Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die erstmalige, umfassende und systematische Untersuchung aller Teilprozesse bei der ionenstrahlgestützten Schichtabscheidung (IBSD). Silber (Metall) und Germanium (Halbleiter) wurden als Beispielsysteme ausgewählt, da auf Grund der unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Materialien prinzipielle Unterschiede in der Zerstäubung und Schichtabscheidung zu erwarten sind. Zur Bearbeitung der wissenschaftlichen Fragestellung erfolgte eine Charakterisierung der Primärteilchen sowie der zerstäubten und gestreuten Teilchen bezüglich ihrer Energie und Winkelverteilung sowie eine Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten bezüglich ihrer Schichtdicke, Komposition, Struktur, Oberflächentopographie, elektrischen und optischen Eigenschaften unter Variation der Art (Argon und Xenon), der Energie (0.5 keV–1.5 keV) und des Einfallswinkels der Primärteilchen relativ zur Targetnormalen (0°–60°) sowie des betrachteten polaren Emissionswinkels (-40°–90°). Die dargestellten Ergebnisse demonstrieren den systematischen Einfluss der primären Prozessparameter (Ionenart, Energie, Einfallswinkel und Emissionswinkel) auf die Eigenschaften der zerstäubten und gestreuten Teilchen und auf die Eigenschaften der erzeugten Silber- und Germaniumschichten, wobei die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten mit den Eigenschaften der schichtbildenden Teilchen korrelieren. Bei der IBSD von Silber führt der Einfluss der hochenergetischen zerstäubten und gestreuten Teilchen auf die Schichten zu kleineren mittleren Korngrößen und damit zu höheren spezifischen Widerständen und Variationen in den optischen Eigenschaften. Die Untersuchungen zur IBSD von Germanium zeigen, dass der Einbau von Prozessgas in die abgeschiedenen Schichten mit der Anzahl der gestreuten Primärionen, deren Energie hoch genug für eine Implantation in die Schicht ist, korreliert werden kann.

Das Ziel der vorliegenden Arbeit war die erstmalige, umfassende und systematische Untersuchung aller Teilprozesse bei der ionenstrahlgestützten Schichtabscheidung (IBSD). Silber (Metall) und Germanium (Halbleiter) wurden als Beispielsysteme ausgewählt, da auf Grund der unterschiedlichen Eigenschaften der beiden Materialien prinzipielle Unterschiede in der Zerstäubung und Schichtabscheidung zu erwarten sind. Zur Bearbeitung der wissenschaftlichen Fragestellung erfolgte eine Charakterisierung der Primärteilchen sowie der zerstäubten und gestreuten Teilchen bezüglich ihrer Energie und Winkelverteilung sowie eine Charakterisierung der abgeschiedenen Schichten bezüglich ihrer Schichtdicke, Komposition, Struktur, Oberflächentopographie, elektrischen und optischen Eigenschaften unter Variation der Art (Argon und Xenon), der Energie (0.5 keV–1.5 keV) und des Einfallswinkels der Primärteilchen relativ zur Targetnormalen (0°–60°) sowie des betrachteten polaren Emissionswinkels (-40°–90°). Die dargestellten Ergebnisse demonstrieren den systematischen Einfluss der primären Prozessparameter (Ionenart, Energie, Einfallswinkel und Emissionswinkel) auf die Eigenschaften der zerstäubten und gestreuten Teilchen und auf die Eigenschaften der erzeugten Silber- und Germaniumschichten, wobei die Eigenschaften der abgeschiedenen Schichten mit den Eigenschaften der schichtbildenden Teilchen korrelieren. Bei der IBSD von Silber führt der Einfluss der hochenergetischen zerstäubten und gestreuten Teilchen auf die Schichten zu kleineren mittleren Korngrößen und damit zu höheren spezifischen Widerständen und Variationen in den optischen Eigenschaften. Die Untersuchungen zur IBSD von Germanium zeigen, dass der Einbau von Prozessgas in die abgeschiedenen Schichten mit der Anzahl der gestreuten Primärionen, deren Energie hoch genug für eine Implantation in die Schicht ist, korreliert werden kann.

