Klassifikation: 33.68 Oberflächen, Dünne Schichten, Grenzflächen

Schlagwörter: Röntgen-Photoelektronenspektroskopie, Grenzflächen, dünne Schichten, Siliziumdioxid, selbstanordnende Monolagen

Die technologisch relevanten Schichtsysteme SiO₂/Si(001), SiO₂/SiC(0001)-4H sowie Thiolate auf Au wurden mit hochenergetischer Röntgen-Photoemissionsspektroskopie untersucht. Diese neue Methode liefert Information über lokale elektronische Eigenschaften auch vergrabener Schichten, die ansonsten der Elektronenspektroskopie nicht zugänglich sind. Damit wird ein ergänzender Beitrag zum mikroskopischen Verständnis der hier untersuchten vergrabenen Grenzschichten erarbeitet.

Mit Anregungsenergien der Synchrotronstrahlung von 2.5 bis 5.5 keV wird in SiO₂ eine große Elektronenausdringtiefe von bis zu 20 nm erreicht, die mittels Variation von Photonenenergie, streifendem Elektronenabnahmewinkel oder streifendem Photoneneinfallswinkel im Bereich externer Totalreflexion zur chemischen Tiefenprofilierung ausgenutzt wird. Die für Photoemissionsmessungen hohe Photonenenergie bietet zudem einen Zugang zur lokalen elektronischen Struktur der vergrabenen Grenzflächen. Aufeinanderfolgende Messung der Si 1s und Si 2p Rumpfniveaus sowie dem Si KL_2,3L_2,3 Auger-Übergang, der beide Niveaus beinhaltet, ermöglicht die Trennung extra-atomarer Relaxationsbeiträge im Endzustand der Photoemission von den gemessenen Si 2p Bindungenergien. Somit kann allein aus experimentellen Größen auf die chemische Verschiebung des Ausgangszustandes geschlossen werden.

Die selbstanordnenden Monolagen von Thiolen auf Au bieten eine interessante Möglichkeit zur gezielten Einstellung chemischer und elektronischer Eigenschaften von Oberflächen, und sie besitzen daher ein großes Anwendungspotential. Bei den zur Charakterisierung eingesetzten Messverfahren mit Elektronen und Röntgenstrahlen werden diese Schichten in ihrer chemischen Ordnung durch den Strahlungseinfluss verändert. Der Umwandlungsprozess wird auch hier beobachtet und quantitativ analysiert. Für eine umgewandelte Alkanthiolat-Schicht wird ein chemisches Tiefenprofil des Schwefels mit hochenergetischer Röntgen-Photoemission im Bereich externer Totalreflexion erstellt. Aus der Intensitätsvariation als Funktion des Photoneneinfallswinkels wird geschlossen, dass die umgewandelte S-Spezies nicht in Grenzflächennähe verbleibt, sondern eine exponentielle Dichteverteilung über den gesamten Film einnimmt.

An den Grenzschichtsystemen SiO₂/Si und SiO₂/SiC wird die Bindungsenergieverschiebung der Si⁴⁺-Komponenten gegenüber der Bindungsenergie der Si Linien des Substrats untersucht. Es konnte gezeigt werden, dass die für Si(001) schon seit langer Zeit bekannte, und für SiC(0001)-4H ebenfalls beobachtete Si 2p Bindungsenergieverschiebung als Funktion der Oxidschichtdicke durch einen extra-atomaren Effekt verursacht wird. Die chemische Verschiebung des Ausgangszustandes bleibt hingegen in beiden Grenzschicht-Systemen konstant. Die Messergebnisse werden mit einer ab initio Rechnung verglichen. Das derzeit in der Literatur favorisierte Erklärungsmodell der Abschirmung des Photoemissions-Endzustandes durch Bildladungen wird diskutiert. Die aus diesem Modell folgenden Bindungsenergieverschiebungen können die hier gewonnenen experimentellen Ergebnisse zwar qualitativ, aber nicht quantitativ erklären. Auf dem Weg, eine Aussage über die chemische Verschiebung treffen zu können, sind Einflüsse der Lokalisierung von Ladungen im SiO₂ und Bandverbiegungseffekte tiefenabhängig untersucht worden, die auch technisch wichtige Fragen der Qualität elektronischer Bauteile berühren.

The use of synchrotron radiation in the energy range from 2.5 to 5.5 keV results in electron escape depths of up to 20 nm in SiO₂. Variation of the photon energy, the grazing electron exit angle or the grazing photon incidence angle near the critical angle of total external reflection can be used for non-destructive chemical sensitive depth profiling. At such comparatively high photon energies, deep bound core levels can be excited, such as the Si 1s level. Measurement of the Si 1s, Si 2p and the Si KL_2,3L_2,3 Auger transitions enables the separation of extra-atomic final state relaxation effects in the photoemission process from the measured Si 2p binding energy shift. The experimental data only enable the chemical shift of the initial state to be determined uniquely.

Self-assembled monolayers of thiols on Au provide a convenient method for tayloring the chemical and electronic properties of surfaces and are therefore interesting for a large number of applications. Unfortunately they are sensitive to electrons and X-rays and may change their chemical state. This transformation process is quantified here and a chemical depth profile of sulfur is presented, obtained with high-energy X-ray photoemission spectroscopy at grazing incidence angles. Contrary to the prediction of previous models, the transformed S-species is distributed over the entire irradiated volume of the alkane thiol film with an exponential concentration profile.

The binding energy shift of the most oxidised Si-species relative to the bulk Si photoemission has been investigated as a function of the oxide thickness in the systems SiO₂/Si and SiO₂/SiC. This shift is well known for the Si 2p level in Si(001) and has been observed also for SiC(0001)-4H. The new measurements reveal that the 2p shift is due to an extra-atomic final-state relaxation effect and that the chemical shift in the initial state is not oxide thickness dependent. The new results show that the currently accepted model which also introduces final state screening due to image charges at the interfaces does not account for the observed behaviour. With high-energy X-ray photoemission depth-dependent studies on chemical shifts, charge localization and band banding near buried interfaces becomes possible.

Thorsten Eickhoff, November 2002