Eine wesentliche Voraussetzung für eine weitere Erhöhung der Speicherdichte von Magnetspeicherplatten ist, dass der Abstand zwischen den Schreib-Lese-Köpfen und der informationstragenden Magnetschicht der Platte von derzeit 20 nm weiter verringert wird. Dies bedeutet, dass die Deckschicht, die die magnetische Schicht der Platte und die Sensoren der Köpfe vor Korrosion und Verschleiß schützt, nicht dicker als 2 – 3 nm sein darf. Die bisher in der Festplattenfertigung magnetrongesputterten Kohlenstoffnitridschichten (CNx) bilden allerdings nur bis hinab zu einer Schichtdicke von etwa 4 nm eine ausreichend geschlossene Schicht und verlieren deshalb unterhalb dieser Grenze ihren Korrosionsschutz. Ein Beschichtungsverfahren, das auch im Sub-4-nm-Bereich noch ausreichend dicht geschlossene Schichten erzeugt ist die kathodische Vakuumbogenverdampfung (Cathodic Arc). Die mit diesem Verfahren abgeschiedenen amorphen Kohlenstoffschichten zeichnen sich zudem durch gute mechanische Eigenschaften aus. Dabei können die gegenüber den herkömmlichen Verfahren höher energetischen Teilchen viel tiefer in die oberste Atomlage eindringen und auf diese Weise eine eng mit der Unterlage verzahnte, dichte und glatte Schicht bilden. In der vorliegenden Arbeit wird eine gepulste Hochstrom-Bogenquelle zur Abscheidung von ultradünnen, harten Kohlenstoff-Schutzschichten auf Magnetspeicherplatten untersucht. Hierzu wurde eine speziell für diesen Einsatz modifizierte Hochstrom-Bogenquelle in eine Plattenfertigungsanlage bei IBM angeschlossen und in iterativen Schritten für einen kontinuierlichen Prozess einer industriellen Massenproduktion optimiert. Die Erzeugung eines homogen glatten Schichtdickenprofils über eine Substratoberfläche mit einem Durchmesser von 95mm konnte durch die Entwicklung eines magnetischen Multipolarrays erreicht werden. Die Partikelproblematik des Arc-Verfahrens konnte durch die Konstruktion und Optimierung eines magnetischen 120°-Plasmafilters, der die Partikel wirkungsvoll vom Plasmastrahl separiert, gelöst werden. Neben der technischen Weiterentwicklung der Hochstrom-Bogenquelle wurden die in der Produktionsumgebung erzeugten Kohlenstoffschichten hinsichtlich ihrer mechanischen und anwendungsspezifischen Eigenschaften untersucht und durch gezielte Wahl der Prozessparameter optimiert.

Uwe Stephan Dissertation This work is concerned with methods and results for the calculation of electronic properties of amorphous carbon models (a-C). These investigations are based upon a very efficient non-selfconsistent ab-initio procedure for the evaluation of electronic states of extended systems using modified self- consistent DFT-LDA states and potentials of neutral atoms. Starting from the LCAO matrices constructed in this method, the electronic densities of states (DOS) of model systems are calculated by diagonalization or with use of the recursion method. Both techniques and, in particular, several versions of the recursion method will be investigated and compared with respect to their numerical efficiency and practical applicability. For DOS calculations in carbon systems a modification of the atomic SCF routine will be proposed and tested in application to the crystalline carbon allotropes diamond and graphite. In this work, the investigation of a-C structures is based on various structural models which have been generated in the author's research group by means of molecular-dynamics simulations using the empirical Tersoff potential as well as the just mentioned DFT-LDA approach. The total energy in this latter procedure is calculated as the sum of the band-structure energy and an empirical repulsive pair potential; contrary to the purely empirical approach, this scheme therefore includes pi-bonding effects and gives rise to a superior description of defect states in these models. As suggested by an analysis of the localization properties of the eigenstates, the defect structure in a-C models depends primarily on the ability of pi- and weak-sigma-bonded undercoordinated atoms to cluster. To investigate these clustering effects, a pi-bonding analysis will be proposed which enables the quantification and classification of the defect states and the estimation of gaps between pi bands. This procedure, which will be justified by local DOS calculations, provides essential structure-property correlations in dependence on the mass densities of the models. Within predominantly fourfold-coordinated models, the occurrence of a certain fraction of threefold-coordinated atoms turns out to stabilize the network by achieving optimum stress and defect minimization due to the preferred formation of pi-bonded atom pairs. Such models exhibit mass densities and pi gaps of about 3.0 g/cm^3 and 2.4 eV, respectively, in close agreement with recent experimental results.