In dieser Arbeit wurde eine systematische Untersuchung der Abscheidung von TiO2 mittels reaktiver Ionenstrahlzerstäubung von einem metallischen Ti-Target sowie von einem keramischen TiO2-Target durchgeführt. Der Einfluss der Prozessparameter, d.h. der Ionensorte, der Ionenenergie, des Einfalls- und Emissionswinkels sowie des Targetmaterials, auf die Eigenschaften der Sekundärteilchen und der TiO2-Schichten wurde untersucht. Der Ionenstrahl wurde mit einer Faradaysonde, einem Gegenfeldanalysator und einem energieselektiven Massenspektrometer charakterisiert. Das Massenspektrometer wurde auch zur Untersuchung der Massen- und Energieverteilung der Sekundärionen eingesetzt. Mit SDTrimSP simulierte Energieverteilungen der Sekundärteilchen zeigten eine gute Übereinstimmung mit den gemessenen Energieverteilungen der Sekundärionen. Die TiO2-Schichten wurden mittels Ellipsometrie, Röntgendiffraktometrie, -reflektometrie, Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie und Rasterkraftmikroskopie untersucht. Eine Verringerung des Streuwinkel führte zu einer Erhöhung der Sekundärteilchenenergien, resultierend daraus wurde eine verstärkte Implantation von Primärteilchen, eine Oberflächenglättung sowie eine systematischen Änderung der Massendichte und folglich der optischen Eigenschaften beobachtet. Die Ionenenergie und das Targetmaterial spielten dabei eine untergeordnete Rolle. / A systematic investigation of the reactive ion beam sputter deposition of TiO2 from a metallic Ti and a ceramic TiO2 target was performed. The influence of the process parameters, i.e. the ion species, ion energy, ion incidence angle, emission angle, and the target material, on the properties of the secondary particles and the TiO2 films was investigated. The ion beam was characterized with a Faraday probe, a retarding potential analyzer, and an energy-selective mass spectrometer. The mass spectrometer was also used to determine the mass and energy distribution of the secondary ions. The experimentally obtained energy distributions were compared to the energy distributions of the secondary particles that were simulated with SDTrimSP. A good agreement was found. The TiO2 films were investigated by spectroscopic ellipsometry, X-ray diffraction, X-ray reflectivity, Rutherford backscattering spectrometry, and atomic force microscopy. Reducing the scattering angle lead to an increase of the secondary particle energies, resulting in an enhanced implantation of primary particles, surface smoothing, and a systematic change of the mass density and consequently of the optical properties. The ion energy and the target material had a minor influence.

The structural evolution of carbon:transition metal (C:TM) nanocomposite thin films is investigated in two regimes: (i) surface diffusion governed regime occurring during the film growth and (ii) bulk diffusion dominated regime occurring during the post-deposition thermal annealing. C:V, C:Co, and C:Cu nanocomposite films were grown by ion beam co-sputtering. The influence of the metal type, metal content (15-40 at.%), substrate temperature (RT-500°C), and annealing temperature (300-700°C) on the structure and morphology of the composite is studied by the means of elastic recoil detection analysis, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and Raman spectroscopy. Vanadium (copper) is in carbidic (metallic) state in the whole temperature range of the study. In contrast, cobalt is in carbidic state up to 300°C and becomes metallic at higher growth temperatures. The nanoparticles in C:V films exhibit a globular shape at RT-500°C, whereas in C:Co and C:Cu films a growth transition from globular to elongated nanoparticles occurs around 300°C. The comparison of the Raman spectroscopy results from carbon reference and C:TM thin films shows that the presence of the metal during growth significantly enhances the formation of sixfold ring carbon clusters at temperatures as low as RT. The enhancement occurs independently of the nanoparticle size, shape, and phase, and metal content, and is related to processes taking place on the nanoparticle surface of the growing film rather than in the bulk. The degree of enhancement depends on the TM type and content. Post-deposition annealing of C:Co and C:Cu films at 700°C causes the metal segregation at the film surface, while no changes upon annealing occur in C:V films. In addition, cobalt brings about the carbon graphitization by a dissolution-diffusion-precipitation mechanism, similar to the metal-mediated crystallization of amorphous silicon or germanium. No graphitization upon annealing occurs in C:V, C:Cu, and carbon reference films. / Die Strukturentwicklung in Kohlenstoff-Übergangsmetall-Nanokompositschichten wird in zwei Bereichen untersucht: (i) im oberflächendiffusionsgesteuerten Bereich während des Schichtwachstums und (ii) im bulkdiffusionsdominierten Bereich während des nachträglichen Temperns. C:V, C:Co und C:Cu Nanokompositschichten wurden durch Ionenstrahl Co-Sputtern hergestellt. Der Einfluss des Metalltyps, des Metallgehalts (15-40 at.