Chemnitz, Techn. Univ., Diplomarb., 2001.

Chemnitz, Techn. Univ., Diplomarb., 2000.

In dieser Arbeit wurde das laserinduzierte Fluoreszenzlicht von mikrometergroßen Partikeln untersucht, die in einer elektrodynamischen Vierpolfalle gespeichert waren. Untersuchungsobjekte dabei waren ligandenstabilisierte Cadmiumsulfid-Cluster, Farbstoffpartikel und Diamanten mit N-V-Zentren. Auf die Herstellung und Charakterisierung der CdS-Proben wird genauer eingegangen. Zum Probentransfer in den Speicher wurde die Verwendung eines kommerziellen Tröpfchengenerators eingeführt und diskutiert.

In dieser Arbeit wurden einzelne Siliziumdioxid-Partikel (Durchmesser 500nm) in einer elektrodynamischen Vierpolfalle gespeichert und mit Hilfe eines Kohlendioxidlasers aufgeheizt. Die Masse eines gespeicherten Partikels wurde dabei mit hoher Präzision und in situ aus der Auswertung von Streulichtmodulationen gewonnen. Es wurden anhand der zeitlichen Masseänderung laserinduzierte Desorptionen und Adsorptionen von Molekülen beobachtet. Dazu wurde eine weitgehend automatisierte Versuchsanlage aufgebaut. Eine rechnergesteuerte Durchführung der Experimente erfolgte jeweils bis zu einer Dauer mehrerer Tage (Langzeitmessungen). Die Temperatur und die thermische Abstrahlleistung isolierter Partikel wurde mit Hilfe einer modifizierten Planck'schen Strahlungsformel abgeschätzt.

In dieser Arbeit wurde das laserinduzierte Fluoreszenzlicht von mikrometergroßen Partikeln untersucht, die in einer elektrodynamischen Vierpolfalle gespeichert waren. Untersuchungsobjekte dabei waren ligandenstabilisierte Cadmiumsulfid-Cluster, Farbstoffpartikel und Diamanten mit N-V-Zentren. Auf die Herstellung und Charakterisierung der CdS-Proben wird genauer eingegangen. Zum Probentransfer in den Speicher wurde die Verwendung eines kommerziellen Tröpfchengenerators eingeführt und diskutiert.

In dieser Arbeit wurden einzelne Siliziumdioxid-Partikel (Durchmesser 500nm) in einer elektrodynamischen Vierpolfalle gespeichert und mit Hilfe eines Kohlendioxidlasers aufgeheizt. Die Masse eines gespeicherten Partikels wurde dabei mit hoher Präzision und in situ aus der Auswertung von Streulichtmodulationen gewonnen. Es wurden anhand der zeitlichen Masseänderung laserinduzierte Desorptionen und Adsorptionen von Molekülen beobachtet. Dazu wurde eine weitgehend automatisierte Versuchsanlage aufgebaut. Eine rechnergesteuerte Durchführung der Experimente erfolgte jeweils bis zu einer Dauer mehrerer Tage (Langzeitmessungen). Die Temperatur und die thermische Abstrahlleistung isolierter Partikel wurde mit Hilfe einer modifizierten Planck'schen Strahlungsformel abgeschätzt.

