Strukturelle Charakterisierung und Optimierung der Beugungseigenschaften von Si 1-x Ge x -Gradientenkristallen, die aus der Gasphase gezogen wurden

Liß, Klaus-Dieter

doi:urn:nbn:de:hbz:82-opus-2227

Strukturelle Charakterisierung und Optimierung der Beugungseigenschaften von Si 1-x Ge x -Gradientenkristallen, die aus der Gasphase gezogen wurden

Liß, Klaus-Dieter (Author)

2001

Verantwortlichkeitsangabevorgelegt von Klaus-Dieter Liß

ImpressumAachen

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 1994

Urspr. ersch. als Druckausgabe, Aachen, 1994

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-opus-2227
URL: https://publications.rwth-aachen.de/record/95292/files/Liss_Klaus-Dieter.pdf

Einrichtungen

Fakultät für Mathematik, Informatik und Naturwissenschaften (100000)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Physik (frei) ; Siliciumlegierung (frei) ; Germaniumlegierung (frei) ; Mischkristall (frei) ; CVD-Verfahren (frei) ; Neutronenbeugung (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 530

Kurzfassung
Im ersten Teil der Arbeit wurden zwei theoretische Modelle zur Beschreibung der Beugungseigenschaften von Gradientenkristallen, eines im Rahmen der kinematischen Theorie, das andere auf einer Transfermatrizenmethode basierend, aufgestellt und hergeleitet. Das erste führt zu analytischen Ergebnissen, die insbesonders für eine Beschreibung der Breiten der Reflektionskurven und der Plateauoszillationen geeignet erscheint. Das zweite liefert die exakten, extinktionsbestimmten Intensitätsverteilungen. Es beschreibt durch eine Matrix die Kopplung der vorwärts- und abgebeugten Wellenfunktionen, sowie deren Propagation durch eine planparallele Kristallschicht. So können beliebige Kristallmedien, deren Eigenschaften sich entlang der Grenzflächennormalen ändern, beschrieben werden. Vom Standpunkt der Kristallzucht wurden erstmals neuartige Si1-xGex Gradientenkristalle mit 0 < x < 0,4 großflächig, mit Wachstumsraten bis zu 0,6 µm/min hergestellt. Die Schichtdicken betragen bis zu einigen 100 µm. Ihre Struktur wurde lichtmikroskopisch, elektronenmikroskopisch mit µ-Sondenanalyse und durch Beugungseigenschaften bestimmt. Letztere liefern sowohl Mosaikverteilung als auch die Aufweitung durch den Gittergradienten. Insbesonders wurde eine tetragonale Verzerrung aufgrund unterschiedlicher, thermischer Ausdehnungskoeffizienten entdeckt. Eine anisotrope Mosaikverteilung deutet auf die Anwesenheit von Fehlanpassungsversetzungen hin. Die Überprüfung der Beugungseigenschaften wurde sowohl mit Neutronen- als auch Röntgenstrahlen durchgeführt. Die verwendeten Neutronenrückstreu- und Flugzeitspektrometer, sowie die hochenergetische Röntgendreikistalldiffraktometrie zeichnen sich durch ihre hohe Impulsauflösung des reziproken Raumes aus. Die mit der Transfermatrixmethode berechneten Reflektionskurven schmiegen sich gut an die experimentellen Ergebnisse an. Mit Hinblick auf einen Neutronenmonochromator zeigen die Diffraktionsergebnisse einen bis zu 25-fachen Intensitätsgewinn gegenüber der gemessenen Auflösungsfunktion. Vergleicht man diesen Wert mit der berechneten Reflektivität perfekten Siliziums, so ergibt sich ein Faktor 40. Dabei wurden die Gradienten zugunsten der Analyse und Machbarkeitsstudie zu steil gezogen, so daß die Maximalreflektivität von 100 % noch nicht erreicht ist. Die Aufweitung des reziproken Gittervektors beträgt in diesem Beispiel das 70-fache der natürlichen Linienbreite eines Idealkristalls und wurde mit Dd/d = 1,4·10-2 bis auf das 700-fache vorangetrieben.

Two theoretical models for the description of the diffraction properties of gradient crystals have been developed, one in the framework of the kinematical theory, the other within a transfer matrix formalism based on the dynamical theory of diffraction. The former gives analytical results which are well suited to describe the widths as well the characteristic oscillations of the diffraction curves while the second delivers the exact, extinction limited intensity distributions. A matrix describes the coupling and the propagations of the forward- and the Bragg-diffracted wave functions through a plane, parallel crystal lamella. It applies for the description of any crystalline medium with changes of the diffraction properties along the direction of the surface normal. Experimentally a crystal growth technique has been set up to produce novel Si1-xGex gradient crystals with 0 < x < 0.4 on a large surface and with growth rates of up to 0.6 µm/min. Layer thicknesses of several 100 µm have been achieved. The structure has been characterized by visual microscopy, electron microscopy, micro probe analysis and by their diffraction properties. The latter deliver both, the mosaic distribution and the lattice parameter broadening due to the gradient. In particular a tetragonal distortion attributed to different thermal expansion coefficients has been discovered. The anisotrope mosaic distribution gives evidences for the existence of misfit dislocations. The reflection curves calculated by the transfer matrix method fit well the experimental results. With the application for a neutron monochromator in mind, the diffraction data show an intensity increase of 25 related to the experimental resolution function. Comparing this value with the calculated reflectivity for perfect silicon, this factor increases to 40. For compromise of feasibility, however, the gradients have been grown too rapid, such that the maximal reflectivity of 100 % has not yet been achieved. In the present example, the widening of the lattice parameter is 70 times the natural line width of ideal silicon and has been pushed with Dd/d = 1.4·10-2 to the 700 fold value.

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