A eletromigração é um dos principais problemas que limitam a vida útil dos dispositivos microeletrônicos. Normalmente o que se utiliza na indústria são interconexões feitas de filmes finos de Al e/ou Cu com estrutura colunar. Em muitos casos o efeito da eletromigração leva ao rompimento destas interconexões metálicas. Uma alternativa para reduzir ou até mesmo eliminar este problema seria a utilização de interconexões com estrutura diferente da colunar. Tomando este aspecto como motivação, desenvolveu-se, neste trabalho, um estudo detalhado de um filme de Al tipo mosaico formado por grãos nanoscópicos. Foram analisadas as interfaces e fronteiras de grãos, bem como o comportamento do filme quando submetido a diferentes tratamentos térmicos. Para isso foram crescidos filmes de Al com estrutura tipo colunar e tipo mosaico. Ambos foram depositados sobre óxido de Si utilizando a técnica de sputtering, porém o processo de deposição de cada um desses filmes se deu de maneira distinta. O tipo colunar foi crescido da maneira usual de deposição contínua de filmes finos. A formação da estrutura tipo mosaico é o resultado da deposição de uma camada seguida de um intervalo de tempo em que o substrato não ficou sob a ação do plasma. Após este tempo a deposição foi retomada. Este processo é repetido até obter-se o número desejado de camadas. As temperaturas de recozimento variaram de 300 a 500oC e o tempo foi fixado em uma hora. A técnica de Retroespalhamento Rutherford (RBS) foi utilizada para identificar os componentes das amostras estudadas, a espessura da camada de SiO2 e do filme de Al e as contaminações presentes. A técnica de Microscopia Eletrônica de Transmissão (MET) permitiu caracterizar com riqueza de detalhes fronteiras de grãos, interfaces e superfície das amostras. Também foi possível medir a espessura do filme de Al e da camada de óxido, assim como medir o tamanho dos grãos presentes nas amostras estudadas. Os resultados obtidos com estas análises mostraram que os dois tipos de filmes respondem de maneira diferente aos tratamentos térmicos. O filme com estrutura de grãos colunares não apresentou alteração significativa na largura média de suas colunas, que permaneceram com valores da ordem de 80 nm, mesmo depois de recozido a 500oC por uma hora. No entanto, os grãos de Al presentes no filme tipo mosaico parecem obedecer a dois mecanismos distintos de crescimento. Para temperaturas de recozimento até 462oC, os grãos aumentaram tridimensionalmente de tamanho, sendo caracterizados por seus diâmetros efetivos que variaram de 27 a 54 nm. Esta etapa do crescimento foi analisada considerando-se a teoria clássica de crescimento de grãos descrita por uma lei temporal de natureza parabólica. Para temperaturas acima deste valor, observou-se um crescimento abrupto. A 462oC o filme perdeu a característica de mosaico e passou a apresentar grãos com estrutura tendendo a colunar, atingindo altura próxima à espessura do filme (200 nm). A 475oC os grãos cresceram lateralmente, aumentando de 60 nm para valores médios da ordem de 900 nm. Este tipo de crescimento anômalo de grãos também foi verificado para temperatura de recozimento de 500oC e discutido em termos da forma e da velocidade de movimento das fronteiras de grão. Uma contribuição importante desta dissertação foi caracterizar e entender o processo de se obter, a partir de grãos nanométricos, grãos grandes com comprimentos da ordem de micrômetros. Este estudo pode contribuir significativamente na busca de uma solução para o problema da eletromigração em interconectores de circuitos integrados bem como em outras áreas. Um exemplo seria a aplicação dos filmes tipo mosaico em revestimentos duros e superduros. / The disruption of metallic interconnects (Al, Cu and Al/Cu alloy films) in microelectronic devices via electromigration is a severe problem limiting the lifetime of chips. The standard procedure used in industry is to grow interconnects with a bamboo-like structure. In this work we investigate an alternative process to produce Al films, producing mosaic-like structure. The effects of temperature on both bamboo and mosaic films are presented and discussed. The bamboo-like films were obtained by the standard continuous deposition process. A step-wise deposition method was used to grow the mosaic-like films. Annealing temperatures were in the range of 300 to 500oC and the time was fixed in one hour. Rutherford Backscattering (RBS) technique was used to identify the composition, the thickness and the contaminations present in the Al/SiO2 films. The details of grain size and interfaces and also the thickness of