This thesis provides a feasibility study on the determination of formation anisotropy parameters from logging-while-drilling (LWD) borehole acoustic measurements. For this reason, the wave propagation in fluid-filled boreholes surrounded by transverse isotropic (TI) formations is investigated in great detail using the finite-difference method. While the focus is put on quadrupole waves, the sensitivities of monopole and flexural waves are evaluated as well. All three wave types are considered with/without the presence of an LWD tool. Moreover, anisotropy-induced mode contaminants are discussed for various TI configurations. In addition, the well-known plane wave Alford rotation has been generalized to cylindrical borehole waves of any order, except for the monopole. This formulation has been extended to allow for non-orthogonal multipole firings, and associated inversion methods have been developed to compute formation shear principal velocities and accompanying polarization directions, utilizing various LWD (cross-) quadrupole measurements.:1 Introduction 1.1 Borehole acoustic configurations 1.2 Wave propagation in a fluid-filled borehole in the absence of a logging tool 1.3 Wave propagation in a fluid-filled borehole in the presence of a logging tool 1.4 Anisotropy 2 Theory 2.1 Stiffness and compliance tensor 2.1.1 Triclinic symmetry 2.1.2 Monoclinic symmetry 2.1.3 Orthotropic symmetry 2.1.4 Transverse isotropic (TI) symmetry 2.1.5 Isotropy 2.2 Reference frames 2.3 Seismic wave equations for a linear elastic, anisotropic medium 2.3.1 Basic equations 2.3.2 Integral transforms 2.3.3 Christoffel equation 2.3.4 Phase slowness surfaces 2.3.5 Group velocity 2.4 Solution in cylindrical coordinates for the borehole geometry 2.4.1 Special case: vertical transverse isotropy (VTI) 2.4.2 General case: triclinic symmetry 3 Finite-difference modeling of wave propagation in anisotropic media 3.1 Finite-difference method 3.2 Spatial finite-difference grids 3.2.1 Standard staggered grid 3.2.2 Lebedev grid 3.3 Heterogeneous media 3.4 Finite-difference properties and grid dispersion 3.5 Initial conditions 3.6 Boundary conditions 3.7 Parallelization 3.8 Finite-difference parameters 4 Wave propagation in fluid-filled boreholes surrounded by TI media 4.1 Vertical transverse isotropy (VTI) 4.1.1 Monopole excitation 4.1.2 Dipole excitation 4.1.3 Quadrupole excitation 4.1.4 Summary 4.2 Horizontal transverse isotropy (HTI) 4.2.1 Monopole excitation 4.2.2 Theory of cross-multipole shear wave splitting 4.2.3 Dipole excitation 4.2.4 Quadrupole excitation 4.2.5 Hexapole waves 4.2.6 Summary 4.3 Tilted transverse isotropy (TTI) 4.3.1 Monopole excitation 4.3.2 Dipole excitation 4.3.3 Quadrupole excitation 4.3.4 Summary 4.4 Anisotropy-induced mode contaminants 4.4.1 Vertical transverse isotropy (VTI) 4.4.2 Horizontal transverse isotropy (HTI) 4.4.3 Tilted transverse isotropy (TTI) 4.4.4 Summary 5 Inversion methods 5.1 Vertical transverse isotropy (VTI) 5.2 Horizontal transverse isotropy (HTI) 5.2.1 Inverse generalized Alford rotation 5.2.2 Inversion method based on dipole excitations 5.2.3 Inversion method based on quadrupole excitations 5.3 Tilted transverse isotropy (TTI) 5.4 Challenges in real measurements 5.4.1 Signal-to-noise ratio (SNR) 5.4.2 Tool eccentricity 6 Conclusions References List of Abbreviations and Symbols List of Figures List of Tables A Integral transforms A.1 Laplace transform A.2 Spatial Fourier transform A.3 Azimuthal Fourier transform A.4 Meijer transform B Stiffness and compliance tensor B.1 Rotation between reference frames B.2 Cylindrical coordinates C Christoffel equation C.1 Cartesian coordinates C.2 Cylindrical coordinates D Processing of borehole acoustic waveform array data D.1 Time-domain methods D.2 Frequency-domain methods D.2.1 Weighted spectral semblance method D.2.2 Modified matrix pencil method

