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The Turning Point Method (TPM) for the evaluation of ion scattering in a sheath of a biased probe immersed in an unmagnetized plasma is reviewed. The TPM implemented originally in a computer program for spherical probes is expanded to include cylindrical probes as well as the evaluation of the turning angle of the charged particle (repelled or attracted) around the probe. TPM results have the potential to provide a standard against which to compare more complicated current collection simulations. TPM results are validated by comparing with Laframboise's earlier work for current collection in the Orbital Motion Limited regime. Calculations of the turning angle of a charged particle with specific energy and angular momentum revealed that higher plasma shielding limits the range of impact parameters that experience significant scattering, and that attracted particles entering tangent to the sheath experience increased scattering. The TPM results also show that there are significant changes in orbital trajectories between different space charges within the Orbital Motion Limited limit.

This thesis studies comparison and connection of two spectrometric methods – low energy ion scattering spektrometry (LEIS) and secondary ion mass spectrometry (SIMS). SIMS method, despite its many positive qualities, suffers of so called matrix effect, which makes quantifiaction of data very difficult. LEIS method on the other hand is immune to this effect and so it’s suitable completion of SIMS method. As a convenient sample have been chosen AlGaN samples with various concentration of gallium and aluminium. In the first part of thesis is introduced physical essence of SIMS and LEIS method, experimental details and studied samples. In second part of the thesis there’s a description of measurements and comparison of data gained by each method.

Metal/semiconductor interfaces, particularly those involving Si, are of great technological and scientific interest. In atomically abrupt interfaces, many properties are determined by interatomic interactions over a few layers, i.e., over ~1 nanometer. The initial stages of growth of an atomic layer related to structural and electronic properties are thus important to thin film behavior. Surface science studies on metal-semiconductor systems often lead to contradictory conclusions regarding bonding sites and even whether the first layer is metallic or not. A key piece of information that must be consistent with any study is the number of atoms per unit area in the first layer, which is difficult to assess directly. Alkali-metal-semiconductor systems have been studied as model abrupt interfaces for several years. Novel effects, such as electron localization, were observed. Still, determinations of absolute coverage have been lacking. This dissertation describes results of absolute coverage measurements for Cs on Si(100)(2X1), Si(111)(7X7), and Si (111)(v3 X v3)R30°-B reconstructed surfaces using Rutherford Backscattering Spectrometry in ultrahigh vacuum. The results bracket possible structural models for these systems. For the Cs/Si(111)(v3 X v3)R30°-B interface, this work confirms conclusions regarding electron localization effects and introduces considerations of ion-beam-induced desorption for the weakly-bound Cs

The presented thesis deals with the utilization of TOF-LEIS analytical method in the area of nanostructure analysis. A new procedure for depth profiling of the elemental composition of the sample, based on the alternate measurement with the DSIMS method, was established. The TOF-LEIS method is able to detect the interface between the layers before its mixing by the ion beam of the DSIMS method. Furthermore, a procedure of TOF-LEIS spektra modification was established to obtain the actual concentration of elements in the sample by reduction of a multiple collision contribution. By comparison of TOF-LEIS spectra with the results received by the DSIMS method the ratio of molybdenum and silicon ion yields was obtained. In the next section advantages of the TOF-LEIS method in combination with XPS during analysis of thermal stability of gold nanoparticles are presented. The mutual complementarity of both methods is shown and final conclusions are supported by electron microscopy images. The final section deals with a newly assembled apparatus for the TOF-SARS analytical method and shows its possibilities regarding the detection of hydrogen on the graphene.

