Elektronenmikroskopie zum Wachstum von Chromdisilizid in Multilagen (nm-Bereich). Variation der abgeschiedenen Zusammensetzung und Tempertemperatur.

Elektronenmikroskopie zum Wachstum von Chromdisilizid in Multilagen (nm-Bereich). Variation der abgeschiedenen Zusammensetzung und Tempertemperatur.

Seltenerdsilizide RSi2 und deren verwandte R2TSi3-Verbindungen kristallisieren in hexagonalen AlB2- sowie tetragonalen ThSi2-ähnlichen Kristallstrukturen, unter denen es eine große strukturelle Vielfalt gibt, insbesondere im Hinblick auf die Ordnung von T- und Si-Atomen. Basierend auf einer ausführlichen Literaturrecherche mit einem Umfang von mehr als 300 Artikeln und 500 Strukturberichten wurde die kristallographische Familie eingehend charakterisiert und deren Symmetriebeziehungen herausgearbeitet. Das so entstandene Bärnighaus-Diagramm umfasst im Vergleich zu bisherigen Veröffentlichungen sechs zusätzliche Strukturtypen, deren Raumgruppen in dieser Arbeit teilweise erstmalig bestimmt wurden. Weiterhin konnten Zusammenhänge zwischen den beinhalteten Elementen der Verbindungen und deren Eigenschaften erarbeitet werden. Beispielsweise bilden sich signifikant häufiger geordneten Strukturen nach einer thermischen Behandlung. Darüber hinaus konnte hier eine Korrelation zwischen der elektronischen Struktur eines Hückel-Aromaten und der Si/T-Ordnung herausgearbeitet werden. Ergänzt wird die Arbeit durch Dichtefunktionaltheorieberechnungen, die zum einen Aufschluss über Formierungsenergien und somit über die potentielle Stabilität von bisher nicht berichteten Verbindungen geben. Zum anderen wurden die Bader-Ladungen der Atome berechnet, wodurch beispielsweise mögliche Überstrukturmodelle im tetragonalen Gitter auf nur ein plausibles Modell reduziert werden konnten. Abgerundet wird die Arbeit durch eigene Ergebnisse aus resonanten Synchrotronexperimenten, beispielhaft an dem Vertreter mit der größten Überstruktur: Ho2PdSi3. Für diese Verbindung gab es noch weitere mögliche Strukturmodelle, die jedoch dank der präsentierten Ergebnisse ausgeschlossen werden können.:Kurzfassung/Abstract 1. Einleitung 2. Grundlagen 2.1. Die Elemente 2.1.1. Aufbau 2.1.2. Bindungen 2.1.3. Atomradien 2.2. Kristallographie 2.2.1. Gliederung von Kristallstrukturen 2.2.2. Symmetrieabstieg 2.2.3. Raumgitter und reziprokes Gitter 2.2.4. Elektronen im Kristall 2.3. Resonante Röntgenbeugung 2.3.1. Röntgenabsorptionsspektroskopie 2.3.2. Röntgendiffraktion 2.3.3. Analyse der Diffraction Anomalous Fine Structure 3. Strukturelle Variationen der RSi2- und R2TSi3-Verbindungen: Charakterisierung und Ursachen 3.1. Kristallographische Übersicht der RSi2- und R2TSi3-Verbindungen 3.1.1. Vom AlB2-Typ abgeleitete Strukturen 3.1.2. Vom ThSi2-Typ abgeleitete Strukturen 3.1.3. Strukturbeschreibung 3.2. Systematisierung von Materialeigenschaften anhand von R–T-Diagrammen 3.2.1. Verteilung der Strukturtypen gemäß der Elementkombinationen 3.2.2. Gitterparameter und Si–T-Abstände 3.2.3. Thermische Behandlung 3.2.4. Elementradien und Radienverhältnis 3.2.5. Dichte und Packungsdichte 3.2.6. Elektronische Struktur 3.3. Abhängigkeiten zwischen den Materialeigenschaften 3.3.1. Korrelationen des kürzesten Si–T-Abstands d 3.3.2. Korrelationen des Quotienten c/a 3.3.3. Korrelationen des Quotienten qrad (und der Elementradien) 3.3.4. Korrelationen der thermischen Behandlung 3.3.5. Korrelationen der elektronischen Struktur 3.4. Stabilitätsanalysen basierend auf DFT-Rechnungen 3.4.1. Die Reihe der Co-Verbindungen 3.4.2. Die Reihe der Rh-Verbindungen 3.4.3. Die Reihe der Pt-Verbindungen 3.4.4. Die Gitterparameter von La2PdSi3 3.4.5. Tetragonales oder hexagonales BaSi2? 