the Al/SiO2 films were observed via Transmission Electron Microscopy (TEM). The results show that each kind of film react differently during the annealing. The bamboo-like films are composed by elongated grains extending from the Al/SiO2 interface to the film surface. The measured grain width of the columnar films is of ≈ 80 nm and does not change for annealing temperature up to 500oC. A different behavior as a function of annealing temperature is observed for the mosaic-like films. In a first stage up to 462oC the nanosized grains grow, in average, from ≈ 27 nm in the as-deposited film to ≈ 54 nm at 462oC. For annealing in the range of 462 to 500oC we observe a very abrupt growth stage with the grains reaching a size of ≈ 1000 nm. The first stage of grain growth is analyzed by using a classic theory described by a temporal parabolic law. The fast growing mechanism in the 462 and 500oC range is discussed in terms of theoretical approaches of abnormal growing from the literature. Our results show that a controlled annealing process of mosaic-like Al thin films can produce nanograins with size varying from 27 to 1000 nm. This technique can be important in the study of electromigration phenomena present in microelectronic devices as well as in the area of superhard nanocomposite coatings.

SiC é um semicondutor promissor para dispositivos eletrônicos de alta-potência, alta-freqüência e alta temperatura e a síntese de uma camada epitaxial de SiC por implantação, na superfície do Si, pode ser uma via de integração com a tecnologia de Si. Implantação em alta temperatura (600°C) através de uma capa de SiO2, recozimento pós-implantação a 1250°C sob um ambiente de Ar (com 1% de O2) e ataque químico são a base da presente síntese. Implantações à energia de 40 keV foram executadas em substratos SIMOX(111) e Si(111), cobertos com uma capa de 100 nm de SiO2. Implantação em SIMOX foi o foco principal. Isto nos permitiu obter uma camada sintetizada de SiC separada do Si bulk e analisar as conseqüências estruturais. Neste caso, foi produzida a conversão da camada superior de 65 nm de Si superior da estrutura SIMOX em 30-45 nm de SiC. Implantações seqüenciais de C (passos de fluências de ~ 5 × 1016 C/cm2), seguidas por recozimento à 1250°C, permitiu estimar as fluências mínimas de C para atingir a estequiometria como 2,3 × 1017 C/cm2 e 2,8 × 1017 C/cm2, quando implantado em SIMOX e em Si, respectivamente. Espectrometria de Retroespalhamento de Rutherford (RBS) foi empregada para medir a evolução composicional da camada. Pela análise das implantações seqüenciais, foi possível compreender a redistribuição de carbono durante a implantação e recozimento. Uma estrutura de duas camadas é observada no SiC sintetizado separado do Si bulk, sendo a camada superficial mais rica em Si. Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM) mostrou que as camadas sintetizadas são sempre cúbicas e epitaxiais à estrutura original do Si. TEM também mostrou que as implantações diretas, até as fluências mínimas, resultam em uma melhor qualidade estrutural. Para uma fluência muito mais alta (4 × 1017 C/cm2), uma camada completamente estequiométrica é obtida, com redução na qualidade estrutural. Nossos resultados indicam que o excesso de carbono é o principal fator determinante da qualidade cristalina final do SiC sintetizado por feixe de íons, quando comparado ao stress, resultante de um casamento de redes forçado entre o substrato Si e o SiC sintetizado. / SiC is a promising semiconductor for high-power, high-frequency and hightemperature electronic devices and the synthesis of an epitaxial layer of SiC by implantation, on the surface of Si, can be a route for integration with the Si technology. High temperature implantation (600oC) through a SiO2 cap, 1250oC post-implantation annealing under Ar ambient (with 1% of O2), and chemical etching are the base for the present synthesis. 40 keV carbon implantations were performed into SIMOX(111) and Si(111) substrates covered with a 100 nm SiO2 cap. Implantation into SIMOX was the main focus. It has allowed us to obtain a SiC synthesized layer separated from the bulk silicon and to analyze the structural consequences. In this case, it was performed the conversion of a 65 nm Si(111) overlayer of a SIMOX(111) into 30-45 nm SiC. Sequential C implantations (fluence steps of about 5 × 1016 C/cm2), followed by 1250oC annealing, has allowed to estimate the minimum C fluences to reach the stoichiometric composition as 2.3 × 1017 C/cm2 and 2.8 × 1017 C/cm2, when implanting into SIMOX and into Si, respectively. Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS) was employed to measure layer composition evolution. By analyzing the sequential implantations it was possible to understand the carbon redistribution during implantation and annealing. A two-sublayers structure is observed in the synthesized SiC separated from the bulk Si, being the superficial one richer in Si. Transmission Electron Microscopy (TEM) has shown that the synthesized layers are always cubic and epitaxial to the original Si structure. TEM also show that single-step implantations, up to the minimum fluences, result in better structural quality. For a much higher C fluence (4 × 1017 C/cm2), a whole stoichiometric layer is obtained, with reduction of structural quality. Our results indicate that excess of carbon content is the major detrimental factor to determine the final crystalline quality in SiC ion beam synthesis, as compared to the stress, resulting from a forced lattice matching between the Si substrate and the synthesized SiC.

Nanocristais semicondutores (quantum dots - QDs) são empregados em quase todas as áreas da nanotecnologia. Isso se deve principalmente a possibilidade de controlar suas propriedades físicas, como propriedades ópticas e elétricas, apenas pelo controle do tamanho do nanocristal. Entretanto esses novos materiais também possuem novos desafios tecnológicos. Um deles é a caracterização de materiais tão pequenos. Poucas técnicas experimentais têm sensibilidade ou resolução para nanocaracterização. Espalhamento de íons com energias intermediárias (MEIS) é uma técnica para análise de superfícies cristalinas, capaz de determinar composições elementares e perfil de concentrações em filmes ultra-finos, com resolução em profundidade melhor do que 1 nm. Por esse motivo, ela surgiu como uma poderosa técnica para caracterização de nanomateriais, com a vantagem de ser capaz de determinar perfil de concentrações elementares dentro de nanoestruturas. Desenvolvemos um programa Monte Carlo, chamado PowerMeis, para simulação de espectros de MEIS, voltado à análise de nanoestruturas e capaz de simular espectros para qualquer tipo de amostra nanoestruturada. Com o uso desse programa, é possível determinar as características estruturais mais prováveis para uma amostra, encontrando a respectiva configuração no PowerMeis que resulta no melhor ajuste entre os espectros simulado e experimental. Através dessa técnica, foram desenvolvidos vários trabalhos voltados à caracterização de superfícies e interfaces nanoestruturadas. Nesse trabalho, utilizamos a técnica MEIS, combinada com emissão de raios X induzida por partículas (PIXE), espectrometria de retroespalhamento Rutherford (RBS) e microscopia eletrônica de transmissão (TEM) para estudar quantum dots núcleo-casca de CdSe/ZnS, diluídos em solução de tolueno, disponíveis comercialmente. Nosso objetivo é determinar a estrutura interna desses materiais, e estudar as modificações dessa estrutura, quando submetidos a processos externos, como tratamento térmico e irradiação por íons. Apresentamos o processo de caracterização desses sistemas, desde o preparo de amostras sólidas para análise com feixe de íons, determinação de densidade e distribuição espacial de QDs na superfície da amostra, até a análise da estrutura interna e de sua modificação mediante tratamento térmico. Nosso estudo mostra que, apesar dos QDs terem uma razão Cd:Se de 0,69:0,31, o núcleo é um cristal estequiométrico de CdSe e o cádmio excedente está distribuído na casca, formando uma estrutura Cd-Se/CdZnS. Após tratamento térmico a 450 °C por 5 minutos, há uma redução no tamanho do núcleo e uma modificação na forma da casca, havendo uma maior concentração de zinco na base da nanoestrutura. / Semiconductor nanocrystals (quantum dots - QDs) are employed in almost all elds of nanotechnology. This is mostly due to the ability to control its physical properties, such as optical and electrical ones, by controling only the size of the nanocrystal. However these new materials also have new technological challenges. One of them is the characterization of materials so small. Few experimental techniques have sensitivity or resolution for nanocharacterization. Medium energy ion scattering (MEIS) is a technique for crystal surfaces analysis, capable to determine elemental composition and concentration pro le in ultra-thin lms, with depth resolution better than 1 nm. For that reason, it has emerged as a powerful technique for characterization of nanomaterials, with the advantage to be able to make elemental concentration pro le within nanostructures. We developed a Monte Carlo program, called PowerMeis, for MEIS spectra