No description available.

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Die Bestrahlung von tetraedrisch amorphen Kohlenstoff (ta-C) mit schnellen schweren Ionen führt zur Bildung von mikroskopischen elektrisch leitfähigen Ionenspuren mit Durchmessern um 10 nm. Dieses Phänomen ist auf das sp² zu sp³ Hybridisierungsverhältnis des amorphen Kohlenstoffes zurückzuführen. Das einschlagende Ion deponiert eine große Menge Energie innerhalb des Spurvolumens, so dass eine Materialtransformation hin zu höheren sp² Hybridisierung stattfindet. Hierdurch wird die elektrische Leitfähigkeit der Ionenspur stark erhöht. Dieser Effekt kann durch die Zugabe von Verunreinigungen wie Kupfer verstärkt werden. Das Ziel dieser Arbeit ist die umfassende Analyse des elektrischen Verhaltens von ta-C mit besonderen Augenmerk auf die Auswirkungen von Kupferverunreinigungen und Ionenspuren. Der Effekt von Kupferverunreinigungen auf das wichtige Hybridisierungsverhältnis vom amorphen Kohlenstoff wird vermessen. Darüber hinaus wurden alle Proben elektrisch mit makroskopischen Kontakten im Temperaturbeireich von 20 K bis 380 K analysiert. Mikroskopisch wurden einzelne leitfähige Ionenspuren mit Hilfe von atomarer Kraftmikroskopie betrachtet. Die statistische Verteilung der Spureigenschaften in Kohlenstofffilmen mit verschiedenen Kupferkonzentrationen werden verglichen, um die Spurbildung besser zu verstehen. Die normalisierten durchschnittlichen Spurleitfähigkeiten aus mikroskopischen und makroskopischen Messungen werden verglichen. Hierbei kann die Zuverlässigkeit der beiden experimentellen Methoden bewertet werden und mögliche Fehlerquellen ausfindig gemacht werden. Schließlich wird ein Konzept für eine Anwendung unterbrochener Ionenspuren gezeigt.

Ion irradiation of tetrahedral amorphous carbon (ta-C) thin films induces a carbon phase transformation from the electrically insulating sp3 hybridization into the conducting sp2 hybridization. In this work, a detailed study on the electrical resistivity and the microstructure of areas, irradiated with several ion species at 30 keV energy is presented. Continuous ion bombardment yields a drastic drop of the resistivity as well as significant structural modifications of the evolving sp2 carbon phase. It is shown that the resistivity lowering can be attributed to the degree of graphitization in the film. Furthermore, the structural ordering processes are correlated with the ion deposited energy density. It is therefore revealed that the ion-induced phase transformation in ta-C films is a combination of sp3-to-sp2 conversion of carbon atoms and ion-induced ordering of the microstructure into a more graphite-like arrangement. All experiments were done with focused ion beam (FIB) systems by applying FIB lithography of electrical van-der-Pauw test structures. FIB lithography on ta-C layers is presented as a fast and easy technique for the preparation of electrically active micro- and nanostructures in an insulating carbon matrix.

Bei der quasi-simultanen Deposition massenselektierter Kohlenstoff- und Metallionen mit Energien jenseits thermischer Energien treten verschiedene Morphologien auf abhängig vom verwendeten Metall und den eingestellten Depositionsparametern. Die Abmessungen der auftretenden Strukturen liegen im Nanometerbereich. Die Materialien sind deshalb für zukünftige potentielle Anwendungen in verschiedenen Bereichen der Nanotechnologie von Interesse.Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit der Strukturanalyse von kupfer-, silber-, gold- oder eisenhaltigen amorphen Kohlenstoffschichten. Dabei wurden unter anderem die Rutherford Rückstreuungsspektroskopie, die hochauflösende Transmissionselektronenmikroskopie und die energiedispersive Röntgenspektroskopie angewandt.Die dünnen Schichten weisen die folgenden Morphologien auf: Die kupferhaltigen Proben bestehen aus Kupfer-Nanopartikeln deren Durchmesser zwischen 3 und 9 nm variieren und gleichmäßig in der amorphen Kohlenstoffmatrix verteilt sind. Der mittlere Durchmesser steigt mit dem Kupfergehalt an. Die silberhaltigen Proben trennen sich in eine reine amorphe Kohlenstoffschicht mit Silberpartikeln an der Oberfläche. Sowohl die gold- wie auch die eisenhaltigen Schichten weisen eine Multilagenstruktur auf, wobei metallreiche Lagen mit erhöhter Partikeldichte durch amorphe Kohlenstofflagen voneinander getrennt sind. Die Lagenabstände sind im Falle der Gold-Kohlenstoffschichten bis zu ca. 15 nm, bei den Eisen-Kohlenstoffschichten um die 7 nm.Die Entstehung der verschiedenen Strukturen kann nicht auf herkömmlich Selbstorganisationseffekte, die auf Diffusion und Gleichgewichtsthermodynamik beruhen zurückgeführt werden. Stattdessen wurden ioneninduzierte Transportmechanismen, Sputtereffekte und die Stabilität kleiner Metallpartikel berücksichtigt, um die Strukturbildung zu modellieren.In der Literatur wurden in letzter Zeit ähnliche Multilagenstrukturen von Metall-Kohlenstoffschichten diskutiert, die durch Magnetronsputterdeposition hergestellt wurden. Erste Experimente wurden nun an einer RF Magnetronsputterdepositionsanlage durchgeführt um zu untersuchen, ob die zugrundeliegenden Mechanismen hier die gleichen sind wie im Falle der oben beschriebenen ionenstrahldeponierten Schichten. Bisher konnte jedoch keine Multilagenbildung bestätigt werden.

