nlsop/diplom/zuzsammenfassung_ausblick.tex

   1 \chapter{Zusammenfassung und Ausblick}
   2 \label{chapter:z_und_a}
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   4 Im Rahmen dieser Arbeit wurde ein Monte"=Carlo"=Simulationsverfahren entwickelt, das es erstmals erlaubt, die selbstorganisierte Anordnung amorpher, nanometrischer $SiC_x$"=Ausscheidungen zu analysieren, die in vorangegangenen Arbeiten \cite{herstellung_sic_schicht,da_martin_s,maik_da} nach Hochdosis"=Kohlenstoff"=Ionenimplantation in Silizium beobachtet wurde und die in "ahnlicher Form auch f"ur andere Ion"=Target"=Kombinationen gefunden wurde.
   5 Diese $SiC_x$"=Ausscheidungen haben die Form d"unner Lamellen oder kleiner Kugeln von nur etwa $3 \, nm$ Dicke.
   6 Sie ordnen sich w"ahrend der Implantation in regelm"a"sigen Abst"anden von wenigen $nm$ an.
   7 Ein genaues Verst"andnis des Zustandekommens dieser Ordnung ist wichtig, weil dies einen Weg er"offnet, mittels Ionenimplantation unter Ausnutzung von Selbstorganisation nanostrukturierte Oberfl"achenbereiche mit regelm"a"sigen Strukturen zu schaffen.
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   9 Die Simulation basiert auf einem Modell \cite{vorstellung_modell,chef_habil}, das eine Reihe von miteinander verkn"upften Mechanismen zur Erkl"arung der Entstehung dieser lamellaren Strukturen verwendet.
  10 Jeder dieser Mechanismen kommt bei jedem implantierten Ion wieder zum Tragen.
  11 Sie sind dabei sowohl abh"angig von der in diesem Zeitpunkt vorliegenden Struktur selbst als auch von der Abbremsstatistik des Ions.
  12 Daher bietet es sich an, die Entwicklung der Struktur durch eine Monte"=Carlo"=Simulation zu verfolgen.
  13 Sie erlaubt es, sowohl die Dosisabh"angigkeit der Ausscheidungsanordnung zu ermitteln, als auch experimentell schwer zug"angliche Details, wie zum Beispiel die lokale Kohlenstoffkonzentration in den Ausscheidungen und auch die Verteilung von Spannungen zu bestimmen.
  14 Dar"uberhinaus k"onnen die Einfl"usse der Mechanismen unabh"angig voneinander variiert und eine Auswirkung auf die sich einstellende Ordnung beobachtet werden.
  15 F"ur die technische Herstellung weiter nanostrukturierter Bereiche k"onnen Vorhersagen angestellt werden, unter welchen Voraussetzungen solch ein Ordnungsprozess in einem ausgedehnten Bereich m"oglich ist.
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  17 Nach den experimentellen Befunden aus \cite{maik_da} wurden die $SiC_x$"=Ausscheidungen bei Targettemperaturen zwischen $150$ und $400 \, ^{\circ} \mathrm{C}$ beobachtet.
  18 Unter diesen Bedingungen ist aufgrund der niedrigen nuklearen Bremskraft der leichten Kohlenstoffionen im Silizium keine Amorphisierung zu erwarten \cite{lindner_appl_phys}.
  19 Tats"achlich ist bekannt, dass reines kristallines Silizium unter diesen Gegebenheiten ionenstrahlinduziert epitaktisch rekristallisiert \cite{linnross}.
  20 Die Amorphisierung wird dem Kohlenstoff zugeschrieben.
  21 Um bei diesen Temperaturen amorphe Ausscheidungen zu erhalten, muss eine hohe Dosis implantiert werden.
  22 Man spricht von kohlenstoffinduzierter Amorphisierung.
  23 Es sind Dosen von einigen $10^{17} cm^{-2}$ notwendig.
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  25 Der wichtigen Rolle des Kohlenstoffs bei der Bildung amorpher Phasen wird in dem in \cite{vorstellung_modell,chef_habil} vorgestellten Modell Rechnung getragen.
