Die Methode der Reaktiven Abscheidung wurde benutzt, um zu untersuchen ob und in welcher Weise das Silicidwachstum mittels einer Monolage aus Sb, d.h. mittels eines surfactant (surface active agent), gesteuert werden kann. Hierzu wurden unter UHV-Bedingungen die Metalle Mn, Ti und Ni auf geheizte Si(001) bzw. Si(001)-Sb Substrate abgeschieden. Die Probenanalyse erfolgte durch LEED, RBS, XRD, SEM, TEM und AFM. Die Theorie zum surfactant-gesteuerten Wachstum wird vorgestellt und auf das System des reaktiven Silicidwachstums übertragen. Die Probenanalysen zeigen, dass eine Monolage von Sb in der Lage ist das Wachstum der drei untersuchten Silicide zu beeinflussen. Für das System der Höheren Mangansilicide kommt es zu einer Erhöhung der Inseldichte um bis zu zwei Größenordnungen und zu Änderungen in den Orientierungsbeziehungen der Silicidinseln. Beim Wachstum der Titansilicidschichten konnte durch das surfactant die pinhole-Bildung unterdrückt werden. Das dritte untersuchte Silicid ist das Nickeldisilicid. In diesem Fall wird der Ort der Keimbildung von der Si-Oberfläche in das Volumen des Si-Substrates verschoben, d.h. die Oberfläche wird vollständig passiviert, zusätzlich treten neue Orientierungsbeziehungen auf.

This thesis addresses the manufacturing of complex three-dimensional structures using planar nano-fabrication techniques and a stress-driven self-assembly process in group IV semiconductors. In the state of the art, the method called nanostructured origami, advocated here, has been used to achieve controlled fabrication of rolled-up, wrinkled and folded structures in different material systems. At the same time a new field of silicon technology based on transferable and engineered nanomembranes has developed with the realization of the fact that excellent properties of bulk Si are preserved in nm-thin layers released from the substrate surface. Furthermore, strained Si and SiGe membranes have received much attention as efficient templates to improve Si based device performance. This work focuses on finely tuning the inherent strain in Si-based membranes in order to reliably fold them into rolled-up and wrinkled structures. The topics include manufacturing, in depth characterization and potential applications of the fabricated objects. All samples investigated here have a multilayered structure comprising a sacrificial layer and an all semiconductor or hybrid functional layer. A selective underetching procedure is used to release the nanomembranes from their substrates. The strain profile in the growth direction of the functional layer is one of the key parameters to define the 3D objects forming during the release of the membranes from the substrate. Rolled-up tubes are achieved, for instance, by defining a bilayer strip in the region where bending is to take place. The upper layer of these areas is intentionally deposited with as much residual stress as possible. This intrinsic stress causes the defined slab to curl in a predictable fashion when released from the substrate by selective etching of the sacrificial film. Wrinkled structures are achieved by release of films with a uniform compressive strain from the substrate surface. Three different multilayer stacks are used here, i.e., Si:B/SiGe:B, SiGe and Si functional layers on a Si, SiO₂, and Ge sacrificial layer, respectively. Major contributions of this thesis are the fabrication of integrated microtube resistors based on Si:B/SiGe:B tubes; the use of the Ge condensation technique to tailor the strain distribution in SiGe films on insulator; the manufacturing of fully scalable and CMOS compatible all-semiconductor and hybrid tubes ; the development of the REBOLA (RElease and BOndback of LAyers) technology for the fabrication of linear and circular networks formed by interconnected wrinkled structures; the experimental demonstration of light emission from Ge and Si nanoparticles