simulation, focused on the analysis of nanostructures and able to simulate spectra for any kind of nanostructured sample. By using this program, we are able to determine the most probable structural characteristics for a given sample, by nding the respective PowerMeis input which led to the best comparison between simulated and experimental spectra. We used this technique in several studies on characterization of nanostructured surfaces and interfaces. In the present work, we used the MEIS technique, combined with particle induced X ray emission (PIXE), Rutherford backscattering spectrometry (RBS) and transmission electronic microscopy (TEM) to study core-shell quantum dots of CdSe/ZnS, commercially available diluted in toluene solution. Our goal is to determine the internal structure of these materials, and to study the modi cations of this structure when submited to external processes such as heat treatment and ion irradiation. We present the process of characterization of these systems, from the preparation of solid samples for ion beam analysis, density determination and spatial distribution of QDs on the surface of the sample, up to the analysis of the internal structure and its modi cation by termal treatment. Our study shows that, despite the QDs have a Cd:Se ratio of 0.69:0.31, the nucleus is a stoichiometric CdSe crystal and the excess of cadmium is distributed on the shell, forming a CdSe/CdZnS structure. After termal treatment at 450 C for 5 minutes, there is a decrease on the nucleus diameter and a modi cation on the shell shape, with a higher concentration of zinc at the nanostructure bottom.

Semicondutores de gap de banda grande possuem um vasto campo de aplicação na construção de dispositivos que necessitam operar em alta potência, em alta frequência e em ambientes hostis. Nesse trabalho apresentamos um estudo das sínteses de SiC e GaAsN obtidos, respectivamente, por implantação iônica de C em Si pré-implantado com He, e de N em substratos de GaAs. Uma camada de 110 nm de SiO2 foi depositada nos substratos antes do processo de implantação. Essa foi removida após a síntese, expondo as camadas à superfície. Para a síntese de SiC, substratos de Si préimplantados com He foram preparados a fim de gerar um estágio intermediário de substrato do ponto de vista de tensão exercida por esse na camada de SiC em síntese. Apresentamos diferenças entre a síntese do presente trabalho com as sínteses dos trabalhos anteriores, nos quais foram feitas a partir de Si bulk (tensão máxima) e a partir de SIMOX (sem tensão). Análises composicionais e estruturais foram feitas por Espectrometria de Retroespalhamento de Rutherford (RBS), Canalizacão (RBS/C) e Microscopia Eletrônica de Transmissão (TEM). Substratos pré-implantados com He nos levaram a uma redução na fluência mínima de C necessária para a síntese de uma camada de SiC estequiométrica, em comparação com o mesmo processo de síntese de SiC em SiO2/Si utilizando substratos de Si bulk. A fluência é comparável àquela necessária na síntese a partir de estruturas SIMOX, porém, a presente síntese apresentou uma importante melhora na qualidade estrutural. Na síntese de GaAsN por implantação de N em SiO2/GaAs, diferentes temperaturas de implantação foram utilizadas, partindo de temperatura ambiente até 500oC. Tratamentos térmicos em 850oC por 5 min foram feitos e diferenças estruturais foram extensamente estudadas por RBS, Fotoluminescência e TEM. Análise estrutural feita por TEM indica que a temperatura de implantação de 400oC é a mais adequada para a síntese de GaN cristalino. Temperaturas mais baixas que essa aumentam a tendência de formação de ligas GaAsN, no quais, para implantação em temperatura ambiente são amorfas. Condutividade tipo-p foi medida em ligas GaAsN:Mg obtidas por epitaxia de feixe molecular (MBE) e em amostras dopadas com Mg por implantação iônica em GaAsN amorfo obtido por MBE. Também exploramos a possibilidade de obtenção dessas ligas por co-implantação de N e Mg em substratos GaAs em temperatura ambiente. / Semiconductors with a large band gap have a wide application in the construction of devices that need to operate at high power, at high frequency and in hostile environments. In this work we present studies about the synthesis of SiC and GaAsN obtained by ion implantation of C into Si pre-implanted with He, and N into GaAs substrates, respectively. About 110 nm of SiO2 layer was deposited on all substrates previously to the implantation procedures. This layer was removed after synthesis revealing the synthesized layers to the surface. For the SiC synthesis, Si substrates pre-implanted