Erzeugung von SiO2 Nanodots durch mehrfach geladene Ionen

Seit der Entwicklung intensiver Quellen für hochgeladene Ionen vor etwa 20 Jahren bemühen sich Forscher, die in diesen Projektilen gespeicherte potentielle Energie (die umso größer ist, je höher der Ladungszustand des Projektils ist) gezielt zur Bearbeitung von Oberflächen im Nanometerbereich nutzbar zu machen und damit Anwendungen zur Informationsspeicherung oder im Bereich Biotechnologie zu erschließen. Der Beschuss von Oberflächen mit Ionen stellt eine Möglichkeit dar, Nanostrukturen auf Oberflächen zu erzeugen. Nimmt man dazu schnelle Ionen (d.h. Ionen hoher kinetischer Energie), führt der Impulsübertrag zwischen Projektilion und Targetatomen zu unerwünschten Strahlenschäden im Substrat (große Anzahl von Fehlstellen im Material). Ein kürzlich entdeckter neuartiger Zerstäubungsprozess bei der Wechselwirkung langsamer mehrfachgeladener Ionen mit Isolatoroberflächen (der sogenannte "Potentialzerstäubungsprozess"), der nur bei bestimmten Isolator-Materialien wie z.B. Si02 (Quarz), AI203 (Saphir), und Alkalihalogeniden auftritt, könnte eine wesentlich sanftere Form der Materialbearbeitung mit Ionen erlauben. Bisher durchgeführte Forschungsprojekte haben sich vor allem mit dem der Potentialzerstäubung zugrundeliegenden Mechanismen beschäftigt. Im Rahmen des beantragten Projekts soll hingegen erstmals versucht werden, mittels langsamer hochgeladener Ionen Nanometer - große Oberflächenmodifikationen auf Siliziumeinkristallen zu erzeugen. Dazu soll ein mit Wasserstoff passiviertes Siliziumsubstrat im Ultrahochvakuum mit sehr langsamen mehrfach geladenen Ionen (bei niedrigen lonenflüssen) bestrahlt werden. In der Nähe des Aufschlagortes eines Ions werden durch elektronische Prozesse bei der Ion-Oberflächen-Wechselwirkung die Wasserstoffatome desorbiert. Wird dabei Sauerstoff in die Kammer eingelassen, können die nun ungesättigten Si-Bindungen mit den Sauerstoffmolekülen reagieren und so eine dünne Oxydschicht von einigen Nanometern Durchmesser um die Aufschlagstelle (= Si02 Nanodot) bilden. Wir beabsichtigen die Erzeugung solcher Nanodots mittels Rasterkraftmikroskopie und hochauflösender Raster- Augerspektroskopie zu studieren und die dafür notwendigen Bedingungen zu optimieren. In einem weiteren Schritt ist auch daran gedacht, auf den so erzeugten Si02 Nanodots selektiv Kohlenstoff-Nanoröhrchen aufwachsen zu lassen.

Hochgeladene Ionen besitzen eine besondere Form der Energie: "Potentielle Energie". Diese potentielle Energie, die umso größer ist, je höher der Ladungszustand des Projektils ist, wird beim Aufprall auf eine Festkörperoberfläche freigesetzt. Vorrangiges Ziel des Projektes war es herauszufinden, unter welchen Bedingungen diese potentielle Energie gezielt zur Bearbeitung von Oberflächen im Nanometerbereich nutzbar gemacht werden kann. Wegen der fortschreitenden Miniaturisierung im Halbleiterbereich sind neue Methoden zur Erzeugung von Nanometer-großen Strukturen auf Oberflächen von besonderem Interesse. Im Rahmen des Projekts wurde zuerst die Möglichkeit untersucht, mittels langsamer mehrfach geladener Ionen Oberflächenmodifikationen auf Siliziumeinkristallen zu erzeugen. Dazu wurde ein mit Wasserstoff passiviertes Siliziumsubstrat im Ultrahochvakuum mit sehr langsamen mehrfach geladenen Ionen bestrahlt und anschließend in Sauerstoffatmosphäre oxidiert. Die entstandenen lokalen Oberflächenmodifikationen wurden mittels hochauflösender Raster-Tunnelmikroskopie beobachtet. Als zweite Oberfläche wurde Kalziumfluorid untersucht, welches als Isolatormaterial in der Halbleiterindustrie verwendet wird. Die Bestrahlung erfolgte dabei mit Ionen in sehr hohen Ladungszuständen. Überraschenderweise waren als Resultat der Bestrahlung ab einer bestimmten minimalen potentiellen Energie Nanometer-große Hügel im Rastkraftmikroskop zu sehen, wobei jedem auftreffenden Ion ein Hügel zugeordnet werden konnte. Inzwischen ist es uns gelungen, die Größe (Durchmesser und Höhe) dieser Nanostrukturen über den Projektilladungszustand gezielt zu verändern und auch den zugrunde liegenden Mechanismus zu erklären. Schätzt man die Energiedichte ab, die durch das anfliegende Ion in der Oberfläche deponiert wird, so erkennt man, dass die experimentell festgestellte Schwelle für die Erzeugung der Nano-Hügel mit einem fest-flüssig Phasenübergang (Aufschmelzen der Oberfläche) korreliert. Diese vielversprechenden Untersuchungen werden im Rahmen eines inzwischen genehmigten EU-Netzwerkes weitergeführt.