integrated in a tube wall; the observation and investigation of the waveguiding effect along the axis of SiO_x/Si tubes. For manufacturing of integrated microtube resistors, two-dimensional strained templates are created by MBE growth of Si:B/SiGe:B bilayers on an intrinsic Si sacrificial layer. Conventional patterning techniques are used to define a mesa for a rolled-up tube bridged between two electrodes on the strained film. The pattern is designed taking into account the anisotropic nature of Si etching by the used solution, and a preferential rolling of the film in the <010> direction of the Si crystal. After definition of the electrical contacts in the dedicated areas, rolled-up tubes bridged between two large terminal areas are fabricated by selective etching of the Si sacrificial layer. Linear I-V curves are recorded both for unreleased and rolled-up films, and an increase of the bilayer resistance after release from the substrate is observed. Scalability of the electrical resistance of tubes is achieved by tuning the rolled-up bilayer thickness and the tube diameter. SGOI substrates with various thicknesses and Ge composition profiles are fabricated by using the Ge condensation technique. For this purpose a SiGe layer with low Ge content is epitaxially grown on an ultra-thin SOI wafer and the obtained heterostructure undergoes dry thermal oxidation. Upon exposure to oxygen gas, Si in the SiGe layer is selectively oxidized, and the Ge piles up in the semiconductor layer at the receding SiO₂/SiGe interface. The growing and the buried oxides act as barriers for the Ge out-diffusion, leading to the simultaneous thinning and Ge enrichment of the semiconductor film. Different Ge distribution profiles are created in the SiGe films by tuning the duration and/or the temperature of the oxidation process. An in-situ post-annealing step in nitrogen atmosphere is also used to tailor the composition profile in the film. Rolled-up microtubes and interconnected wrinkled structures are fabricated by releasing SiGe films graded and homogeneous in composition, respectively, by selective etching of the buried SiO₂ layer. Hybrid metal/semiconductor tubes are fabricated by using Si and SiGe films on insulator as templates. A patterned Cr film is thermally evaporated on the SOI and SGOI substrates and a starting edge for the rolling process is defined by photolithography and RIE (reactive ion etching). The inherent tensile strain in the Cr layer creates a strain gradient sufficient to drive the upward bending of the Cr/Si or Cr/SiGe bilayer once the film is released from the substrate. The third part of the thesis focuses on functionalization of rolled-up tubes as optical devices. SiO_x/Si and SiGe tubes undergo high temperature annealing treatment to induce the formation of Si and Ge nanostructures in the tube wall. Intense photoluminescence in the visible spectrum range is acquired at room temperature from these structures. A detailed investigation of light emission and propagation in SiO_x/Si tube is performed. Finally the rolled-up microtubes are shown to work as optical ring-resonators and waveguides. These results conclusively demonstrate the ability to pattern Si-based membranes with nanoscale features and controllably fold them into a predetermined 3D configuration by finely tuning the strain distribution in the membranes by well-estabilished deposition and growth processes i.e., molecular beam epitaxy, physical vapor deposition, and thermal oxidation. Future work may involve the use of selective epitaxy, local oxidation and strained metal or insulator film deposition to locally engineer the strain distribution on the same template. Selecting an appropriate geometry of starting etching windows allows in that case a batch production of different kinds of interconnected structures (tubes, coils and channel networks) by selective etching of a sacrificial