UHV-Studien zur chemischen Kontrolle der Elektronenstrahl-induzierten Abscheidung von Silber und Eisen

Abstract

Die fokussierte Elektronenstrahl-induzierte Abscheidung (Focused Electron Beam Induced Deposition; FEBID) ist ein Verfahren zur Herstellung von Nanostrukturen aus metallorganischen Präkursoren. Dabei wird das Material Elektronen-induziert auf einer Oberfläche abgeschieden mit dem Ziel möglichst reine Metall-Deponate herzustellen. Tatsächlich ist aber der Metallgehalt dieser Deponate oft sehr niedrig. Die Wahl der Präkursoren für FEBID geht oft auf metallorganische Verbindungen zurück, die bereits erfolgreich für die chemische Gasphasenabscheidung (Chemical Vapor Deposition; CVD) verwendet wurden. Der thermische Dissoziationsprozess bei CVD unterscheidet sich jedoch grundsätzlich von der Elektronen-induzierten Zersetzung bei FEBID. Um die Reinheit der Deponate bei FEBID zu optimieren, ist daher ein besseres Verständnis der chemischen Vorgänge während der Abscheidung notwendig. Ziel dabei ist, geeignete Präkursoren auszuwählen oder thermische Effekte besser zu kontrollieren. Um optimale Präkursoren für die Abscheidung von Ag mit FEBID zu identifizieren, beschäftigte sich diese Arbeit mit dem Elektronen-induzierten Zersetzungsverhalten von Ag(I)-Komplexen, insbesondere mit der Verbindungsklasse der Carboxylate. Dazu wurden Ag(I)-Komplexe auf eine Goldoberfläche sublimiert und mit Elektronen bestrahlt. Elektronen-stimulierte Desorptions- (ESD) und Reflexions-Absorptions-Infrarotspektroskopie- (RAIRS) Experimente an den Sublimaten in Kombination mit Berechnungen der mittleren lokalen Ionisationsenergie (Average Local Ionization Energy; ALIE) liefern ein umfassendes Bild über die Effizienz der Elektronen-induzierten Zersetzung. Insbesondere aliphatische Carboxylate, wie Ag(I)-2,2-dimethylbutanoat, werden mit hoher Effizienz abgebaut, indem sie zu CO2 und einem Alkylradikal, das sich nachfolgend zum Alken umlagert, dissoziieren. Im Gegensatz dazu ist die Ionisation an CC-Doppel- oder -Dreifachbindungen, wie bei Ag(I)-benzoat und Ag(I)-3,3-dimethyl-1-butinyl begünstigt, sodass eine Dissoziation am Carboxylat unterdrückt wird. Die Ergebnisse liefern wichtige Anhaltspunkte für das Design neuer, effizienter FEBID-Präkursoren. Auch thermische Effekte, wie sie innerhalb dieser Arbeit mit dem Ziel der Kontrolle autokatalytischer Reaktionen von Fe(CO)5 untersucht werden, spielen eine Rolle im FEBID-Prozess, da sie das räumliche Wachstum der Abscheidung beeinflussen. Daher wurden Fe-Deponate aus Fe(CO)5 hergestellt und das autokatalytische Wachstum von Fe untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass NH3 das autokatalytische Wachstum verlangsamt, insbesondere wenn das NH3 auf sauerstoff- und kohlenstoffverunreinigten Fe-Abscheidungen adsorbiert wird. Das adsorbierte NH3 kann außerdem durch Elektronenbestrahlung von der Oberfläche entfernt werden, wodurch die Oberfläche für weiteres autokatalytisches Wachstum reaktiviert wird. Dabei konnte keine Nitridbildung festgestellt werden. Diese Erkenntnisse eröffnen vielversprechende Perspektiven für die Optimierung des FEBID-Prozesses. Sie könnten potentiell genutzt werden, um durch simultanes Zudosieren von NH3 während FEBID von Fe(CO)5 ungewünschtes autokatalytisches Wachstum von Fe zu unterdrücken und somit den Abscheidungsprozess zu verbessern.