Adsorbat-modifiziertes Wachstum ultradünner Seltenerdoxid ... - E-LIB

4 Strukturelle und chemische Zusammensetzung von Seltenerdoxid-Filmen
auf Si(111)
werden, der 1,8 % größer ist als der vertikale O 0,75 -Ce-O 0,75 Trilagenabstand für Ceroxid
in der Volumen-Bixbyit-Kristallstrukter (vgl. Tab. 4.8). Der mittlere reziproke
Abstand der Periodizität der Schichtdickenoszillationen (fringes) der gebeugten Intensität
ergibt eine kristalline Schichtdicke des Ceroxid-Films von 5,1 nm.
Die quantitative Anpassung der XRD-Daten (durchgezogene Linie in Abb. 4.43 (a))
wurde von der AG Wollschläger (Universität Osnabrück) nach der kinematischen
Beugungstheorie durchgeführt und berücksichtigt eine Phasenverschiebung zwischen
den gebeugten Wellen des kristallinen Ceroxid-Films und des Silizium-Substrats aufgrund
einer eventuell vorhandenen amorphen Schicht an der Grenzfläche. Diese führt
aufgrund von Interferenzeffekten zu einer Asymmetrie des Ceroxid-Bragg-Peaks und
einer generellen Modulation der Intensitätsoszillationen [179]. Es ergibt sich aus der
Anpassung eine amorphe Grenzflächenschicht von 1,7 nm.
Untermauert wird die XRD-Analyse durch die XRR-Untersuchung des Ceroxid-
Films in Abb. 4.43 (b). Die Anpassung der Daten wurde erneut von der AG Wollschläger
vorgenommen. Um die Oszillationen im XRR-Signal anzupassen, wurden
die folgenden drei Schichten angenommen: 30 nm Silizium-Schutzschicht, 4,8 nm Ceroxid
und 1,4 nm Silikat. Die dünnste Schicht führt dabei zu der langsamsten Oszillation,
die von den schnelleren Oszillationen der dickeren Schichten überlagert wird.
Sowohl die XRR- als auch die XRD-Analyse zeigen einen erheblichen Anteil der
amorphen Grenzflächenschicht an der Gesamtschichtdicke des Ceroxid-Films.
Diese amorphe Schicht an der Grenzfläche kann durch das Wachstum von Ceroxid
auf Chlor-passiviertem Cl/Si(111)-(1 × 1) drastisch reduziert werden, wie die
quantitative XRD-Analyse des (00l)-CTRs in der Nähe von l = 1 für die Präparationsbedingungen
(1-Cl) in Abb. 4.44 im Vergleich zur XRR-Analyse (Daten nicht
gezeigt) im Folgenden belegt. Aus der theoretischen Anpassung des (00l)-CTRs der
AG Wollschläger ergibt sich für die vertikale Gitterkonstante ein Wert von 3,27 Å
und eine kristalline Schichtdicke von 5,9 nm. Vergleicht man die kristalline Schichtdicke
mit der aus XRR bestimmten Gesamtschichtdicke des Ceroxid-Films von 6,1 nm,
so stimmen die Schichtdicken im Bereich des Fehlers überein. Daraus kann gefolgert
werden, dass eine amorphe Grenzfläche durch die Chlor-Passivierung erfolgreich unterdrückt
wird.
Die vertikale Gitterkonstante stimmt im Rahmen des Fehlers mit dem Wert für
(1) überein. Somit hat die Chlor-Passivierung bei einem Sauerstoffhintergrunddruck
von p O2 = 1 × 10 −7 mbar keinen Einfluss auf die vertikale Gitterkonstante. Berechnet
man mit Hilfe der Elastizitätstheorie [103] und der elastischen Konstanten für
voll oxidiertes CeO 2 [104] (wie bereits in Abschnitt 4.2.2) die vertikale Gitterkonstante
der Bixbyit-Kristallstruktur unter Berücksichtigung der in Abschnitt 4.5.2.4
bestimmten lateralen Verspannung des Ceroxid-Films, so ergibt sich ein Wert von
(3,30 ± 0,01) Å. Da die hexagonale Ce 2 O 3 -Phase nicht beobachtet wird, wie später
mit Hilfe von GIXRD gezeigt wird, ist aufgrund der großen vertikalen Gitterkonstante
zusammen mit dem für die Schichtdicke und für die Präparationsbedingungen
zu erwartenden sehr niedrigen Oxidationszustand zunächst davon auszugehen,
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