buffer layer. This is a promising step to implement various functionalities, i.e, electron devices (SiGe/Si tubes as rolled-up resistors, or metal/semiconductor tubes as inductors), fluidic devices (interconnected wrinkled structures as nanofluidic channel networks), or optical devices (Si-based tubes with integrated emitters as ring-resonators or waveguides) on the same substrate and eventually on a transferable membrane. / Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Herstellung von komplexen dreidimensionalen Strukturen unter der Verwendung planarer Nano-Fabrikationsmethoden und Verspannungsgetriebener Selbstordnungsprozesse. Die hier vorgestellte Methode, das sogenannte nanostrukturierte Origami, wird benutzt, um gezielt gerollte und gefaltete Strukturen verschiedener Materialklassen herzustellen. Gleichzeitig hat sich ein neues Feld der Siliziumtechnologie etabliert, welches darauf beruht, dass in ultradünnen, von der Substratoberfläche losgelösten Schichten die sehr guten Eigenschaften des Siliziumfestkörpers erhalten bleiben. Des Weiteren wurde Si und SiGe Membranen vermehrt Aufmerksamkeit als Ausgangsmaterial für Si-basierte Bauelemente zuteil. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Feineinstellung der Verspannung in Si-basierten Membranen zur reproduzierbaren Herstellung von aufgerollten und gefalteten Strukturen. Die Aufgabenstellung schließt die Fertigung, die weitgehende Charakterisierung und potentielle Verwendung der Strukturen ein. Alle in dieser Arbeit verwendeten Proben bestehen aus Multilagen, die sowohl eine Opferschicht als auch eine funktionelle Halbleiter- oder Hybridlage enthalten. Durch einen selektiven Prozess werden die Nanomembranen von ihrem Substrat abgelöst. Das Verspannungsprofil in Wachstumsrichtung der funktionellen Schicht ist einer der Schlüsselparameter, um die Art der 3D Objekte vorherzubestimmen, die sich während des Ablösens vom Substrat bilden. Die obere Lage wird dazu absichtlich mit einer maximalen Verspannung aufgebracht. Diese intrinsische Verspannung bewirkt, dass sich das zuvor festgelegte Gebiet in vorhersagbarer Weise aufrollt, wenn es durch selektives Ätzen vom Substrat abgelöst wird. Gefaltete Strukturen erhält man, wenn Lagen mit einer gleichmäßigen kompressiven Verspannung vom Substrat abgelöst werden. Drei verschiedene Multilagen werden in dieser Arbeit verwendet: Si:B/SiGe:B, SiGe und Si-basierte funktionale Schichten, die auf Si-, SiO₂- oder Ge-Opferschichten aufgebracht werden. Die Schwerpunkte dieser Arbeit sind: die Herstellung von integrierten Mikroröhren- Transistoren auf der Basis von Si:B/SiGe:B-Röhren; die Ausnutzung von Ge-Kondensation um die Verspannung von SiGe auf Isolator-Substraten einzustellen; die Herstellung von skalierbaren und CMOS-kompatiblen Halbleiter- und Hybridröhren; die Entwicklung der REBOLA-Technik (RElease and BOnd-back of LAyers) zur Herstellung von linearen und kreisförmigen Netzwerken, die durch gefaltete und verbundene Strukturen gebildet werden; die experimentelle Demonstration der Emission von in den Tubewänden integrierten Si und Ge Nanopartikeln; sowie die Beobachtung und Untersuchung von Wellenleitung entlang der Achse von SiO_x/Si Röhren. Für den Bau von integrierten Mikroröhren-Widerständen werden verspannte zweidimensionale Vorlagen mittels MBE-Wachstum aus Si:B/SiGe:B-Doppelschichten auf intrinsischen Si-Opferschichten verwendet. Klassische Strukturierungsmethoden werden verwendet, um Stege zu definieren, die zwei Elektroden mittels einer aufgerollten Mikroröhre verbinden. Die Strukturierungsmasken werden entsprechend ausgelegt, um sowohl das anisotrope selektive Ätzverhalten der verwendeten Ätzflüssigkeit, als auch die bevorzugte Rollrichtung der Doppelschicht in die <010>-Richtung des Si-Kristalls zu berücksichtigen. Nach der Abscheidung der beiden Elektroden werden deren Anschlussgegenden durch eine Röhre miteinander verbunden, die