3.4.6. Orthorombisches Sr2AgSi3 3.4.7. Potentielle, tetragonale Struktur mit geordneten Si/T-Atomen 4. Überstrukturanalyse an Ho2PdSi3mit Diffraction Anomalous Fine Structure Analyse 4.1. Die Probe 4.2. Die Modelle 4.3. Durchführung 4.3.1. Details zu den Simulationen 4.3.2. Details zu den Experimenten 4.4. Auswertung 4.4.1. Die Holmium-L-Kanten 4.4.2. Die Palladium-K-Kante 5. Zusammenfassung Anhang A. Strukturparameter der RSi2- und R2TSi3-Verbindungen B. Die Strukturtypen und Wyckoff-Lagen der RSi2- und R2TSi3-Verbindungen C. Geometrische Betrachtungen der Gitter D. Hilfswerte für die DFT-Rechnungen E. Parameter der FDMNES-Simulatio F. Herleitung des Extinktionskorrekturterms G. Mittlere Fehlerquadrate der Fits an die XAFS- und DAFS-Experimente Tabellenverzeichnis Abbildungsverzeichnis Literaturverzeichnis Danksagung Eidesstattliche Erklärung

Silizide spielen ein wesentliche Rolle in den technologisch fortschrittlichsten CMOS Bauteilen. Sie finden Verwendung als Kontaktmaterial auf den Aktivgebieten und dem Silizium Gatter von Transistoren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Systemen: Co-Si, Co-Ni-Si und Ni-Si. Sowohl in situ Hochtemperatur-SR-XRD Experimente als auch CBED wurden zur Phasenidentifikation herangezogen. AES erlaubte es, Elementverteilungen in Schichtstapeln zu bestimmen. Für Studien über Agglomerationserscheinungen wurde REM eingesetzt. TEM und analytisches TEM trugen nicht nur zu Einblicken in Schichtstrukturen und Kornformen bei, sondern lieferten auch Daten zu Elementverteilungen in Silizidschichten. Diese Dissertation gliedert sich in zwei Hauptteile. Der erste Teil beschäftigt sich mit den Phasenbildungsabfolgen und den Phasenbildungs- und Umwandlungstemperaturen in nanoskaligen dünnen Schichten. Als Trägermaterial wurden einkristalline und polykristalline Siliziumsubstrate verwendet. Der Einfluß verschiedener Dotierungen im Vergleich zu undotierten Substraten sowie die Beeinflussung der Silizidierung durch eine Deckschicht wurden untersucht. Im zweiten Teil waren Größeneffekte verschiedener Schichtdicken und Agglomerationserscheinungen Gegenstand von Untersuchungen. Unterschiede bei der Silizidierung in Zusammenhang mit unterschiedlichen Schichtdicken wurden bestimmt. Darüberhinaus wurde eine ternäre CoTiSi Phase gefunden und identifiziert. Außerdem konnte die stark eingeschränkte Mischbarkeit der Monosilizide CoSi und NiSi gezeigt werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von NiSi im Temperaturbereich 400?700°C und sein nicht-lineares Verhalten wurden bestimmt. / Silicides are an essential part of state-of-the-art CMOS devices. They are used as contact material on the active regions as well as on the Si gate of a transistor. In this work, investigations were performed in the systems Co-Si, Co-Ni-Si, and Ni-Si. In situ high temperature SR-XRD and CBED techniques were used for phase identification. AES enabled the determination of elemental concentrations in layer stacks. SEM was applied to agglomeration studies. TEM imaging and analytical TEM provided insights into layer structures, grain morphology as well as information about the distribution of chemical elements within silicide layers. This thesis is divided into two main parts. The first part deals with the phase formation sequences and the phase formation and conversion temperatures in nanoscale thin films on either single crystal or polycrystalline Si substrates. The effect of different types of dopants vs. no doping and the impact of a capping layer on the phase formation and conversion temperatures were studied. In the second part, size effects and agglomeration of thin silicide films were investigated. The effect of different layer thicknesses on the silicidation process was studied. Additionally, the degree of agglomeration of silicide films was calculated. Furthermore, the ternary CoTiSi phase was found and identified as well as the severely limited miscibility of the monosilicides CoSi and NiSi could be shown. The CTE of NiSi between 400?700 ±C and its non-linear behavior was determined.