  26 Bei "Uberschreitung einer S"attigungsgrenze von Kohlenstoff in kristallinem Silizium entstehen sph"arische amorphe Ausscheidungen.
  27 Aufgrund der Dichtereduktion im entspannten amorphen Zustand "ubt dieses amorphe Gebiet Druckspannungen auf die laterale kristalline Umgebung aus.
  28 Dies beg"unstigt die Amorphisierung in den verspannten Gebieten.
  29 Dies entspricht der spannungsunterst"utzten Amorphisierung.
  30 Kohlenstoff diffundiert vom Kristallinen in die amorphen Auscheidungen um die Kohlenstoff"ubers"attigung der kristallinen $Si$"=Phase zu reduzieren.
  31 Die Stabilit"at gegen Rekristallisation steigt in den amorphen Volumen und deren lateralen Umgebungen.
  32 Gleichzeitig sinkt diese Wahrscheinlichkeit in den kristallinen Gebieten.
  33 Es entstehen kohlenstoffreiche lamellare amorphe $SiC_x$"=Ausscheidungen.
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  35 Zwei Implementierungen der Monte"=Carlo"=Simulation entsprechend des vorgestellten Modells mit unterschiedlichen Simulationszwecken wurden entwickelt.
  36 In einer ersten Version wird der Tiefenbereich von der Oberfl"ache des Targets bis zum Beginn der durchgehend amorphen Schicht simuliert, um zu sehen, ob nach dem Modell "uberhaupt eine Bildung selbstorganisierter Lamellen m"oglich ist.
  37 Nukleare Bremskraft und Implantationsprofil werden in dieser Version linear gen"ahert.
  38 Die zweite Version umfasst den kompletten Implantationsbereich einschlie"slich der durchgehend amorphen Schicht, um festzustellen, ob das Modell weiterhin in der Lage ist, sowohl die Bildung der lamellaren $SiC_x$"=Ausscheidungen als auch der durchgehend amorphen Schicht in Abh"angigkeit der Dosis zu erkl"aren.
  39 Hier wird ein exaktes Bremskraft- und Implantationsprofil verwendet.
  40 Simulationsparameter erm"oglichen in beiden Versionen die Steuerung des Amorphisierungsprozesses.
  41 Die drei zur Amorphisierung beitragenden Mechanismen ballistische Amorphisierung, kohlenstoffinduzierte Amorphisierung und spannungsunterst"utzte Amorphisierung k"onnen durch Parameter gewichtet werden.
  42 Die Diffusion kann durch zwei weitere Parameter beschrieben werden.
  43 Hier liegt der Vorteil der Simulation gegen"uber dem Experiment.
  44 In der Simulation sind diese Parameter unabh"angig voneinander einstellbar, so dass der Einfluss eines jeden Mechanismus oder Prozesses auf den Selbstorganisationsvorgang frei untersucht werden kann.
  45 Bei der Implementierung wurde darauf geachtet, dass ein Durchlauf exakt einem implantierten Ion entspricht.
  46 Somit kann versucht werden, eine experimentell bestimmte Dosisentwicklung zu reproduzieren.
  47 Nach Beenden einer Simulation k"onnen die Kohlenstoffkonzentration, die Spannungsfelder und der genaue amorph/kristalline Zustand leicht dargestellt werden.
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  49 Mit den Ergebnissen der ersten Version kann gezeigt werden, dass eine selbstorganisierte Bildung lamellarer amorpher $SiC_x$-Ausscheidungen mit Hilfe dieses Modells reproduziert werden kann.
  50 Dabei f"allt auf, dass die kohlenstoffinduzierte Amorphisierung eine weitaus gr"o"sere Rolle als die rein ballistische Amorphisierung einnimmt.