beim selektiven entfernen der Opferschicht entsteht. Lineare I-V Kennlinien werden sowohl für den flachen, als auch den aufgerollten Film gemessen, wobei ein erhöhter Widerstand für die aufgerollte Doppelschicht beobachtet wird. Eine Skalierbarkeit des Widerstandes der Röhren wurde durch Einstellen der Wandstärke und des Röhrendurchmessers erreicht. SGOI-Substrate verschiedener Dicken und Ge-Konzentrationsprofilen werden mittels der Ge-Kondensationsmethode hergestellt. Für diesen Zweck werden dünne SiGe-Schichten mit geringer Ge-Konzentration epitaktisch auf ultra-dünnen SOI-Wafer eptiaktisch aufgewachsen und anschließend einer trockenen, thermischen Oxidation unterworfen. Wenn diese Schicht dem Sauerstoff ausgesetzt wird, oxidiert Silizium an der Oberfläche und Ge sammelt sich in der Halbleiterschicht unter der SiO_x/SiGe Grenzfläche an. Sowohl das aufwachsende als auch das vergrabene SiO₂ wirken als Diffusionsbarrieren für das Ge, was zu einem simultanen Ansteigen der Ge-Konzentration und dem Abdünnen der verbleibenden Halbleiterschicht führt. Verschiedene Ge-Verteilungsprofile wurden durch gezielte Variation der Dauer und/oder der Temperatur während des Oxidationsprozesses hergestellt. Ein in-situ Nachtempern in einer Stickstoffatmosphäre wird ebenfalls benutzt, um das Verteilungsprofil im Film anzupassen. Sowohl aufgerollte Mikroröhren als auch verbundene gefaltete Netzwerkstrukturen werden durch gezieltes Ablösen von gradierten oder homogenen SiGe Schichten mittels selektiven Ätzens des SiO₂ hergestellt. Hybride Metall/Halbleitende Röhren wurden fabriziert, wobei Si- und SiGe-Schichten auf Isolator als Template dienten. Dafür wurde eine strukturierte Cr-Schicht thermisch auf ein SOI- oder SGOI-Substrat aufgedampft und Startkanten für den Aufrollprozess mittels Fotolithographie und RIE-Ätzen definiert. Die inhärent dehnungsverspannten Cr-Schichten erzeugen einen Verspannungsgradienten, der beim Ablösen der Cr/Si- oder Cr/SiGe-Doppelschichten ein Aufwärtsrollen sicherstellt. Der dritte Teil der Arbeit fokussiert sich auf die Funktionalisierung von aufgerollten Röhren als optische Bauelemente. SiO_x/Si-Röhren werden hohen Temperaturen ausgesetzt, um Si- und Ge-Nanostrukturen in der Röhrenwand zu bilden. Bei Raumtemperatur wird eine intensive Fotolumineszenz der Strukturen beobachtet. Eine detaillierte Untersuchung der Lichtemission und der Lichtausbreitung in den SiO_x /Si-Röhren wurde durchgeführt. Dabei wird nachgewiesen, dass aufgerollte Mikroröhren als optische Ringresonatoren und Wellenleiter genutzt werden können. Die Ergebnisse zeigen klar, dass es unter der Benutzung von wohl etablierten Abscheidungsmethoden wie Molekularstrahlepitaxie, physikalischer Gasphasenabscheidung oder thermischer Oxidation möglich ist, Si-basierte Membranen mit nanometergroßen Strukturen herzustellen und in vorherbestimmte 3D-Konfigurationen zu überführen. Um die Verspannung auf dem benutzten Film-Template lokal einzustellen, könnten zukünftige Arbeiten von selektiver Epitaxie, lokaler Oxidation, sowie von verspannten Metallen, als auch von Isolatorschichten Gebrauch machen. Durch Auswahl einer entsprechenden Geometrie der Startfenster würde in diesem Fall die Herstellung verschiedener miteinander verbundener Strukturen (Röhren, Spulen und Kannalnetzwerken) möglich werden. Dies stellt einen vielversprechenden Ansatz dar, verschiedene funktionelle elektrische Bauelemente (SiGe/Si-Röhren als Widerstände oder Metall/Halbleiterspulen), Flüssigkeitsbauelemente (verbundene, gefaltete Netzwerkstrukturen als Nanokanäle) oder optische Bauelemente (Si-basierte Röhren mit integrierten Emittern als Ringresonatoren oder Wellenleiter) auf dem gleichen Substrat oder eventuell auf einer transferierbaren Membran unterzubringen.

Zugl.: Braunschweig, Techn. Univ., Diss., 2008

Chemnitz, Techn. Univ., Diss., 2007.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Darmstadt.