Die Dissertation beschreibt Untersuchungen der intermetallischen Verbindungen TbxY1-xNi2B2C bzw. TbxEr1-xNi2B2C, Tb2PdSi3 sowie Dy2PdSi3, die sich auszeichnen durch physikalische Erscheinungen, die durch die Wechselwirkung der magnetischen Momente der Seltenerd (SE)-Ionen mit den Leitungselektronen hervorgerufen werden. Sie umfasst Beiträge zur Konstitution der Legierungssysteme, methodische Untersuchungen zur Einkristallzüchtung, zur Charakterisierung der Homogenität und Perfektion der Kristalle und zu physikalischen Eigenschaften (Supraleitung, Magnetismus). Die für das Erstarrungs- und Schmelzverhalten der intermetallischen Phasen relevanten quasi-binären Schnitte der Tb-(Y, Er)-Ni-B-C bzw. Tb(Dy)-Pd-Si-Phasendiagramme, die bisher noch nicht bekannt waren, konnten bestimmt werden. Damit wurden die Prozessparameter der Einkristallzüchtung durch tiegelfreies Zonenschmelzen optimiert. Die unterschiedlichen Erstarrungstypen, peritektische Erstarrung (SENi2B2C) bzw. kongruentes Erstarren (SE2PdSi3), wurden durch unterschiedliche Ziehgeschwindigkeiten bei der Einkristallzüchtung berücksichtigt. An den massiven Einkristallen wurden Homogenitätsuntersuchungen hinsichtlich Elementkonzentration und physikalischer Eigenschaften (Tc, Tn, RRR) als Funktion der Längskoordinate durchgeführt, die geringe Eigenschaftsunterschiede der einkristallinen Proben nachweisen. Aus der Zusammensetzungsänderung über die Kristalllänge konnte in Verbindung mit in-situ Messungen der Zonentemperatur ein einfaches Prozessmodell des Zonenschmelzens der untersuchten Verbindungen entwickelt werden. Die Korrelation von magnetischen und supraleitenden Eigenschaften der Borokarbidmischreihen werden primär vom Verhältnis der Seltenen Erden bestimmt aber auch durch die Konzentration der weiteren Elemente. An Einkristallen konnte eine Anisotropie des oberen kritischen Feldes der Supraleitung von TbxY1-xNi2B2C gezeigt werden, die durch die magnetischen Tb-Ionen bestimmt wird. Die Untersuchungen der Tb2PdSi3- und Dy2PdSi3-Einkristalle ergaben eine Anisotropie der magnetoelektrischen Eigenschaften. / In this thesis investigations of the intermetallic compounds TbxY1-xNi2B2C, TbxEr1-xNi2B2C, Tb2PdSi3 and Dy2PdSi3 are presented. These compounds exhibit interesting physical phenomena caused by the interaction of the rare earth (RE) magnetic moments on the conduction electrons. Moreover, contributions on the constitution of the alloy systems, basic investigations of crystal growth process, homogeneity, microstructure and physical properties (superconductivity, magnetism) of the crystals are given. The quasi-binary sections of the Tb-(Y, Er)-Ni-B-C and Tb(Dy)-Pd-Si-phase diagrams which are relevant for the crystallisation of the different intermetallic phases have been determined for the first time. They were utilised for optimisation of the process parameters of single crystal growth by floating-zone melting. Because of the different solidification modes of RENi2B2C (peritectic solidification) and RE2PdSi3 (congruent solidification) different growth velocities have been employed in crystal growth. The composition and the physical properties (Tc, Tn, RRR) have been investigated as function of the crystal axis co-ordinate. As these properties show only a slight shift over the crystal length samples are representative for the whole crystal. From the slight composition shift over the crystal length a process model of the floating zone growth has been developed utilising the in-situ measurements of the zone-temperature. The correlation of magnetic and superconducting properties of the borocarbide solid solution compounds are mainly governed by the RE-fraction but they are also influenced by the concentration of the other elements. For TbxY1-xNi2B2C single crystals an anisotropic upper critical field of superconductivity has been detected which is induced by the magnetic Tb-ions. The investigations of Tb2PdSi3 and Dy2PdSi3 revealed an anisotropy of the magnetoresistive properties.