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Μελετήθηκαν με μία σειρά από επιφανειακά ευαίσθητες τεχνικές δύο πρότυπα συστήματα με ενδιαφέρον για την ετερογενή κατάλυση. (Α) Στο διμεταλλικό σύστημα Sn/Ni διερευνήθηκαν οι συνθήκες και ο μηχανισμός κραματοποίησης του Sn στην επιφάνεια Ni(111). Το πλήρες επιφανειακό κράμα με δομή (√3×√3)R30°(από περίθλαση ηλεκτρονίων) σχηματίζεται θερμαίνοντας στους 7000C πάνω από 1,2 μονοστρώματα Sn. Οι διατεταγμένες δομές c(4x2) και c(2x2) αποτελούν ένα ενδιάμεσο στάδιο της κραματοποίησης σε χαμηλότερες θερμοκρασίες. Με θερμοπρογραμματισμένη εκρόφηση CO διαπιστώθηκε η βαθμιαία παρεμπόδιση της ρόφησης κατά το σχηματισμό του κράματος. Η διεπιφανειακή αλληλεπίδραση Sn/Ni(111) διερευνήθηκε τόσο με φασματοσκοπίες φωτοηλεκτρονίων, όσο και με θεωρητικούς υπολογισμούς από πρώτες αρχές. (Β) Μελετήθηκαν με φασματοσκοπίες ηλεκτρονίων και σκέδαση ιόντων He ρεαλιστικά πρόδρομα καταλυτικά συστήματα Ziegler – Natta (ZN), παρασκευάζοντας διάφορες σχετικές διεπιφάνειες με εξάχνωση MgCl2 σε υποστρώματα Si(111)7×7, Ti(0001) και SiO2. Η ασθενής αλληλεπίδραση μεταξύ MgCl2 και Si(111)7×7 γίνεται κυρίως μέσω των ατόμων Mg, τα οποία σε χαμηλές καλύψεις συμμετέχουν στη δημιουργία της υπερδομής (√3×√3)R30°. Η αλληλεπίδραση ενισχύεται μετά από θέρμανση, οπότε παραμένει στην επιφάνεια υπομονοστρωματική ποσότητα Mg. Από την άλλη πλευρά, το MgCl2, ακόμα και σε θερμοκρασία δωματίου αλληλεπιδρά ισχυρά με το Ti(0001), κυρίως μέσω των ατόμων Cl. Μετά από θέρμανση, ποσότητα Cl παραμένει συνδεδεμένη με το Ti ενώ απομακρύνεται από την επιφάνεια το Mg. Ασθενής αλληλεπίδραση παρατηρήθηκε μεταξύ MgCl2 και SiO2, ενώ η θέρμανση άφησε στην επιφάνεια υπομονοστρωματική ποσότητα οξειδωμένου Mg. Τέλος, μεταλλικό Ti που αποτέθηκε σε μικτό υπόστρωμα MgCl2 /SiO2 παρουσιάζει οξειδωτικές καταστάσεις οφειλόμενες στην ύπαρξη ατόμων Cl και O στην επιφάνεια, ενώ η θέρμανση οδηγεί στη δημιουργία επιφανειακών συμπλόκων, τα οποία είναι πιθανόν να προσομοιάζουν αντίστοιχα είδη στους πρακτικούς καταλύτες. / Two model systems, important in heterogeneous catalysis, where investigated using surface sensitive spectroscopies. (A) In the bi-metallic system Sn/Ni, the formation conditions and the mechanism of Sn surface alloying on Ni(111) were initially studied. The epitaxial surface alloy formation with LEED structure(√3×√3)R30°, requires annealing at 7000C of more than 1.2 monolayers Sn. The c(4x2) and c(2x2) structures were found to be an intermediate step of surface alloying. Temperature-programmed desorption showed a gradual blocking of CO adsorption with progressing alloying. The interfacial interactions in Sn /Ni(111) were demonstrated both by electron spectrosopies and via first principle calculations. (B) Surface science compatible model catalysts of the Ziegler-Natta (ZN) system were investigated by electron spectroscopies and He ion scattering on relevant interfaces formed via evaporation of MgCl2 on Si(111)7×7, Ti(0001) and SiO2 and upon evaporation of Ti on a MgCl2 /SiO2 mixed substrate.. The weak interaction between MgCl2 and Si(111)7×7 takes place through the Mg atoms, which at low coverage form a new surface structure, namely (√3×√3)R30°. The interaction was stronger after annealing, whereby a submonolayer coverage of Mg atoms remain on the surface. On the other hand, MgCl2 interacts strongly with the Ti substrate even at room temperature via the Cl atoms. Annealing causes the desorption of MgCl2 followed by decomposition, that leaves on the surface only Cl atoms attached to Ti, while no Mg atoms remain on the surface. Only a weak interaction was observed between MgCl2 and SiO2, while annealing resulted in the desorption and decomposition of MgCl2 leaving on the surface a sub-monolayer coverage of oxidized Mg. Upon Ti metal evaporation on the mixed MgCl2 / SiO2 support at room temperature, Ti appears at higher oxidation states, due to reaction with Cl and O atoms at the surface. Annealing causes the formation of surface complexes, which are very likely similar to species formed on practical ZN catalysts.