%), der Substrattemperatur (RT-500°C) und der Temperatur beim Tempern (300-700°C) auf die Struktur und Morphologie des Komposits wird mittels elastischer Rückstoßteilchen-Analyse, Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie und Ramanspektroskopie untersucht. Vanadium (Kupfer) ist im gesamten Temperaturbereich der Studie in karbidischem (metallischen) Zustand. Im Gegensatz dazu befindet sich Kobalt bis zu einer Temperatur von 300°C in karbidischem Zustand und wird bei höheren Abscheidetemperaturen metallisch. Die Nanopartikel in C:V Filmen besitzen eine runde Form im Temperaturbereich von RT bis 500°C wohingegen bei den C:Co und C:Cu Filmen ein Übergang von runden zu länglichen Partikeln bei etwa 300°C zu beobachten ist. Der Vergleich der Ramanspektroskopieresultate der Kohlenstoffreferenzproben und der Nanokompositschichten zeigt, dass die Anwesenheit des Metalls während des Schichtwachstums die Bildung von sechsatomigen Kohlenstoffringclustern bei Temperaturen so niedrig wie Raumtemperatur deutlich fördert. Die Erhöhung tritt unabhängig von der Partikelgröße, -form und phase und unabhängig vom Metallgehalt auf, und betrifft eher Prozesse, die auf der Oberfläche der Nanopartikel während des Schichtwachstums stattfinden als im Bulk. Der Grad der Erhöhung hängt vom Metalltyp und -gehalt ab. Nachträgliches Tempern der C:Co und C:Cu Filme bei 700°C führt zur Segregation des Metalls an der Schichtoberfläche während in den C:V Filmen keine Veränderungen durch das Tempern auftreten. Des weiteren kommt es in den C:Co Filmen zur Graphitisierung des Kohlenstoffs durch einen „Lösungs-Diffusions-Ablagerungs“ Mechanismus ähnlich der metallvermittelten Kristallisierung in amorphem Silizium und Germanium. In den C:V, C:Cu und Kohlenstoffreferenzfilmen findet keine Graphitisierung während des Temperns statt.

The structural evolution of carbon:transition metal (C:TM) nanocomposite thin films is investigated in two regimes: (i) surface diffusion governed regime occurring during the film growth and (ii) bulk diffusion dominated regime occurring during the post-deposition thermal annealing. C:V, C:Co, and C:Cu nanocomposite films were grown by ion beam co-sputtering. The influence of the metal type, metal content (15-40 at.%), substrate temperature (RT-500°C), and annealing temperature (300-700°C) on the structure and morphology of the composite is studied by the means of elastic recoil detection analysis, X-ray diffraction, transmission electron microscopy, and Raman spectroscopy. Vanadium (copper) is in carbidic (metallic) state in the whole temperature range of the study. In contrast, cobalt is in carbidic state up to 300°C and becomes metallic at higher growth temperatures. The nanoparticles in C:V films exhibit a globular shape at RT-500°C, whereas in C:Co and C:Cu films a growth transition from globular to elongated nanoparticles occurs around 300°C. The comparison of the Raman spectroscopy results from carbon reference and C:TM thin films shows that the presence of the metal during growth significantly enhances the formation of sixfold ring carbon clusters at temperatures as low as RT. The enhancement occurs independently of the nanoparticle size, shape, and phase, and metal content, and is related to processes taking place on the nanoparticle surface of the growing film rather than in the bulk. The degree of enhancement depends on the TM type and content. Post-deposition annealing of C:Co and C:Cu films at 700°C causes the metal segregation at the film surface, while no changes upon annealing occur in C:V films. In addition, cobalt brings about the carbon graphitization by a dissolution-diffusion-precipitation mechanism, similar to the metal-mediated crystallization of amorphous silicon or germanium. No graphitization upon annealing occurs in C:V, C:Cu, and carbon reference films. / Die Strukturentwicklung in Kohlenstoff-Übergangsmetall-Nanokompositschichten wird in zwei Bereichen untersucht: (i) im oberflächendiffusionsgesteuerten Bereich während des Schichtwachstums und (ii) im bulkdiffusionsdominierten Bereich während des nachträglichen Temperns. C:V, C:Co und C:Cu Nanokompositschichten wurden durch Ionenstrahl Co-Sputtern hergestellt. Der Einfluss des Metalltyps, des Metallgehalts (15-40 at.