Silizide spielen ein wesentliche Rolle in den technologisch fortschrittlichsten CMOS Bauteilen. Sie finden Verwendung als Kontaktmaterial auf den Aktivgebieten und dem Silizium Gatter von Transistoren. Diese Arbeit beschäftigt sich mit den Systemen: Co-Si, Co-Ni-Si und Ni-Si. Sowohl in situ Hochtemperatur-SR-XRD Experimente als auch CBED wurden zur Phasenidentifikation herangezogen. AES erlaubte es, Elementverteilungen in Schichtstapeln zu bestimmen. Für Studien über Agglomerationserscheinungen wurde REM eingesetzt. TEM und analytisches TEM trugen nicht nur zu Einblicken in Schichtstrukturen und Kornformen bei, sondern lieferten auch Daten zu Elementverteilungen in Silizidschichten. Diese Dissertation gliedert sich in zwei Hauptteile. Der erste Teil beschäftigt sich mit den Phasenbildungsabfolgen und den Phasenbildungs- und Umwandlungstemperaturen in nanoskaligen dünnen Schichten. Als Trägermaterial wurden einkristalline und polykristalline Siliziumsubstrate verwendet. Der Einfluß verschiedener Dotierungen im Vergleich zu undotierten Substraten sowie die Beeinflussung der Silizidierung durch eine Deckschicht wurden untersucht. Im zweiten Teil waren Größeneffekte verschiedener Schichtdicken und Agglomerationserscheinungen Gegenstand von Untersuchungen. Unterschiede bei der Silizidierung in Zusammenhang mit unterschiedlichen Schichtdicken wurden bestimmt. Darüberhinaus wurde eine ternäre CoTiSi Phase gefunden und identifiziert. Außerdem konnte die stark eingeschränkte Mischbarkeit der Monosilizide CoSi und NiSi gezeigt werden. Der thermische Ausdehnungskoeffizient von NiSi im Temperaturbereich 400?700°C und sein nicht-lineares Verhalten wurden bestimmt. / Silicides are an essential part of state-of-the-art CMOS devices. They are used as contact material on the active regions as well as on the Si gate of a transistor. In this work, investigations were performed in the systems Co-Si, Co-Ni-Si, and Ni-Si. In situ high temperature SR-XRD and CBED techniques were used for phase identification. AES enabled the determination of elemental concentrations in layer stacks. SEM was applied to agglomeration studies. TEM imaging and analytical TEM provided insights into layer structures, grain morphology as well as information about the distribution of chemical elements within silicide layers. This thesis is divided into two main parts. The first part deals with the phase formation sequences and the phase formation and conversion temperatures in nanoscale thin films on either single crystal or polycrystalline Si substrates. The effect of different types of dopants vs. no doping and the impact of a capping layer on the phase formation and conversion temperatures were studied. In the second part, size effects and agglomeration of thin silicide films were investigated. The effect of different layer thicknesses on the silicidation process was studied. Additionally, the degree of agglomeration of silicide films was calculated. Furthermore, the ternary CoTiSi phase was found and identified as well as the severely limited miscibility of the monosilicides CoSi and NiSi could be shown. The CTE of NiSi between 400?700 ±C and its non-linear behavior was determined.