Atomic layer deposition (ALD) of copper films is getting enormous interest. Ultrathin Cu films are applied as the seed layer for electrochemical deposition (ECD) of copper in interconnect circuits and as the non-magnetic material for the realization of giant magnetoresistance (GMR) sensors. Particularly, Co/Cu multi-layered structures require sub 4.0 nm copper film thickness for obtaining strong GMR effects. The physical vapor deposition process for the deposition of the copper seed layers are prone to non-conformal coating and poor step coverage on side-walls and bottoms of trenches and vias, and presence of overhanging structures. This may cause failure of interconnections due to formation of voids after copper ECD. ALD is the most suitable technology for the deposition of conformal seed layers for the subsequent ECD in very high aspect ratio structures, also for the technology nodes below 20 nm. Surface chemistry during the ALD of oxides is quite well studied. However, surface chemistry during the ALD of pure metal is rather immature. This knowledge is necessary to optimize the process parameters, synthesize better precursors systems, and enhance the knowledge of existing metal ALD processes. The major goal of this work is to understand the surface chemistry of the used precursor and study the growth of ultrathin copper films using in-situ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Copper films are deposited by ALD using the precursor mixture consisting of 99 mol% [(nBu3P)2Cu(acac)], as copper precursor and 1 mol% of Ru(η5 C7H11)(η5 C5H4SiMe3), as ruthenium precursor. The purpose in having catalytic amount of ruthenium precursor is to obtain the Ru doped Cu2O layers for subsequent reduction with formic acid at temperatures below 150 °C on arbitrary substrates. Two different approaches for the growth of ultrathin copper films have been studied in this dissertation. In the first approach, direct thermal ALD of copper has been studied by using H2 as co-reactant on Co as catalytic substrate. In the second approach, Ru-doped Cu2O is deposited by ALD using wet-O2 as co-reactant on SiO2 as non-catalytic substrate. The Ru-doped Cu2O is successfully reduced by using either formic acid or carbon-monoxide on SiO2. / Atomlagenabscheidung (ALD) von Kupfer steht im Fokus der ALD Gemeinschaft. Ultradünne Kupferschichten können als Keimschicht für die elektrochemische Abscheidung (ECD) von Kupfer in der Verbindungstechnologie eingesetzt werden. Sie können ebenfalls für Sensoren, welche auf den Effekt des Riesenmagnetowiderstandes (GMR) basieren, als nicht-ferromagnetische Zwischenschicht verwendet werden. Insbesondere Multischichtstrukturen aus ferromagnetische Kobalt und Kupfer erfordern Schichtdicken von weniger als 4,0 nm, um einen starken GMR-Effekt zu gewährleisten. Das derzeit verwendete physikalische Dampfabscheidungsverfahren für ultradünne Kupferschichten, ist besonders anfällig für eine nicht-konforme Abscheidung an den Seitenwänden und Böden von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis. Des Weiteren kann es zur Bildung von Löchern und überhängenden Strukturen kommen, welche bei der anschließenden Kupfer ECD zu Kontaktlücken (Voids) führen können. Für die Abscheidung einer Kupfer-Keimschicht ist die ALD besonders gut geeignet, da sie es ermöglicht, ultradünne konforme Schichten auf strukturierten Oberflächen mit hohem Aspektverhältnis abzuscheiden. Dies macht sie zu einer der Schlüsseltechnologien für Struckturgrößen unter 20 nm. Im Gegensatz zur Oberflächenchemie rein metallischer ALD sind die Oberflächenreaktionen für oxidische ALD Schichten sehr gut untersucht. Die Kenntnis der Oberflächenchemie während eines ALD Prozesses ist essenziel für die Bestimmung von wichtigen Prozessparametern als auch für die Verbesserung der Präkursorsynthese ansich. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Oberflächenchemie und Charakterisierung des Wachstums von ultradünnen Metall-Cu-Schichten mittels In-situ XPS, welche eines indirekten (Oxid) bzw. direkten Metall-ALD Prozesses abgeschieden werden, wobei die Kupfer-Oxidschichten im Anschluss einem Reduktionsprozess unterworfen werden. Hierfür wird eine Präkursormischung bestehend aus 99 mol% [(nBu3P)2Cu(acac)] und 1 mol% [Ru(η5 C7H11)(η5-C5H4SiMe3)] verwendet. Die katalytische Menge an Ru, welche in der entstehenden Cu2O Schicht verbleibt, erhöht den Effekt der Reduktion der Cu2O Schicht auf beliebigen Substraten mit Ameinsäure bei Wafertemperaturen unter 150 °C. In einem ersten Schritt wird ein direkter thermisches Kupfer ALD-Prozess, unter Verwendung von molekularem Wasserstoff als Coreaktant, auf einem Kobalt-Substrat untersucht. In einem zweiten Schritt wird ein indirekter thermischer Cu2O-ALD-Prozess, unter gleichzeitiger Verwendung von Sauerstoff und Wasserdampf als Coreaktant, mit anschließender Reduktion durch Ameinsäure oder Kohlenstoffmonoxid zu Kupfer auf den gleichen Substraten betrachtet. Die vorliegende Arbeit beschreibt das Wachstum von ultradünnen und kontinuierlichen Kupfer-Schichten mittels thermischer ALD auf inerten- SiO2 und reaktiven Kobalt-Substraten.