Uwe Stephan Dissertation This work is concerned with methods and results for the calculation of electronic properties of amorphous carbon models (a-C). These investigations are based upon a very efficient non-selfconsistent ab-initio procedure for the evaluation of electronic states of extended systems using modified self- consistent DFT-LDA states and potentials of neutral atoms. Starting from the LCAO matrices constructed in this method, the electronic densities of states (DOS) of model systems are calculated by diagonalization or with use of the recursion method. Both techniques and, in particular, several versions of the recursion method will be investigated and compared with respect to their numerical efficiency and practical applicability. For DOS calculations in carbon systems a modification of the atomic SCF routine will be proposed and tested in application to the crystalline carbon allotropes diamond and graphite. In this work, the investigation of a-C structures is based on various structural models which have been generated in the author's research group by means of molecular-dynamics simulations using the empirical Tersoff potential as well as the just mentioned DFT-LDA approach. The total energy in this latter procedure is calculated as the sum of the band-structure energy and an empirical repulsive pair potential; contrary to the purely empirical approach, this scheme therefore includes pi-bonding effects and gives rise to a superior description of defect states in these models. As suggested by an analysis of the localization properties of the eigenstates, the defect structure in a-C models depends primarily on the ability of pi- and weak-sigma-bonded undercoordinated atoms to cluster. To investigate these clustering effects, a pi-bonding analysis will be proposed which enables the quantification and classification of the defect states and the estimation of gaps between pi bands. This procedure, which will be justified by local DOS calculations, provides essential structure-property correlations in dependence on the mass densities of the models. Within predominantly fourfold-coordinated models, the occurrence of a certain fraction of threefold-coordinated atoms turns out to stabilize the network by achieving optimum stress and defect minimization due to the preferred formation of pi-bonded atom pairs. Such models exhibit mass densities and pi gaps of about 3.0 g/cm^3 and 2.4 eV, respectively, in close agreement with recent experimental results.

Eine wesentliche Voraussetzung für eine weitere Erhöhung der Speicherdichte von Magnetspeicherplatten ist, dass der Abstand zwischen den Schreib-Lese-Köpfen und der informationstragenden Magnetschicht der Platte von derzeit 20 nm weiter verringert wird. Dies bedeutet, dass die Deckschicht, die die magnetische Schicht der Platte und die Sensoren der Köpfe vor Korrosion und Verschleiß schützt, nicht dicker als 2 – 3 nm sein darf. Die bisher in der Festplattenfertigung magnetrongesputterten Kohlenstoffnitridschichten (CNx) bilden allerdings nur bis hinab zu einer Schichtdicke von etwa 4 nm eine ausreichend geschlossene Schicht und verlieren deshalb unterhalb dieser Grenze ihren Korrosionsschutz. Ein Beschichtungsverfahren, das auch im Sub-4-nm-Bereich noch ausreichend dicht geschlossene Schichten erzeugt ist die kathodische Vakuumbogenverdampfung (Cathodic Arc). Die mit diesem Verfahren abgeschiedenen amorphen Kohlenstoffschichten zeichnen sich zudem durch gute mechanische Eigenschaften aus. Dabei können die gegenüber den herkömmlichen Verfahren höher energetischen Teilchen viel tiefer in die oberste Atomlage eindringen und auf diese Weise eine eng mit der Unterlage verzahnte, dichte und glatte Schicht bilden. In der vorliegenden Arbeit wird eine gepulste Hochstrom-Bogenquelle zur Abscheidung von ultradünnen, harten Kohlenstoff-Schutzschichten auf Magnetspeicherplatten untersucht. Hierzu wurde eine speziell für diesen Einsatz modifizierte Hochstrom-Bogenquelle in eine Plattenfertigungsanlage bei IBM angeschlossen und in iterativen Schritten für einen kontinuierlichen Prozess einer industriellen Massenproduktion optimiert. Die Erzeugung eines homogen glatten Schichtdickenprofils über eine Substratoberfläche mit einem Durchmesser von 95mm konnte durch die Entwicklung eines magnetischen Multipolarrays erreicht werden. Die Partikelproblematik des Arc-Verfahrens konnte durch die Konstruktion und Optimierung eines magnetischen 120°-Plasmafilters, der die Partikel wirkungsvoll vom Plasmastrahl separiert, gelöst werden. Neben der technischen Weiterentwicklung der Hochstrom-Bogenquelle wurden die in der Produktionsumgebung erzeugten Kohlenstoffschichten hinsichtlich ihrer mechanischen und anwendungsspezifischen Eigenschaften untersucht und durch gezielte Wahl der Prozessparameter optimiert.

