c-BN) κατά την εναπόθεση του υμενίου ΒΝ με την τεχνική RF magnetron sputtering. Ο καθοριστικός ρόλος των συνθηκών ανάπτυξης στη διαμόρφωση δομικών χαρακτηριστικών φαίνεται από την εμφάνιση νανοδομών, (τριγωνικού σχηματισμού c-ΒΝ), οι οποίες τείνουν να αναπτύσσονται σε διεύθυνση πάντοτε κάθετη προς το υπόστρωμα, δηλ. παρουσιάζουν μια τάση να αυτο-οργανώνονται. Είναι σημαντικό το γεγονός ότι, οι παρατηρούμενοι προσανατολισμοί των νανοκρυστάλλων c-BN έχουν μεταξύ τους, ένα κοινό κρυσταλλογραφικό άξονα του τύπου <110>, ο οποίος είναι επίσης κοινός και με το υπόστρωμα του Si (texture formation). Στην περίπτωση του τρίτου συστήματος παρατηρήθηκε ανάπτυξη πολυκρυσταλλικού CeO2 κυβικής φάσης κατά την εναπόθεση οξειδίου του δημητρίου (CeO2) σε υπόστρωμα Si(100) με την τεχνική ΕΒΕ. Η πιστοποίηση έγινε εκτός του κλασσικού τρόπου υπολογισμού και με την χρησιμοποίηση ειδικού λογισμικού (Process Diffraction). Δεν υπήρξε καμιά ένδειξη για ανάπτυξη έστω και μικρών νανοκρυσταλλιτών εξαγωνικής φάσης Ce2O3. Είναι γεγονός ότι εξαιτίας της αύξησης της κινητικότητας των ατόμων, παρατηρείται αύξηση του μεγέθους των νανοκρυσταλλιτών, σε συνάρτηση με την θερμοκρασία. Από την ανάλυση των εικόνων περίθλασης διαπιστώθηκαν κρυσταλλογραφικοί προσανατολισμοί και συσχετίσεις μεταξύ υποστρώματος και υμενίου.