Atomic layer deposition (ALD) of copper films is getting enormous interest. Ultrathin Cu films are applied as the seed layer for electrochemical deposition (ECD) of copper in interconnect circuits and as the non-magnetic material for the realization of giant magnetoresistance (GMR) sensors. Particularly, Co/Cu multi-layered structures require sub 4.0 nm copper film thickness for obtaining strong GMR effects. The physical vapor deposition process for the deposition of the copper seed layers are prone to non-conformal coating and poor step coverage on side-walls and bottoms of trenches and vias, and presence of overhanging structures. This may cause failure of interconnections due to formation of voids after copper ECD. ALD is the most suitable technology for the deposition of conformal seed layers for the subsequent ECD in very high aspect ratio structures, also for the technology nodes below 20 nm. Surface chemistry during the ALD of oxides is quite well studied. However, surface chemistry during the ALD of pure metal is rather immature. This knowledge is necessary to optimize the process parameters, synthesize better precursors systems, and enhance the knowledge of existing metal ALD processes. The major goal of this work is to understand the surface chemistry of the used precursor and study the growth of ultrathin copper films using in-situ X-ray photoelectron spectroscopy (XPS). Copper films are deposited by ALD using the precursor mixture consisting of 99 mol% [(nBu3P)2Cu(acac)], as copper precursor and 1 mol% of Ru(η5 C7H11)(η5 C5H4SiMe3), as ruthenium precursor. The purpose in having catalytic amount of ruthenium precursor is to obtain the Ru doped Cu2O layers for subsequent reduction with formic acid at temperatures below 150 °C on arbitrary substrates. Two different approaches for the growth of ultrathin copper films have been studied in this dissertation. In the first approach, direct thermal ALD of copper has been studied by using H2 as co-reactant on Co as catalytic substrate. In the second approach, Ru-doped Cu2O is deposited by ALD using wet-O2 as co-reactant on SiO2 as non-catalytic substrate. The Ru-doped Cu2O is successfully reduced by using either formic acid or carbon-monoxide on SiO2. / Atomlagenabscheidung (ALD) von Kupfer steht im Fokus der ALD Gemeinschaft. Ultradünne Kupferschichten können als Keimschicht für die elektrochemische Abscheidung (ECD) von Kupfer in der Verbindungstechnologie eingesetzt werden. Sie können ebenfalls für Sensoren, welche auf den Effekt des Riesenmagnetowiderstandes (GMR) basieren, als nicht-ferromagnetische Zwischenschicht verwendet werden. Insbesondere Multischichtstrukturen aus ferromagnetische Kobalt und Kupfer erfordern Schichtdicken von weniger als 4,0 nm, um einen starken GMR-Effekt zu gewährleisten. Das derzeit verwendete physikalische Dampfabscheidungsverfahren für ultradünne Kupferschichten, ist besonders anfällig für eine nicht-konforme Abscheidung an den Seitenwänden und Böden von Strukturen mit hohem Aspektverhältnis. Des Weiteren kann es zur Bildung von Löchern und überhängenden Strukturen kommen, welche bei der anschließenden Kupfer ECD zu Kontaktlücken (Voids) führen können. Für die Abscheidung einer Kupfer-Keimschicht ist die ALD besonders gut geeignet, da sie es ermöglicht, ultradünne konforme Schichten auf strukturierten Oberflächen mit hohem Aspektverhältnis abzuscheiden. Dies macht sie zu einer der Schlüsseltechnologien für Struckturgrößen unter 20 nm. Im Gegensatz zur Oberflächenchemie rein metallischer ALD sind die Oberflächenreaktionen für oxidische ALD Schichten sehr gut untersucht. Die Kenntnis der Oberflächenchemie während eines ALD Prozesses ist essenziel für die Bestimmung von wichtigen Prozessparametern als auch für die Verbesserung der Präkursorsynthese ansich. Diese Arbeit beschäftigt sich mit der Untersuchung der Oberflächenchemie und Charakterisierung des Wachstums von ultradünnen Metall-Cu-Schichten mittels In-situ XPS, welche eines indirekten (Oxid) bzw. direkten Metall-ALD Prozesses abgeschieden werden, wobei die Kupfer-Oxidschichten im Anschluss einem Reduktionsprozess unterworfen werden. Hierfür wird eine Präkursormischung bestehend aus 99 mol% [(nBu3P)2Cu(acac)] und 1 mol% [Ru(η5 C7H11)(η5-C5H4SiMe3)] verwendet. Die katalytische Menge an Ru, welche in der entstehenden Cu2O Schicht verbleibt, erhöht den Effekt der Reduktion der Cu2O Schicht auf beliebigen Substraten mit Ameinsäure bei Wafertemperaturen unter 150 °C. In einem ersten Schritt wird ein direkter thermisches Kupfer ALD-Prozess, unter Verwendung von molekularem Wasserstoff als Coreaktant, auf einem Kobalt-Substrat untersucht. In einem zweiten Schritt wird ein indirekter thermischer Cu2O-ALD-Prozess, unter gleichzeitiger Verwendung von Sauerstoff und Wasserdampf als Coreaktant, mit anschließender Reduktion durch Ameinsäure oder Kohlenstoffmonoxid zu Kupfer auf den gleichen Substraten betrachtet. Die vorliegende Arbeit beschreibt das Wachstum von ultradünnen und kontinuierlichen Kupfer-Schichten mittels thermischer ALD auf inerten- SiO2 und reaktiven Kobalt-Substraten.

