Diplomová práce se zabývá vytvořením modelu, který by umožnil lepší interpretaci hloubkových profilů měřených metodou LEIS. Obtížnost interpretace těchto profilů je dána vysokým podílem vícenásobně odražených projektilů v meřených spektrech. Tyto projektily nepřináší užitečnou informaci z dané hloubky. Naproti tomu jednonásobně odražené projektily nesou přesnější informaci o složení a tloušťce vrstev. V této práci vytvořený model se snaží určit příspěvek jednonásobně odražených částic k celkovému tvaru spektra a na základě něj i hloubkový profil vzorku.

This diploma thesis deals with comparison of experimental and simulated low energy ion scattering spectra. There is a theoretical description of basic principles of low energy ion scattering and description of the spectrometer, which is situated at Institute of physical engineering. It is shown, how to prepare samples using the colloidal gold solution. The deposition of gold nanoparticles is characterized. The usage and meaning of time and energy spectra of low energy ion scattering is explained. There is also shown the effect of channeling in Si substrate.

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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.

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.

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.

With the increasing importance of hand-held devices with touch displays, the need for flat panel displays (FPDs) will likely increase in the future. Glass is the most important substrate for FPD manufacturing, where both its bulk and surface properties are critical for its performance. Many properties of the glass used in FPDs are controlled by its surface chemistry. Surface hydroxyls are the most important functional groups on a glass surface, which control processes that occurs on oxide surfaces, including wetting, adhesion, electrostatic charging and discharge, and the rate of contamination. In this dissertation, I present a new approach for determining surface silanol densities on planar surfaces. This methodology consists of tagging surface silanols using atomic layer deposition (ALD) followed by low energy ion scattering (LEIS) analysis of the tags. The LEIS signal is limited to the outermost atomic layer, i.e., LEIS is an extremely surface sensitive technique. Quantification in LEIS is straightforward in the presence of suitable reference materials. An essential part of any LEIS measurement is the preparation and characterization of the sample and appropriate reference materials that best represent the samples. My tag-and-count method was applied to chemically and thermally treated fused silica. In this work, I determined the silanol density of a fully hydroxylated fused silica surface to be 4.67 OH/nm2. This value agrees with the literature value for high surface area silica powder. My methodology should be important in future glass studies. Surface Science Spectra (SSS) is an important, peer-reviewed database of spectra from surfaces. Recently, SSS has been expanding to accept spectra from new surface techniques. I created the first SSS submission form for LEIS spectra (see appendix 5), and used it to create the first SSS LEIS paper (on CaF2 and Au reference materials, see chapter 3). I also show LEIS reference spectra for ZnO, and copper in the appendix 1. The rest of my dissertation focuses on my chemometrics/informatics and data analysis work. For example, I showed the performance and capabilities of a series of summary statistics as new tools for unsupervised exploratory data analysis (EDA) (see chapter 4). Unsupervised EDA is often the first step in understanding complex data sets because it can group, and even classify, samples according to their spectral similarities and differences. Pattern recognition entropy (PRE) and other summary statistics are direct methods for analyzing data - they are not factor-based approaches like principal component analysis (PCA) or multivariate curve resolution (MCR). I show that, in general, PRE outperforms the other summary statistics, especially in image analysis, although I recommend a suite of summary statistics be used in exploring complex data sets. In addition, I introduce the concept of divided spectrum-PRE (DS-PRE) as a new EDA method and use it to analyze multiple data sets. DS-PRE increases the discrimination power of PRE. I have also prepared a guide that discusses the vital aspects and considerations for chemometrics/informatics analyses of XPS data along with specific EDA tools that can be used to probe XPS data sets, including PRE, PCA, MCR, and cluster analysis (see chapter 5). I emphasize the importance of an initial evaluation/plotting of raw data, data preprocessing, returning to the original data after a chemometrics/informatics analysis, and determining the number of abstract factors to keep in an analysis, including reconstructing the data using PCA. In my thesis, I also show the analysis of commercial automotive lubricant oils (ALOs) with various chemometrics techniques (see chapter 6). Using these methods, the ALO samples were readily differentiated according to their American Petroleum Institute (API) classification and base oil types: mineral, semi-synthetic, and synthetic.