  51 Die aus EFTEM gewonnene Aussage, dass die amorphen Gebiete eine sehr hohe Kohlenstoffkonzentration haben, wird durch die Simulation best"atigt.
  52 Mit Hilfe der Simulation k"onnen noch weitere Aussagen "uber die Verteilung des Kohlenstoffs getroffen werden.
  53 Eine genaue Lage des Kohlenstoffs in den amorphen und kristallinen Gebieten kann angegeben werden.
  54 Dadurch wird der Selbstorganisationsprozess nachvollziehbar.
  55 Amorphe und kristalline Gebiete sind in aufeinander folgenden Ebenen komplement"ar angeordnet.
  56 Da sich gro"se und kleine amorphe Gebiete abwechseln und die amorphen Gebiete aufgrund der Diffusion sehr kohlenstoffreich sind, schwankt die Kohlenstoffkonzentration im Bereich der lamellaren Ausscheidungen.
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  58 Mit der zweiten Version wird der gesamte durch den Ionenbeschuss modifizierte Tiefenbereich abgedeckt.
  59 Man findet einen Satz von Simulationsparametern, der die experimentell beobachtete Dosisentwicklung gut reproduziert.
  60 Man erkennt die Bildung einer durchgehend amorphen Schicht ausgehend von einzelnen amorphen Ausscheidungen.
  61 Mit Erh"ohung der Dosis w"achst die Dicke dieser Schicht an.
  62 Gleichzeitig entstehen selbstorganisierte lamellare Ausscheidungen an der vorderen Grenzfl"ache der Schicht.
  63 Die Grenzfl"achen und die Lamellen werden bei fortgesetzter Implantation sch"arfer und strukturierter.
  64 Auch hier ist die kohlenstoffinduzierte Amorphisierung der wichtigste Mechanismus der zur Amorphisierung beitr"agt.
  65 Auf eine Ver"anderung der die Diffusion und die spannungsunterst"utzte Amorphisierung beschreibenden Parameter reagiert das System sensibel.
  66 Diffusion ist einerseits notwendig f"ur die lamellare Ordnung der amorphen Ausscheidungen, eine leicht aggressivere Diffusion f"uhrt andererseits jedoch zu einer kompletten lamellaren Amorphisierung des Targets, so dass sich keine durchgehende Schicht bildet.
  67 Zu hohe Werte f"ur den Parameter der Druckspannungen verursachen eine nahezu komplette Amorphisierung des kohlenstoffhaltigen Bereichs.
  68 Wie in der ersten Version des Programms f"allt auf, dass die amorphen und kristallinen Volumina in aufeinanderfolgenden Ebenen im Tiefenbereich der lamellaren Ausscheidungen komplement"ar angeordnet sind.
  69 Dies "au"sert sich in Schwankungen der Kohlenstoffkonzentration im lamellaren Tiefenbereich.
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  71 Weiterhin ist es durch die Simulation m"oglich, eine Vorhersage zu machen, wie sich durch einen zweiten oder mehrere Implantationsschritte breite selbstorganisierte Bereiche herstellen lassen.
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  73 Das Modell kann demnach die Bildung der selbstorganisierten lamellaren Ausscheidungen erkl"aren.
  74 Die Einf"uhrung lateraller Spannungen als Amorphisierungsmechanismus steht nicht im Widerspruch zur Bildung der durchgehenden Schicht, da deren Entstehung gemeinsam mit den lamellaren Ausscheidungen von der Simulation reproduziert wird.
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  76 Mit Hilfe weiterer Implantationen anderer Ion-Target-Kombinationen k"onnte man die Abh"angigkeit der Simulationsparameter vom verwendeten Materialsystem untersuchen.
  77 Dadurch k"onnte die Simulation zu einem universellen Programm zur Amorphisierung jedes Materialsystems erweitert werden.
  78 Ein Zusammenhang zwischen den die Amorphisierung beschreibenden Parameter und den Materialkonstanten k"onnte au"serdem Aufschluss "uber die Amorphisierungsmechanismen liefern.
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