Ion irradiation of tetrahedral amorphous carbon (ta-C) thin films induces a carbon phase transformation from the electrically insulating sp3 hybridization into the conducting sp2 hybridization. In this work, a detailed study on the electrical resistivity and the microstructure of areas, irradiated with several ion species at 30 keV energy is presented. Continuous ion bombardment yields a drastic drop of the resistivity as well as significant structural modifications of the evolving sp2 carbon phase. It is shown that the resistivity lowering can be attributed to the degree of graphitization in the film. Furthermore, the structural ordering processes are correlated with the ion deposited energy density. It is therefore revealed that the ion-induced phase transformation in ta-C films is a combination of sp3-to-sp2 conversion of carbon atoms and ion-induced ordering of the microstructure into a more graphite-like arrangement. All experiments were done with focused ion beam (FIB) systems by applying FIB lithography of electrical van-der-Pauw test structures. FIB lithography on ta-C layers is presented as a fast and easy technique for the preparation of electrically active micro- and nanostructures in an insulating carbon matrix.:Contents List of Figures iii List of Tables v List of Abbreviations vii 1. Introduction 1 2. Fundamentals 5 2.1. Ion-solid interactions . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.1. Scattering and stopping . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2. Ion range distribution . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9 2.1.3. Target modifications . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.1.4. Thermal driven segregation . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18 2.2. Focused ion beams (FIBs) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 2.2.1. Commercial gallium FIB (Ga + -FIB) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 2.2.2. Mass-separated FIB . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 2.3. Tetrahedral amorphous carbon (ta-C) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.1. Composition, microstructure and film properties . . . . . . . . . . . . . . 26 2.3.2. Growth mechanisms . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 2.3.3. Electronic properties . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 3. Experimental 39 3.1. Samples . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 3.2. Apparatus . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4. Ion induced surface swelling 43 4.1. Fluence and energy dependence . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44 4.2. Calculations of the swelling height . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48 5. Electrical properties of irradiated ta-C 55 5.1. Electrical resistivity of as-implanted ta-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.1.1. Resistance of Ga + implanted micropatterns . . . . . . . . . . . . . . . . . 55 5.1.2. Sheet resistance of Ga + irradiated ta-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59 5.1.3. Determination of the sp 3 content . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62 5.1.4. The effect of different ion species . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 65 5.1.5. Low temperature resistivity – The peculiarity of gallium . . . . . . . . . . 71 5.2. The effect of annealing . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74 5.3. Irradiation at elevated substrate temperatures . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79 6. The microstructure of irradiated ta-C 87 6.1. Raman investigations of ion irradiated ta-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 88 6.1.1. Fundamentals of Raman spectroscopy on amorphous carbon . . . . . . . . 88 6.1.2. Raman spectra of as-implanted ta-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93 6.1.3. Thermally driven graphitization of the microstructure . . . . . . . . . . . 98ii Contents 6.1.4. The correlation between microstructure and resistivity . . . . . . . . . . . 101 6.2. TEM investigations of ion irradiated ta-C . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 104 7. FIB lithography on ta-C layers 107 7.1. Graphitic nanowires . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 107 7.1.1. Nanowire dimensions – The resolution of FIB lithography . . . . . . . . . 108 7.1.2. Nanowire resistance . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110 7.2. Electrical insulation between conducting structures . . . . . . . . . . . . . . . . . 113 8. Conclusions and Outlook 117 A. Gallium nanoparticles on ta-C layers 121 Bibliography 123