Techn. Universiẗat, Diss., 2003--Dresden.

Techn. Hochsch., Diss., 1999--Aachen.

Die Arbeit befasst sich mit dem Wachstum dünner CrSi2-Schichten auf Si(001). Die Schichtherstellung wurde mittels eines template-Verfahrens in einer MBE-Anlage realisiert. Die Charakterisierung der Schichten erfolgte mittels RBS,AES,LEED,REM,TEM,XRD sowie Widerstandsmessungen.

In this work, a Au(100) single crystal was used as substrate for organic molecular beam epitaxy. Highly ordered organic thin films of the molecules 3,4,9,10-perylenetetracarboxylic-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) and hexa-peri-hexabenzo-coronene (HBC) as well as organic-organic heterostructures on reconstructed Au(100) were prepared. The molecular arrangement was characterized in Scanning Tunneling Microscopy and Low Energy Electron Diffraction investigations. Scanning Tunneling Spectroscopy data were recorded on monolayer and submonolayer PTCDA films. Measurements on closed PTCDA layers at different fixed tip sample separations revealed a peak +0.95V. Other measurements performed consecutively on a PTCDA island and on uncovered Au(100) areas showed that this peak is indeed caused by the PTCDA molecules. Another set of consecutive measurements on herringbone and square phase PTCDA islands indicates that in the normalized differential conductivity the peak shape and peak position depend on the molecular arrangement. The STS data are compared to UPS and IPES results, already published. In the case of highly ordered films of HBC on Au(100) it was possible to derive the energetic positions of the HBC frontier orbitals and the energies of the molecular states next to these frontier orbitals from Tunneling Spectroscopy measurements. These measurements were performed using two different tip materials. The results are compared to UPS measurements, to theoretical calculations of the electronic conductance based on a combination of the Landauer transport formalism with a density-functional-parametrized tight-binding scheme within the Local Density Approximation (LDA) as well as semiempirical quantum chemistry calculations. / Für die hier dargestelleten Arbeiten wurde ein Au(100) Einkristall als Substrat für die organische Molekularstrahlepitaxie verwendet. Hochgeordnete organische Dünnschichten der Moleküle 3,4,9,10-Perylen-tetracarbonsäure-3,4,9,10-dianhydrid (PTCDA) und Hexa-peri-hexabenzo-coronen (HBC) sowie organisch-organische Heteroschichten wurden auf der Au(100) Oberfläche abgeschieden. Die Struktur der Schichten wurde mittels Rastertunnelmikroskopie (STM) und Niederenergetischer Elektronenbeugung (LEED) untersucht. Tunnelspektroskopiedaten wurden für Monolagen sowie Submonolagen von PTCDA aufgenommen. Messungen an geschlossenen PTCDA Filmen zeigen für verschiedene Probe-Spitze-Abstände ein Maximum in der normierten differentiellen Leitfähigkeit bei +0.95V. Aufeinanderfolgende Messungen auf PTCDA-Inseln und unbedeckten Gebieten der Au(100) Oberfläche zeigen eindeutig, dass dieses Maximum auf die PTCDA Moleküle zurückzuführen ist. Weitere Messungen an PTCDA Inseln unterschiedlicher Struktur (Fischgrätenstruktur bzw. quadratische Struktur) belegen einen Zusammenhang zwischen der Anordnung der Moleküle und der Peakposition bzw. Peakform in der normierten differentiellen Leitfähigkeit. Die STS Daten werden mit UPS und IPES Ergebnissen aus der Literatur verglichen. Im Falle hochgeordneter HBC Schichten auf Au(100) war es möglich, neben dem höchsten besetzten und niedrigsten unbesetzten Molekülorbital auch die energetische Position der jeweils nächsten Orbitale zu bestimmen. Diese Messungen wurden mit zwei unterschiedlichen Spitzenmaterialien durchgeführt. Die Ergebnisse für HBC auf Au(100) werden mit UPS Daten sowie mit theoretischen Rechnungen verglichen.