Die Streuung niederenergetischer Ionen zur chemischen Analyse und Strukturbestimmung von Festkörperoberflächen gehört mittlerweile zu den Standardverfahren der Oberflächenphysik. Weniger bekannt ist sicherlich, daß die Ionenstreuung auch zur Untersuchung magnetischer Oberflächen eingesetzt werden kann. Diese Methode beruht auf dem Einfang spinpolarisierter Elektronen von einer Festkörperoberfläche und trägt daher den Namen Elektroneneinfangsspektroskopie (engl.: Electron Capture Spectroscopy, ECS). Das verwendete Verfahren zum (indirekten) Nachweis einer Spinpolarisation der Oberflächenelektronen basiert auf dem Effekt, daß ein geringer Teil der Ionen nach der Wechselwirkung mit der Oberfläche ein Elektron in einen angeregten Projektilzustand eingefangen hat. Die nachfolgende Abregung kann durch die Emission polarisierter Strahlung erfolgen. Der Grad der Zirkularpolarisation hängt unter anderem vom Magnetisierungszustand der Oberfläche ab. In dieser Arbeit wurden Experimente an drei verschiedenen Systemen durchgeführt. Als Projektile dienten dabei einfach geladene Heliumionen mit Primärenergien zwischen 2 und 14 keV, die unter verschiedenen Einfallswinkeln an der Probe gestreut wurden. Die Lichtemission eines Triplett-Übergangs im sichtbaren Spektralbereich (Wellenlänge: 587.6 nm) wurde im Experiment analysiert. Zunächst wurden ECS-Messungen an einer unmagnetischen Kupfer(111)-Oberfläche durchgeführt. Dabei konnte gezeigt werden, daß die Emission polarisierter Strahlung von verschiedenen experimentellen Parametern abhängt. Dazu gehört neben der Primärenergie der Projektilionen auch deren Einfallswinkel. Ein statisches Magnetfeld, das mit einem Weicheisenjoch erzeugt wird, hat keinen Einfluß auf die Lichtpolarisation bei einer unmagnetischen Probe. Die ECS-Messungen an einer amorphen ferromagnetischen Oberfläche ergaben, daß mit dieser Methode prinzipiell auch Ummagnetisierungskurven ferromagnetischer Festkörperoberflächen bestimmt werden können. Die im Vergleich zu den ebenfalls untersuchten MOKE-Hysteresen charakteristische, leicht abgerundetete Form der Kurven ist ein experimenteller Nachweis dafür, daß die Elektroneneinfangsspektroskopie eine extrem oberflächensensitive Meßmethode ist. Diese Oberflächenempfindlichkeit ist eine unmittelbare Konsequenz des Formierungsabstands des angeregten Heliumzustands. Die Messungen am System Co/Cu(111) konnten zeigen, daß die ECS-Methode prinzipiell auch bei dünnen ferromagnetischen Schichten anwendbar ist, die auf ein unmagnetisches Substratmaterial gedampft wurden. Hier ergaben sich u.a. interessante Abhängigkeiten des magnetischen Signals von der Dicke der aufgedampften Schicht, die sich erstaunlich gut mit den mikromorphologischen Eigenschaften des Kobaltfilms korrelieren ließen. Ferner wurde gezeigt, daß mit der ECS-Methode auch Hysteresen dünner ferromagnetischer Schichten gemessen werden können.