%), der Substrattemperatur (RT-500°C) und der Temperatur beim Tempern (300-700°C) auf die Struktur und Morphologie des Komposits wird mittels elastischer Rückstoßteilchen-Analyse, Röntgenbeugung, Transmissionselektronenmikroskopie und Ramanspektroskopie untersucht. Vanadium (Kupfer) ist im gesamten Temperaturbereich der Studie in karbidischem (metallischen) Zustand. Im Gegensatz dazu befindet sich Kobalt bis zu einer Temperatur von 300°C in karbidischem Zustand und wird bei höheren Abscheidetemperaturen metallisch. Die Nanopartikel in C:V Filmen besitzen eine runde Form im Temperaturbereich von RT bis 500°C wohingegen bei den C:Co und C:Cu Filmen ein Übergang von runden zu länglichen Partikeln bei etwa 300°C zu beobachten ist. Der Vergleich der Ramanspektroskopieresultate der Kohlenstoffreferenzproben und der Nanokompositschichten zeigt, dass die Anwesenheit des Metalls während des Schichtwachstums die Bildung von sechsatomigen Kohlenstoffringclustern bei Temperaturen so niedrig wie Raumtemperatur deutlich fördert. Die Erhöhung tritt unabhängig von der Partikelgröße, -form und phase und unabhängig vom Metallgehalt auf, und betrifft eher Prozesse, die auf der Oberfläche der Nanopartikel während des Schichtwachstums stattfinden als im Bulk. Der Grad der Erhöhung hängt vom Metalltyp und -gehalt ab. Nachträgliches Tempern der C:Co und C:Cu Filme bei 700°C führt zur Segregation des Metalls an der Schichtoberfläche während in den C:V Filmen keine Veränderungen durch das Tempern auftreten. Des weiteren kommt es in den C:Co Filmen zur Graphitisierung des Kohlenstoffs durch einen „Lösungs-Diffusions-Ablagerungs“ Mechanismus ähnlich der metallvermittelten Kristallisierung in amorphem Silizium und Germanium. In den C:V, C:Cu und Kohlenstoffreferenzfilmen findet keine Graphitisierung während des Temperns statt.

L'objectif de ce travail est d'une part de comprendre et contrôler la formation de rides périodiques nanométriques produites par pulvérisation ionique de films minces diélectriques. D'autre part, ces surfaces nanostructurées sont utilisées pour guider la croissance et l'organisation de nanoparticules d'argent. Ces systèmes anisotropes sont caractérisés par une position spectrale de la résonance plasmon de surface dépendant de la polarisation de la lumière incidente. Nous étudions d'abord par AFM et GISAXS l'influence des conditions de pulvérisation (angle d'incidence et énergie des ions, température, flux, fluence) sur la morphologie des rides (période, amplitude, ordre, ...). Les paramètres pertinents pour le contrôle de la morphologie sont identifiés ainsi qu'une partie des mécanismes physiques mis en jeu. Ensuite, nous étudions par HAADF-STEM l'influence des conditions de croissance (angle d'incidence du flux métallique, degré d'organisation des rides) sur les propriétés structurales des nanoparticules d'argent. Nous montrons que la croissance préférentielle des nanoparticules le long des rides est favorisée par des effets d'ombrage, ce qui conduit à la formation de chaînes linéaires de même période que les rides sous-jacentes et au sein desquelles les nanoparticules sont plus ou moins alignées et allongées. Cela se traduit par une anisotropie optique en champ lointain variable due à la polydispersité des distances interparticules (inférieures à quelques nanomètres) ainsi que des phénomènes de couplage en champ proche plus ou moins importants. Ces structures peuvent trouver des applications en spectroscopie Raman exaltée de surface (SERS). / On the one hand, the aim of this work is to understand and control the formation of periodic nanometric ripples produced by ion sputtering of dielectric thin films. On the other hand, these nanostructured surfaces are used to guide the growth and organization of silver nanoparticles. These anisotropic systems are characterized by a surface plasmon resonance whose spectral postion is dependent on the polarization of the incident light. We first study the influence of different ion beam sputtering parameters (the ions incidence angle and energy, temperature, energy, flux, fluence) on the ripple morphology (period, amplitude, order, ...) by AFM and GISAXS. The relevant parameters for the control of the ripple morphology are identified as well as some of the physical mechanisms involved. Then, we study the influence of the growth conditions on the structural properties of the nanoparticles (metal deposition angle, ripples pattern quality) by HAADF-STEM. We show that the preferential growth along the ripples is promoted by shadowing effects, thus leading to the formation of linear chains with period similar to the underlying ripples and with more or less elongated and aligned nanoparticles. This results in a far-field tunable optical anisotropy arising from polydisperse interparticle gaps (less than a few nanometers) as well as from more or less strong near-field coupling phenomena. These structures could offer potential for surface enhanced Raman spectroscopy (SERS) applications.