Ruthenium und sein elektrisch leitfähiges Rutheniumdioxid sind viel versprechende Kandidaten als Elektrodenmaterial in MIM (Metall-Isolator-Metall-)Kondensatoren mit Dielektrika hoher Permittivität der nächsten Generation von DRAM-Speichern, als Metall-Gate-Elektroden in p-Kanal-MOS-Transistoren mit Dielektrika hoher Permittivität, oder als Keimschicht für das direkte elektrochemische Abscheiden von Kupfer-Verbindungsleitungen. Die ALD (Atomic Layer Deposition) wächst Materiallagen mit weniger als einem Zehntel Nanometer Dicke, indem sie gasförmige Reaktanden abwechselnd, getrennt durch spülende Pulse, in die Reaktionskammer einleitet. Dadurch wird mit jeder zyklischen Wiederholung idealerweise selbstbeendender Gas-Festkörper-Reaktionen stets die gleiche Materialmenge abgeschieden, bis eine gewünschte Schichtdicke erreicht ist. Wie sich die Oberfläche aufgrund der Materialabscheidung während der ALD verändert, kann mit der in-situ SE (Spektroskopische Ellipsometrie) beobachtet werden. Die Ellipsometrie misst die Änderung eines Polarisationszustands bzgl. Amplitude und Phase, nachdem ein einfallender Lichtstrahl von einer (schichtbedeckten) Oberfläche reflektiert und/ oder durch diese transmittiert wurde. Die ellipsometrischen Daten stehen im direkten Zusammenhang mit optischen Materialparametern und sind somit physikalisch interpretierbar – oder sie werden in eindimensionale strukturelle Größen, wie die Schichtdicke übersetzt. In dieser Arbeit wurden Schichten aus Ruthenium und Rutheniumdioxid aus dem Präkursor ECPR, [(Ethylcyclopentadienyl)(Pyrrolyl)Ruthenium(II)], und molekularem Sauerstoff per ALD gewachsen. Die chemischen Teilreaktionen wurden während der ALD von Ruthenium und Rutheniumoxid auf frisch abgeschiedenen Schichtoberflächen per in-situ SE, on-site QMS (Quadrupol-Massenspektrometrie) und XPS (Röntgen-Photoelektronenspektroskopie) ohne Vakuumunterbrechung untersucht. Weiterhin wurden Experimente zum Schichtwachstum auf frisch abgeschiedenen Schichten sowie einer Ausgangssubstratoberfläche per in-situ und Echtzeit SE durchgeführt, wobei die folgenden Prozessparameter variiert wurden: die jeweilige Reaktanden Dosis, die Spülpulsdauern, die Substrattemperatur und der Prozessdruck. / Ruthenium and its conductive dioxide are promising candidates as electrodes in MIM (metal-insulator-metal) capacitors with high-k dielectrics of next generation DRAM (dynamic random access memory) devices, as metal-gate electrodes in pMOS-Transistors with high-k dielectrics, and as seed layer for direct electrochemical plating of copper interconnects. ALD (atomic layer deposition) grows material layers with less than a tenth of a nanometer thickness, pulsing gaseous reactants alternately into the reaction chamber, separated by purging pulses. Hence, every cyclic recurrence of ideally self-limiting gas-solid reactions deposits a fixed material amount, until the desired film thickness is achieved. So, the surface’s chemical composition changes through material deposition during ALD, observable by in-situ SE (spectroscopic ellipsometry). Ellipsometry measures the polarization state’s change in amplitude and phase, reflecting an incident light beam from and/ or transmitting it through a (film covered) surface. The ellipsometric data can be directly related to optical material parameters and are thus physically interpretable – or they are translated into one-dimensional structural values, like film thickness. In this work, ruthenium and ruthenium dioxide films were grown from ECPR, [(ethylcyclopentadienyl)(pyrrolyl)ruthenium(II)], and molecular oxygen. Reaction mechanisms during the ALD of ruthenium and ruthenium dioxide were studied on the as-deposited film surface by in-situ SE, on-site QMS (quadrupole mass spectrometry), as well as XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) without vacuum break. Additionally, film growth experiments were performed on the as-deposited film and the initial substrate surface by in-situ and real-time SE, varying the process parameters: reactant doses, purging times, substrate temperature and total pressure.