with He were prepared in order to generate an intermediate stress stage as applied by the substrate on the epitaxial SiC in synthesis. We present differences between the current synthesis and those performed in in previous works, where synthesis started from Si bulk (maximum stress) and from SIMOX structures (no stress). Compositional and structural analyses were undergone by Rutherford Backscattering Spectrometry (RBS), Channeling (RBS/C) and Transmission Electron Microscopy (TEM). Si substrates pre-implanted with He led us to a reduction in the minimum C fluence required for synthesis of a stoichiometric SiC layer, compared to the same SiC synthesis process in SiO2/Si using Si bulk substrates. Such fluence is comparable to the one required for the synthesis started from SIMOX structures, but the present synthesis now demonstrates an important structural quality improvement. For the GaAsN synthesis by N ion implantation into SiO2/GaAs, the samples were kept at different implantation temperatures, starting from room temperature (RT) up to 500oC. Thermal treatments at 850oC during 5 min were performed and structural differences were extensively studied by RBS, Photoluminescence and TEM measurements. Structural analysis performed by TEM indicates that the implantation temperature of 400oC is more adequate for the synthesis of a crystalline GaN layer. Lower temperatures enhance the tendency to form GaAsN alloys, which is particularly amorphous for the RT implantation case. In addition, p-doping of GaAsN using Mg was also addressed. P-type conductivity was measured in GaAsN:Mg alloys obtained by Molecular Beam Epitaxy (MBE) and in samples doped by Mg implantation into amorphous GaAsN grown by MBE. We also probed the possibility to obtain such allows by N and Mg co-implantation into GaAs substrates at room temperature.

Dados experimentais de seção de choque de produção de raios X de subcamadas L de Ag e de Ru foram obtidos de espectros de emissão de raios X (PIXE) induzidos por prótons e por partículas alfa. Foram utilizadas amostras de filmes finos monoelementares produzidos com a técnica magnetron sputtering e caracterizadas com Rutherford backscatering spectroscopy (RBS). A metodologia incluiu a determinação de parâmetros experimentais tais como a eficiência do detector de estado sólido e características geométricas do sistema de medida. Foram obtidos espectros PIXE para energias de prótons variando entre 0,7-2,0 MeV, e para energias de partículas alfa entre 4,0-6,9 MeV. A metodologia experimental foi validada pela concordância observada entre os dados de seções de choque de ionização de camadas K, induzida por prótons, para Al, Ti, Fe e Ni, com valores da literatura, que são bem estabelecidos. A contribuição de cada linha L nos espectros de Ag e Ru foi determinada com um ajuste numérico considerando nove gaussianas. Os valores de seção de choque de produção de raios X de camada L induzida por prótons e partículas alfa estão de acordo com trabalhos de outros autores. Para Ru, o único dado experimental disponível na literatura para comparação também é coerente. A teoria ECPSSR subestima os valores de seção de choque de produção de raios X para subcamadas L de Ag, mas mostra boa concordância com os dados inéditos para Ru. / Experimental data of L-subshell X-ray production cross section for Ag and Ru were determined from proton and alpha particle induced X ray emission (PIXE) spectra. Measurements were performed in mono elemental thin films produced by magnetron sputtering and characterized with Rutherford backscattering spectrometry (RBS). The proposed methodology required the determination of several experimental parameters such as the detector efficiency and geometric characteristic of the detector in the experimental setup. PIXE spectra were acquired in the energy range of 0.7-2.0 MeV for protons and 4.0-6.9 MeV for alpha particles. The procedures employed in the cross section determination were validated by the comparison between the data obtained for K shell ionization cross sections for elements Al, Ti, Fe and Ni and those from the literature, which are well established. The contribution of each line in Ag and Ru spectra was determined with a numerical adjustment considering 9 Gaussian curves. The values of L-shell X-ray production cross sections induced by protons and alpha particles agree with the literature. For Ru, the only data available for comparison is compatible as well. The ECPSSR theory underestimates the X-ray production cross sections experimental values for all Ag L-subshells, but it shows good agreement with the new data for Ru.

