Projektverbund Umweltverträgliche Anwendungen der Nanotechnologie Zwischenbilanz und Fachtagung, 27. Februar 2015 Wissenschaftszentrum Straubing Optimierung der Analytik nanostrukturierter Schichten Prof. Dr. Günther Benstetter Alexander Hofer, M. Eng. Technische Hochschule Deggendorf Fakultät Elektrotechnik und Medientechnik
Inhaltsverzeichnis Beispiel Inhaltsverzeichnis Thermische und elektrische Eigenschaften nanostrukturierter Schichten? Ziel: Hoch auflösende Charakterisierung von Materialparametern Methoden der Raster-Sonden-Mikroskopie, Messplatz zur Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit und Raster-Elektronen- Mikroskopie 2
Problemstellung Schicht 1 Schicht 2 Substrat Klassische, metallbasierte Schichtsysteme Materialparameter bekannt Thermische und elektrische Leitfähigkeit miteinander verknüpft Nanostrukturierte Schichtsysteme Thermische und elektrische Leitfähigkeit weitgehend unbekannt Abhängig von Nanostruktur Teilweise unabhängig voneinander modifizierbar 200 nm 3
Ziel Kombination von Analyseverfahren ortsaufgelöste simultane Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeit und der Topographie ortsaufgelöste Ermittlung thermischer Materialeigenschaften Bestimmung der Mikrostruktur Unterstützende Begleitung der Entwicklung und Fertigung nanostrukturierter Schichtsysteme für Thermogeneratoren Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit von makroskopischen Dünnschichten 4
Raster-Sonden-Mikroskopie 2D-Bestimmung Topographie und el. Leitfähigkeit Charakterisierung der Proben aus dem Projektverbund 200 nm Topographie (a) und Strommapping (b) einer SiGe-Nanopartikelschicht Topographie-Messung zeigt nur die Grobstruktur der Oberfläche Strommapping zeigt eine Feinstruktur mit einer Ortsauflösung von wenigen 10 Nanometern (a) 1 µm (b) 25 nm 60 na 5
Strom (na) Raster-Sonden-Mikroskopie Lokale Bestimmung der elektrischen Leitfähigkeitt Kristalldefekt Grundmaterial Spannung (U) Beispiel: Änderung lokaler Strom-Spannungs-Kennlinien an Kristalldefekten von GaN Oberfläche von GaN mit Kristalldefekten A. Hofer et al., Thin Solid Films Volume 544, 139 (2012) 6
Raster-Elektronen-Mikroskopie Bestimmung von Dotierungsunterschieden Probe4 Unterschiedlich hoch dotierte Proben Probe4 hoch dotiert, Probe48 niedrig dotiert Element Wt % At % C K 61.70 82.93 O K 10.68 10.78 AlK 00.39 00.23 GeK 26.80 05.96 AsK 00.43 00.09 Verhältnis = 0.09 5.96 = 0.0151 Probe48 Element Wt % At % C K 58.27 79.79 O K 13.37 13.74 AlK 00.12 00.07 GeK 28.19 06.39 AsK 00.05 00.01 Verhältnis = 0.01 6.39 = 0.00156 Standardlose Quantifizierung (ZAF) Verhältnis der Atom% von As zu Ge 7
Raster-Elektronen-Mikroskopie Funktionsweise Elektronen-Rückstreu-Beugung Bestimmung der Kristallorientierung durch Elektronenrückstreuung am Kristallgitter Auswertung der rückgestreuten Kikuchi-Muster 700 nm Ionenstrahl Ätzung erforderlich da oberste Atomlagen der abgeschiedenen Germaniumschichten nicht kristallin vorliegt 8
Raster-Elektronen-Mikroskopie Einfluss der Laserintensität auf die Gefügestruktur Kristallorientierung im ungestörten Bereich Germaniumschichten beinhalten Bereiche mit charakteristischen Mustern Kristallorientierung im gestörten Bereich 1 µm 100 µm Abwesenheit von Meanderstruktur und fehlende Kristallorientierung lassen auf nicht-gesinterte Nano- Partikel schließen 1 µm 9
ΔU (K) Makroskopische Verfahren Bestimmung der Wärmeleitfähigkeit Messobjekt Heizleiter Si Substrat Messobjekt Isolierende Schicht Periodische Erwärmung mit Heizstrom variabler Frequenz Wärmewelle im Schichtsystem Isolierschicht Si Substrat Spannungsänderung U im Heizleiter ist ein Maß für die thermische Leitfähigkeit ln(ω) 10
Numerische Simulation Finite-Elemente-Methode 297 K Begleitende Simulation Einfluss von Material- und 293 K Geometrieparametern Verifikation experimenteller Ergebnisse Beispiel: Simulation der Oberflächentemperatur einer dünnen Schicht 11
Bisherige Ergebnisse Makroskopische Verfahren Aufbau Messplatz zur makroskopischen Bestimmung der thermischen Leitfähigkeit Notwendige Optimierungen des Messaufbau durchgeführt Zu messende Schichten können auf modifizierten Substraten abgeschieden werden Möglichkeit der Messung an dünneren Schichten (<50 nm), zuvor nur über 300 nm Raster-Sonden-Mikroskopie Erfolgreiche Vorversuche zur 2D Bestimmung der el. Leitfähigkeit (= Strommapping) Jedoch Modifikation notwendig, da zu hohe Abnutzung der Probe, z. B. Zweistufen Verfahren durch Überlagerung von Strommapping mit einer hoch aufgelösten Topographieabbildung 12