Ruthenium und sein elektrisch leitfähiges Rutheniumdioxid sind viel versprechende Kandidaten als Elektrodenmaterial in MIM (Metall-Isolator-Metall-)Kondensatoren mit Dielektrika hoher Permittivität der nächsten Generation von DRAM-Speichern, als Metall-Gate-Elektroden in p-Kanal-MOS-Transistoren mit Dielektrika hoher Permittivität, oder als Keimschicht für das direkte elektrochemische Abscheiden von Kupfer-Verbindungsleitungen. Die ALD (Atomic Layer Deposition) wächst Materiallagen mit weniger als einem Zehntel Nanometer Dicke, indem sie gasförmige Reaktanden abwechselnd, getrennt durch spülende Pulse, in die Reaktionskammer einleitet. Dadurch wird mit jeder zyklischen Wiederholung idealerweise selbstbeendender Gas-Festkörper-Reaktionen stets die gleiche Materialmenge abgeschieden, bis eine gewünschte Schichtdicke erreicht ist. Wie sich die Oberfläche aufgrund der Materialabscheidung während der ALD verändert, kann mit der in-situ SE (Spektroskopische Ellipsometrie) beobachtet werden. Die Ellipsometrie misst die Änderung eines Polarisationszustands bzgl. Amplitude und Phase, nachdem ein einfallender Lichtstrahl von einer (schichtbedeckten) Oberfläche reflektiert und/ oder durch diese transmittiert wurde. Die ellipsometrischen Daten stehen im direkten Zusammenhang mit optischen Materialparametern und sind somit physikalisch interpretierbar – oder sie werden in eindimensionale strukturelle Größen, wie die Schichtdicke übersetzt. In dieser Arbeit wurden Schichten aus Ruthenium und Rutheniumdioxid aus dem Präkursor ECPR, [(Ethylcyclopentadienyl)(Pyrrolyl)Ruthenium(II)], und molekularem Sauerstoff per ALD gewachsen. Die chemischen Teilreaktionen wurden während der ALD von Ruthenium und Rutheniumoxid auf frisch abgeschiedenen Schichtoberflächen per in-situ SE, on-site QMS (Quadrupol-Massenspektrometrie) und XPS (Röntgen-Photoelektronenspektroskopie) ohne Vakuumunterbrechung untersucht. Weiterhin wurden Experimente zum Schichtwachstum auf frisch abgeschiedenen Schichten sowie einer Ausgangssubstratoberfläche per in-situ und Echtzeit SE durchgeführt, wobei die folgenden Prozessparameter variiert wurden: die jeweilige Reaktanden Dosis, die Spülpulsdauern, die Substrattemperatur und der Prozessdruck.:1 Einleitung I Theoretischer Teil 2 Ruthenium in der Mikroelektronik 2.1 Eigenschaften 2.2 Verwendung 3 Atomlagenabscheidung 3.1 Definition 3.2 Ablauf 3.3 Hauptmerkmale 3.4 Weit verbreitete Irrtümer 3.5 Vorteile und Grenzen 4 Massenspektrometrie 4.1 Definition 4.2 Verwendung 4.3 Aufbau und Funktionsweise von Massenspektrometern 4.4 Massenspektrometrische Methodik 5 Ellipsometrie 5.1 Definition 5.2 Vorteile und Grenzen 5.3 Physikalische Grundlagen 5.4 Messprinzip 5.4.1 Bestimmen ellipsometrischer Rohdaten 5.4.2 Interpretieren ellipsometrischer Spektren 5.4.3 Optisches Modellieren II Praktischer Teil 6 Chemische Reaktionen bei der thermischen Atomlagenabscheidung von Ruthenium und Rutheniumoxid 6.1 Vorbemerkungen 6.2 Untersuchungsmethoden 6.3 Beobachtungen mit Auswertung 6.3.1 Prozessgasanalyse per Quadrupol-Massenspektrometrie 6.3.2 In-situ und Echtzeit Spektroskopische Ellipsometrie 6.3.3 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie ohne Vakuumunterbrechung 6.4 Formulieren vermuteter Teilreaktionen für das Ru Schicht-auf-Schicht Wachstum 6.4.1 Sauerstoff-Puls 6.4.2 Präkursor (ECPR)-Puls 6.4.3 ALD-Zyklus 6.5 Schlussfolgerungen für die ALD von Rutheniumoxid 6.6 Zwischenfazit und Ausblick 7 Spektroskopische Ellipsometrie in-situ und in Echtzeit während der thermischen Atomlagenabscheidung 7.1 Vorbemerkungen 7.2 Datenaufnahme 7.2.1 Messtechnische Eckdaten 7.2.2 Echtzeit-Begriff bei der