Die Dissertation beschreibt Untersuchungen der intermetallischen Verbindungen TbxY1-xNi2B2C bzw. TbxEr1-xNi2B2C, Tb2PdSi3 sowie Dy2PdSi3, die sich auszeichnen durch physikalische Erscheinungen, die durch die Wechselwirkung der magnetischen Momente der Seltenerd (SE)-Ionen mit den Leitungselektronen hervorgerufen werden. Sie umfasst Beiträge zur Konstitution der Legierungssysteme, methodische Untersuchungen zur Einkristallzüchtung, zur Charakterisierung der Homogenität und Perfektion der Kristalle und zu physikalischen Eigenschaften (Supraleitung, Magnetismus). Die für das Erstarrungs- und Schmelzverhalten der intermetallischen Phasen relevanten quasi-binären Schnitte der Tb-(Y, Er)-Ni-B-C bzw. Tb(Dy)-Pd-Si-Phasendiagramme, die bisher noch nicht bekannt waren, konnten bestimmt werden. Damit wurden die Prozessparameter der Einkristallzüchtung durch tiegelfreies Zonenschmelzen optimiert. Die unterschiedlichen Erstarrungstypen, peritektische Erstarrung (SENi2B2C) bzw. kongruentes Erstarren (SE2PdSi3), wurden durch unterschiedliche Ziehgeschwindigkeiten bei der Einkristallzüchtung berücksichtigt. An den massiven Einkristallen wurden Homogenitätsuntersuchungen hinsichtlich Elementkonzentration und physikalischer Eigenschaften (Tc, Tn, RRR) als Funktion der Längskoordinate durchgeführt, die geringe Eigenschaftsunterschiede der einkristallinen Proben nachweisen. Aus der Zusammensetzungsänderung über die Kristalllänge konnte in Verbindung mit in-situ Messungen der Zonentemperatur ein einfaches Prozessmodell des Zonenschmelzens der untersuchten Verbindungen entwickelt werden. Die Korrelation von magnetischen und supraleitenden Eigenschaften der Borokarbidmischreihen werden primär vom Verhältnis der Seltenen Erden bestimmt aber auch durch die Konzentration der weiteren Elemente. An Einkristallen konnte eine Anisotropie des oberen kritischen Feldes der Supraleitung von TbxY1-xNi2B2C gezeigt werden, die durch die magnetischen Tb-Ionen bestimmt wird. Die Untersuchungen der Tb2PdSi3- und Dy2PdSi3-Einkristalle ergaben eine Anisotropie der magnetoelektrischen Eigenschaften. / In this thesis investigations of the intermetallic compounds TbxY1-xNi2B2C, TbxEr1-xNi2B2C, Tb2PdSi3 and Dy2PdSi3 are presented. These compounds exhibit interesting physical phenomena caused by the interaction of the rare earth (RE) magnetic moments on the conduction electrons. Moreover, contributions on the constitution of the alloy systems, basic investigations of crystal growth process, homogeneity, microstructure and physical properties (superconductivity, magnetism) of the crystals are given. The quasi-binary sections of the Tb-(Y, Er)-Ni-B-C and Tb(Dy)-Pd-Si-phase diagrams which are relevant for the crystallisation of the different intermetallic phases have been determined for the first time. They were utilised for optimisation of the process parameters of single crystal growth by floating-zone melting. Because of the different solidification modes of RENi2B2C (peritectic solidification) and RE2PdSi3 (congruent solidification) different growth velocities have been employed in crystal growth. The composition and the physical properties (Tc, Tn, RRR) have been investigated as function of the crystal axis co-ordinate. As these properties show only a slight shift over the crystal length samples are representative for the whole crystal. From the slight composition shift over the crystal length a process model of the floating zone growth has been developed utilising the in-situ measurements of the zone-temperature. The correlation of magnetic and superconducting properties of the borocarbide solid solution compounds are mainly governed by the RE-fraction but they are also influenced by the concentration of the other elements. For TbxY1-xNi2B2C single crystals an anisotropic upper critical field of superconductivity has been detected which is induced by the magnetic Tb-ions. The investigations of Tb2PdSi3 and Dy2PdSi3 revealed an anisotropy of the magnetoresistive properties.