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Strain and lattice distortion in semiconductor structures : a synchrotron radiation study

  • Die Arbeit stellt neu entwickelte Röntgenbeugungsmethoden vor, mit deren Hilfe der Verzerrungszustand des Kristallgitters von Halbleiter-Wafern und -Bauteilen im Detail charakterisiert werden kann. Hierzu werden die aussergewöhnlichen Eigenschaften der an modernen Synchrotrons wie der ESRF (Grenoble) verfügbaren Röntgenstrahlung genutzt. Im ersten Teil der Arbeit werden Röntgen-Diffraktometrie und -Topographie zu einer Untersuchungsmethode kombiniert, mit der die makroskopische Krümmung von Halbleiter-Wafern ebenso wie ihre mikroskopische Defektstruktur abgebildet werden kann. Der zweite Teil ist der Untersuchung von epitaktisch gewachsenen und geätzten Oberflächengittern mit Abmessungen im Submikrometer-Bereich gewidmet. Die unterschiedlichen Gitterkonstanten der beteiligten Halbleitermaterialien führen zu einem inhomogenen Verzerrungsfeld in der Probe, das sich im Röntgenbild durch eine charakteristische Verformung des Beugungsmusters in der Umgebung der Bragg-Reflexe äussert. Die Analyse der experimentell gemessenen BeugungsmusterDie Arbeit stellt neu entwickelte Röntgenbeugungsmethoden vor, mit deren Hilfe der Verzerrungszustand des Kristallgitters von Halbleiter-Wafern und -Bauteilen im Detail charakterisiert werden kann. Hierzu werden die aussergewöhnlichen Eigenschaften der an modernen Synchrotrons wie der ESRF (Grenoble) verfügbaren Röntgenstrahlung genutzt. Im ersten Teil der Arbeit werden Röntgen-Diffraktometrie und -Topographie zu einer Untersuchungsmethode kombiniert, mit der die makroskopische Krümmung von Halbleiter-Wafern ebenso wie ihre mikroskopische Defektstruktur abgebildet werden kann. Der zweite Teil ist der Untersuchung von epitaktisch gewachsenen und geätzten Oberflächengittern mit Abmessungen im Submikrometer-Bereich gewidmet. Die unterschiedlichen Gitterkonstanten der beteiligten Halbleitermaterialien führen zu einem inhomogenen Verzerrungsfeld in der Probe, das sich im Röntgenbild durch eine charakteristische Verformung des Beugungsmusters in der Umgebung der Bragg-Reflexe äussert. Die Analyse der experimentell gemessenen Beugungsmuster geschieht mit Hilfe eines neu entwickelten Simulationsverfahrens, das Elastizitätstheorie und eine semi-kinematische Röntgenbeugungstheorie miteinander verbindet. Durch quantitativen Vergleich der Simulationsergebnisse mit den Messdaten kann auf den genauen Verlauf des Verzerrungsfeldes in den Proben zurückgeschlossen werden. Dieses Verfahren wird erfolgreich auf verschiedene Halbleiter-Probensysteme angewendet, und schliesslich auch auf die Untersuchung von akustischen Oberflächenwellen in Halbleiterkristallen übertragen.show moreshow less
  • This thesis presents newly developed X-ray methods which can be used to characterize in detail the state of distortion of the crystal lattice in semiconductor wafers, devices and nanostructures. The methods use the extraordinary properties of the X-rays available from modern synchrotron sources such as the ESRF (Grenoble). In the first part of the thesis, X-ray diffractometry and X-ray topography are combined into a new method, called X-ray rocking curve imaging, which allows to image the macroscopic curvature of semiconductor wafers as well as the underlying microscopic defect structure. The second part of the thesis deals with the investigation of epitaxially grown and subsequently etched semiconductor gratings with lateral periods below the micrometer. The lattice mismatch between the different materials used in heteroepitaxy leads to a non-uniform strain field in the sample, which is reflected in a characteristic distortion of the X-ray diffraction pattern around each Bragg peak. The experimental data are evaluated with the helpThis thesis presents newly developed X-ray methods which can be used to characterize in detail the state of distortion of the crystal lattice in semiconductor wafers, devices and nanostructures. The methods use the extraordinary properties of the X-rays available from modern synchrotron sources such as the ESRF (Grenoble). In the first part of the thesis, X-ray diffractometry and X-ray topography are combined into a new method, called X-ray rocking curve imaging, which allows to image the macroscopic curvature of semiconductor wafers as well as the underlying microscopic defect structure. The second part of the thesis deals with the investigation of epitaxially grown and subsequently etched semiconductor gratings with lateral periods below the micrometer. The lattice mismatch between the different materials used in heteroepitaxy leads to a non-uniform strain field in the sample, which is reflected in a characteristic distortion of the X-ray diffraction pattern around each Bragg peak. The experimental data are evaluated with the help of a newly developed simulation procedure which combines elasticity theory with a semi-kinematical theory of X-ray diffraction. From a quantitative comparison of measured and simulated data the detailed shape of the strain field in the samples can be deduced. This procedure is used successfully for the structural characterization of different types of semiconductor gratings, and is finally applied also to the investigation of surface acoustic waves in crystals.show moreshow less

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Metadaten
Author:Daniel Lübbert
URN:urn:nbn:de:kobv:517-0000195
Advisor:Werner Press, Michael Schlenker, Ullrich Pietsch
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:1999
Publishing Institution:Universität Potsdam
Granting Institution:Universität Potsdam
Date of final exam:2000/03/17
Release Date:2005/02/04
Tag:finite element method; lattice distortion; semiconductor gratings; simulation of reciprocal space maps; strain fields; surf; wafers; x-ray diffraction
GND Keyword:Halbleiter / Kristallgitter / Verzerrung / Röntgenbeugung / Synchrotronstrahlung
RVK - Regensburg Classification:UP 1080
Organizational units:Mathematisch-Naturwissenschaftliche Fakultät / Institut für Physik und Astronomie
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 53 Physik / 530 Physik