Atomlagenabscheidung 7.2.3 Nasschemisches Vorbehandeln zum Zwecke definierter Ausgangssubstrate 7.2.4 Temperieren der Substrate 7.3 Interpretieren ellipsometrischer Spektren 7.4 Optisches Modellieren zur Datenauswertung 7.5 Fehlerabschätzung 8 Prozessentwicklung der thermischen Atomlagenabscheidung von Ruthenium 8.1 Vorbemerkungen 8.2 Untersuchungsmethoden 8.2.1 Schichtherstellung 8.2.2 Schichtcharakterisierung 8.3 Kennlinien der thermischen Ru-ALD 8.3.1 Zyklenanzahl 8.3.2 ECPR-Puls 8.3.3 Sauerstoff-Puls 8.3.4 Spülpulse 8.3.5 Substrattemperatur 8.3.6 Prozessdruck 8.4 Formulieren einer optimierten ALD-Prozesssequenz 8.5 Schichteigenschaften 9 Zusammenfassung und Ausblick III Anhang A Theoretische Grundlagen verwendeter Messtechnik B Parametereinflüsse im monomolekularen Wachstumsmodell C Weitere Abbildungen / Ruthenium and its conductive dioxide are promising candidates as electrodes in MIM (metal-insulator-metal) capacitors with high-k dielectrics of next generation DRAM (dynamic random access memory) devices, as metal-gate electrodes in pMOS-Transistors with high-k dielectrics, and as seed layer for direct electrochemical plating of copper interconnects. ALD (atomic layer deposition) grows material layers with less than a tenth of a nanometer thickness, pulsing gaseous reactants alternately into the reaction chamber, separated by purging pulses. Hence, every cyclic recurrence of ideally self-limiting gas-solid reactions deposits a fixed material amount, until the desired film thickness is achieved. So, the surface’s chemical composition changes through material deposition during ALD, observable by in-situ SE (spectroscopic ellipsometry). Ellipsometry measures the polarization state’s change in amplitude and phase, reflecting an incident light beam from and/ or transmitting it through a (film covered) surface. The ellipsometric data can be directly related to optical material parameters and are thus physically interpretable – or they are translated into one-dimensional structural values, like film thickness. In this work, ruthenium and ruthenium dioxide films were grown from ECPR, [(ethylcyclopentadienyl)(pyrrolyl)ruthenium(II)], and molecular oxygen. Reaction mechanisms during the ALD of ruthenium and ruthenium dioxide were studied on the as-deposited film surface by in-situ SE, on-site QMS (quadrupole mass spectrometry), as well as XPS (x-ray photoelectron spectroscopy) without vacuum break. Additionally, film growth experiments were performed on the as-deposited film and the initial substrate surface by in-situ and real-time SE, varying the process parameters: reactant doses, purging times, substrate temperature and total pressure.:1 Einleitung I Theoretischer Teil 2 Ruthenium in der Mikroelektronik 2.1 Eigenschaften 2.2 Verwendung 3 Atomlagenabscheidung 3.1 Definition 3.2 Ablauf 3.3 Hauptmerkmale 3.4 Weit verbreitete Irrtümer 3.5 Vorteile und Grenzen 4 Massenspektrometrie 4.1 Definition 4.2 Verwendung 4.3 Aufbau und Funktionsweise von Massenspektrometern 4.4 Massenspektrometrische Methodik 5 Ellipsometrie 5.1 Definition 5.2 Vorteile und Grenzen 5.3 Physikalische Grundlagen 5.4 Messprinzip 5.4.1 Bestimmen ellipsometrischer Rohdaten 5.4.2 Interpretieren ellipsometrischer Spektren 5.4.3 Optisches Modellieren II Praktischer Teil 6 Chemische Reaktionen bei der thermischen Atomlagenabscheidung von Ruthenium und Rutheniumoxid 6.1 Vorbemerkungen 6.2 Untersuchungsmethoden 6.3 Beobachtungen mit Auswertung 6.3.1 Prozessgasanalyse per Quadrupol-Massenspektrometrie 6.3.2 In-situ und Echtzeit Spektroskopische Ellipsometrie 6.3.3 Röntgen-Photoelektronenspektroskopie ohne Vakuumunterbrechung 6.4 