O objetivo da presente dissertação é o estudo da difusão de Ag e Al em uma matriz de α-Ti. Sua motivação principal se origina do fato de haver na literatura resultados contraditórios sobre o comportamento difusional desses elementos. Além disso, este estudo é necessário para dar continuidade à investigação sistemática da difusão de impurezas substitucionais em α-Ti, que vem sendo realizada pelo grupo de implantação iônica, a fim de estabelecer uma relação entre tamanho, valência e solubilidade dos elementos e seus coeficientes de difusão. A dependência do coeficiente de difusão com a temperatura para ambos elementos foi estudada nos intervalos de temperatura de 823 a 1073 K para a Ag e 948 a 1073 K para o Al. No caso da Ag foi usada a técnica de RBS para determinar os perfis de concentração, a qual tem uma alta resolução em profundidade (tipicamente 10nm), o que permite a determinação das baixas difusividades esperadas no presente experimento ( D ≤ 10-7 m2/s). No caso do Al foi usada a técnica de NRA, que preenche os mesmos requisitos citados anteriormente, com uma resolução em profundidade de aproximadamente 10 Å. As medidas realizadas mostraram que, para ambos os casos, os coeficientes de difusão seguem uma representação linear de Arrhenius. Foram encontrados os seguintes parâmetros característicos de difusão: Do = (1 ± 0,75) x10-4 m2s-1 e Q = 279 ± 6 kJ/mol para a Ag e Do = (1,4 ± 1,2) x10-2 m2s-1 e Q = 326 ± 10 kJ/mol para o Al, os quais são típicos de um comportamento substitucional normal. A comparação desse trabalho com trabalhos prévios não mostra evidência de relacionamento entre tamanho, valência e solubilidade dos elementos e seus coeficientes de difusão.

The varied properties of Silicon Carbide (SiC) are helping to launch the material into many new applications, particularly in the field of novel semiconductor devices. In this work, the cubic form of SiC is of interest as a basis for developing integrated optical components. Here, the formation of a suitable SiO2 buried cladding layer has been achieved by high dose oxygen ion implantation. This layer is necessary for the optical confinement of propagating light, and hence optical waveguide fabrication. Results have shown that optical propagation losses of the order of 20 dB/cm are obtainable. Much of this loss can be attributed to mode leakage and volume scattering. Mode leakage is a function of the effective oxide thickness, and volume scattering related to the surface layer damage. These parameters have been shown to be controllable and so suggests that further reduction in the waveguide loss is feasible. Analysis of the layer growth mechanism by RBS, XTEM and XPS proves that SiO2 is formed, and that the extent of formation depends on implant dose and temperature. The excess carbon generated is believed to exit the oxide layer by a number of varying mechanisms. The result of this appears to be a number of stable Si-C-O intermediaries that form regions to either depth extreme of the SiO2 layer. Early furnace tests suggest a need to anneal at temperatures approaching the melting point of the silicon substrate, and that the quality of the virgin material is crutial in controlling the resulting oxide growth.

Die vorliegende Arbeit entstand im Rahmen einer Kooperation des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf mit Qimonda Dresden GmbH & Co. OHG. Mithilfe der hochauflösenden Rutherford-Streuspektrometrie (HR-RBS) wurden das Diffusionsverhalten und Schichtwachstum von ZrO2 auf SiO2 und TiN im Anfangsstadium untersucht. Auf Grund der exzellenten Tiefenauflösung von 0,3 nm an der Oberfläche stand die Analyse von Konzentrationsprofilen in ultradünnen Schichten, respektive an deren Grenzflächen im Vordergrund. Zur qualitativen Verbesserung der Messergebnisse wurde erstmals ein zweidimensionaler positionsempfindlicher Halbleiterdetektor in den Aufbau der HR-RBS implementiert und charakterisiert. Außerdem wurde ein Messverfahren in Betrieb genommen, das mögliche Schädigungen durch den Ioneneintrag in die Messprobe minimiert. Durch die Optimierung der experimentellen Bedingungen und die Entwicklung eines Programmpaketes zur Unterstützung des Analysten konnte ein effizienter Routine-Messablauf erstellt werden. Im Moment einer binären Kollision zwischen einfallendem Ion und Targetelement kommt es bei kleinem Stoßparameter zu Veränderungen des Ladungszustands der gestreuten Ionen, insbesondere durch die abrupte Geschwindigkeitsänderung des Projektils und der Überlappung der Elektronenwolken. Bei der HR-RBS mit Energie separierendem Dipolmagneten muss zur Interpretation von Streuspektren die Ladungszustandsverteilung der gestreuten Projektile bekannt sein. Erstmalig konnte eine signifikante Abhängigkeit der Ladungszustandsverteilung gestreuter C-Ionen sowohl von der Schichtdicke als auch der Ordnungszahl des detektierten Targetelements, hier der vierten Nebengruppe, nachgewiesen werden. Diese gewonnen Erkenntnisse ermöglichten systematische Untersuchungen zum ZrO2-Schichtwachstum im Anfangsstadium. Zur Herstellung der ZrO2-Schichten wurde die Atomlagenabscheidung (ALD) verwendet. Anhand der nachgewiesenen Agglomeration von ZrO2 auf nativen SiO2 wurde mithilfe der Rasterkraftmikroskopie (AFM) zur Bestimmung von Oberflächenrauigkeiten eine Methode konzipiert, welche die Auswirkung lokaler Schichtdickeninhomogenitäten auf die niederenergetische Flanke eines Streuspektrums berücksichtigt. Auf dieser Grundlage durchgeführte Simulationsrechnungen ergeben, dass keine Diffusion von Zr in die darunter liegende Schicht stattfand, jedoch eine ZrSiO4-Grenzflächenschicht existiert. Für das Wachstum von ZrO2 auf TiN wird aus den hoch aufgelösten Streuspektren ein völlig anderes Verhalten abgeleitet. Messungen zu Oberflächentopografien der TiN-Schicht liefern nicht zu vernachlässigende Werte für die Rauigkeit. Um den Einfluss der Oberflächenrauigkeit auf die Form des hoch aufgelösten Spektrums erfassen zu können, wurde eine Software entwickelt. Auf Basis von AFM-Messungen ermöglicht dieses Programm das Extrahieren einer Energieverteilung aus den Weglängen von ausschließlich an der Oberfläche gestreuten Ionen. Unter Berücksichtigung des Effekts der Oberflächenrauigkeit auf die HR-RBS Spektrenform konnte die Diffusion von Zr in das polykristalline TiN erstmals verifiziert werden. Die Beobachtungen weisen daraufhin, dass bereits nach dem ersten ALD-Zyklus ein geringer Anteil der deponierten Zr-Atome bis in eine Tiefe von etwa 3 nm in das TiN diffundiert. Die vorläufigen Ergebnisse legen Korngrenzendiffusion nahe.

A new cluster tool for in situ real-time processing and depth-resolved compositional, structural and optical characterization of thin films at temperatures from -100 to 800 °C is described. The implemented techniques comprise magnetron sputtering, ion irradiation, Rutherford backscattering spectrometry, Raman spectroscopy and spectroscopic ellipsometry. The capability of the cluster tool is demonstrated for a layer stack MgO/ amorphous Si (~60 nm)/ Ag (~30 nm), deposited at room temperature and crystallized with partial layer exchange by heating up to 650°C. Its initial and final composition, stacking order and structure were monitored in situ in real time and a reaction progress was defined as a function of time and temperature.