Formulieren vermuteter Teilreaktionen für das Ru Schicht-auf-Schicht Wachstum 6.4.1 Sauerstoff-Puls 6.4.2 Präkursor (ECPR)-Puls 6.4.3 ALD-Zyklus 6.5 Schlussfolgerungen für die ALD von Rutheniumoxid 6.6 Zwischenfazit und Ausblick 7 Spektroskopische Ellipsometrie in-situ und in Echtzeit während der thermischen Atomlagenabscheidung 7.1 Vorbemerkungen 7.2 Datenaufnahme 7.2.1 Messtechnische Eckdaten 7.2.2 Echtzeit-Begriff bei der Atomlagenabscheidung 7.2.3 Nasschemisches Vorbehandeln zum Zwecke definierter Ausgangssubstrate 7.2.4 Temperieren der Substrate 7.3 Interpretieren ellipsometrischer Spektren 7.4 Optisches Modellieren zur Datenauswertung 7.5 Fehlerabschätzung 8 Prozessentwicklung der thermischen Atomlagenabscheidung von Ruthenium 8.1 Vorbemerkungen 8.2 Untersuchungsmethoden 8.2.1 Schichtherstellung 8.2.2 Schichtcharakterisierung 8.3 Kennlinien der thermischen Ru-ALD 8.3.1 Zyklenanzahl 8.3.2 ECPR-Puls 8.3.3 Sauerstoff-Puls 8.3.4 Spülpulse 8.3.5 Substrattemperatur 8.3.6 Prozessdruck 8.4 Formulieren einer optimierten ALD-Prozesssequenz 8.5 Schichteigenschaften 9 Zusammenfassung und Ausblick III Anhang A Theoretische Grundlagen verwendeter Messtechnik B Parametereinflüsse im monomolekularen Wachstumsmodell C Weitere Abbildungen

Robust states exist at the interfaces between topologically trivial and nontrivial phases of matter. These boundary states are expression of the nontrivial bulk properties through a connection dubbed the bulk-boundary correspondence. Whether the bulk is topological or not is determined by the value of a topological invariant. This quantity is defined with respect to symmetries and dimensionality of the system, such that it takes only quantized values. For static topological phases that are realized in ground-states of isolated, time-independent systems, the topological invariant is related to the properties of the Hamiltonian operator. In contrast, Floquet topological phases that are realized in open systems with periodical pumping of energy are topologically characterized with a unitary Floquet operator i.e., the time-evolution operator over the entire period. Topological phases of matter can be distinguished by the dimensionality of robust boundary states with respect to the protecting bulk. This dissertation concerns recently discovered higher-order topological phases where the difference between dimensionalities of bulk and boundary states is larger than one. Using analytical and numerical single-particle techniques, we focus on instances where static higher-order topology can be understood with insights from the mature field of Floquet topology. Namely, even though static systems do not admit a Floquet description, we find examples of higher-order systems to which certain unitary operators can be attributed. The understanding of topological characteristics of these systems is therefore conditioned by the knowledge on topological properties of unitary operators, among which the Floquet operator is well-known. The first half of this thesis concerns toy models of static higher-order topological phases that are topologically characterized in terms of unitary operators. We find that a class of these systems called quadrupole topological insulators exhibit a wider range of topological phases than known previously. In the second half of this dissertation, we study reflection matrices of higher-order topological phases and show that they can exhibit the same topological features as Floquet systems. Our findings suggest a new route to experimental realizations of Floquet systems, the one that avoids noise-induced decoherence inevitable in many other experimental setups.