Foi estudada a produção de danos cristalográficos em silício por implantação de íons de oxigênio empregando-se doses na faixa de 1 x 1016 cm-2 a 4x 1017 cm-2 , energias entre 90 keV e 240 keV e temperaturas do substrato entre 25°C e 600°C. Os efeitos destas implantações sobre a estrutura cristalina foram determinados por espectroscopia de retroespalhamento de Rutherford (RBS), microscopia eletrônica de transmissão (TEM) e difração de Raios-X de alta resolução (HRXRD). O padrão de acumulação de danos sofre uma transição em ~200°C, com o deslocamento da região de máxima danificação da profundidade correspondente à maior deposição de energia por colisões nucleares para uma profundidade próxima ao alcance médio projetado dos íons. Abaixo de 200°C, a implantação iônica produz uma camada amorfa normalmente enterrada no substrato cristalino. Acima desta temperatura, não há formação de camada amorfa, mas observa-se a existência de duas regiões bem distintas. Na primeira delas, próxima da superfície, a densidade e a acumulação de danos são extremamente baixas mesmo para doses de oxigênio relativamente altas, ao passo que na segunda, centrada em torno do alcance projetado, detecta-se a presença de uma grande concentração de defeitos de natureza intersticial. Experimentos adicionais, utilizando íons de nitrogênio, neônio e magnésio em condições similares de dose, energia e temperatura, forneceram um quadro comparativo para a implantação de íons leves em alta temperatura. A produção de danos também é afetada pelas propriedades químicas dos íons, seja pela participação destes na formação de compostos, sob a forma de precipitados na matriz cristalina, seja pela sua associação a estruturas de defeitos. Verificou-se que a deformação mecânica da rede provocada pela implantação iônica depende da temperatura do substrato, energia, dose e da espécie química do íon implantado, podendo variar de uma deformação positiva de magnitude relativamente baixa, associada à expansão da distância interplanar, até um elevado valor de deformação negativa (de contração). A descrição das técnicas experimentais e dos dados obtidos numa extensa série de experiências constituem o núcleo deste trabalho científico. Os dois últimos capítulos, contudo, são devotados à análise dos resultados experimentais e à discussão das conclusões. / The production of damage in crystalline silicon by implantation of oxygen ions at elevated temperatures has been studied employing doses in the range of 1 x 1016 cm-2 to 4x1017 cm-2 • The ion energy was varied from 90 keV to 240 keV and the substrate temperature, held constant during the implantation, comprised the range from room temperature to 600°C. The effects of the implantation on the crystalline structure were monitored using three different experimental techniques : Rutherford backscattering spectrometry (RBS), transmission electron microscopy (TEM) and high resolution x-ray diffraction (HRXRD). The damage accumulation shows a transition around 200°C, since the region of maximum damage shifts from the maximum deposited energy depth to a depth near the mean projected range of the implanted ions. Below 200°C, the ion implantation creates a buried amorphous layer in the crystalline substrate. Above this temperature threshold, no amorphous layer is formed, but there are two distinct regions in the silicon samples. In the first one, dose to the surface, the damage accumulation is very low, even at relatively high oxygen doses. The second region, located around the mean projected range depth, is caracterized by a high concentration of interstitial type defect structures. Additional experiments, using nitrogen, neon and magnesium ions with implantation conditions similar to those of oxygen ions, provided a comparative picture of damage and strain accumulation by implantation with light mass ions at elevated temperatures. The damage production is affected by the chemical properties of the ions, which can participate in a variety of processes, such as the precipitation of compounds in the crystalline matrix and the formation of defective structures. The mechanical deformation dueto the ion implantation was found to be dependent on the substrate temperature, energy, dose and chemical species of the ion. The strain calculated values may vary from a relatively low positive deformation, associated with an increase in the distance between crystalline planes, to a high value of negative deformation (of contraction). The description of the data obtained in an extensive series of experiments constitutes the core of this scientific work. The last two chapters are devoted to the analysis of the experimental results and to the presentation of some conclusions.