Titelaufnahme

Titel
Investigation of the effects of water and temperature on the adsorption of alkylsiloxane self-assembled monolayers on silicon / Andreas Glaser
VerfasserGlaser, Andreas
Begutachter / BegutachterinFriedbacher, Gernot ; Hoffmann, Helmuth
Erschienen2005
Umfang86 Bl. : Ill., graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Diss., 2005
Anmerkung
Zsfassung in dt. Sprache
SpracheEnglisch
Bibl. ReferenzOeBB
DokumenttypDissertation
Schlagwörter (GND)Silicium / Alkylsilane / Monoschicht / Selbstorganisation / Adsorption / Wasser / Temperatur
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-20509 Persistent Identifier (URN)
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Investigation of the effects of water and temperature on the adsorption of alkylsiloxane self-assembled monolayers on silicon [3.81 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Molekulare Selbstorganisation ist ein wichtiges Phänomen in der Natur. Aufgrund der spontanen Bildung von organisierten Monolagen-Filmen auf verschiedenen Oberflächen gerieten Alkylsilane ins Blickfeld der Oberflächentechnologie und der Analytik. Man fand, dass das Wachstumsverhalten von selbstorganisierten Filmen stark von verschiedenen Prozessparametern abhängt. Im Zuge dieser Arbeit wurde die Adsorption von Octadecyltrichlorsilan (OTS) aus Toluol hinsichtlich des Einflusses der Wasserkonzentration des Lösungsmittels und der Abscheidetemperatur untersucht. Es zeigte sich, dass die Wachstumskinetik sowie Größe und Form der gefundenen Strukturen stark von diesen beiden Parametern abhängt. Die Morphologie der Submonolagenfilme wurde mit der Rasterkraftmikroskopie (atomic force microscopy - AFM) untersucht. Die Ermittlung von Oberflächenbedeckungen erfolgte sowohl durch Ellipsometrie als auch durch quantitative Auswertung von AFM-Bildern.

Die reproduzierbare Herstellung von Toluol mit Wasserkonzentrationen im unteren mmol/L-Bereich, eine essentielle Voraussetzung für die angesprochenen Studien, stellte sich als schwierig heraus, weil aufgrund der temperaturabhängigen Löslichkeit von Wasser in Toluol keine stabilen Stammlösungen von wassergesättigtem Toluol hergestellt werden konnten.

Deshalb wurde der Wassergehalt durch direktes Dotieren mit reinem Wasser eingestellt. Die Optimierung dieses Verfahrens war die Grundlage für eine Serie von Adsorptionsexperimenten, bei denen der Einfluss der Wasserkonzentration auf die Abscheidekinetik und die Filmstruktur untersucht wurde. Diese Arbeit zeigt, wie der Wassergehalt verwendet werden kann, um das Wachstum von selbstorganisierten Monofilmen zu kontrollieren.

Die Entwicklung einer Temperaturkontrolleinheit war die Basis für einen weiteren Teil dieser Arbeit, in dem die Temperatur als Parameter für die Wachstumskinetik und auftretende Inselstrukturen untersucht wurde. Es stellte sich heraus, dass die Octadecylsiloxan (ODS) - Inselgrößen mit zunehmender Temperatur kleiner wurden. Außerdem existiert eine charakteristische Temperatur über der zunehmend ungeordnetes Wachstum stattfindet. Bei geringen Temperaturen (5 - 10C) findet man neben den für das selbstorganisierte Wachstum von ODS-Filmen typischen größeren, fraktal geformten Inseln auch kleinere kreisförmige Inseln. Die Ergebnisse geben zu erkennen, dass diese kleinen, kreisförmigen Strukturen von geordneten Aggregaten in der Adsorptionslösung stammen, und dass sie Ausgangsmaterial für die Bildung größerer Inseln sind. Sie können allerdings nur bei niedrigen Temperaturen beobachtet werden, da sie bei Raumtemperatur wegen der hohen Oberflächenmobilität schnell zu größeren Einheiten zusammenwachsen.

Schließlich wurde das Wechselspiel zwischen Temperatur und Wasserkonzentration untersucht. Dazu wurde die Größenverteilung von Spezies in der Ausgangslösung mit dynamischer Lichtstreuung studiert, was eine unimodale Größenverteilung von hochgeordneten Aggregaten in Lösung mit einem hydrodynamischen Radius von 200 nm ergab, unabhängig von Temperatur und Wasserkonzentration. Die Bildung dieser Aggregate erfolgte jedoch bei höheren Wassergehalten und geringen Temperaturen schneller. Weiters wurde auch hier eine charakteristische Temperatur gefunden, die bei größeren Wasserkonzentrationen höher ist, über der derartige Aggregate nicht mehr detektiert werden konnten. Unter dieser Temperatur wurde ein Anstieg der Aggregatkonzentration beobachtet, der etwa 5C unterhalb der charakteristischen Temperatur in einem Plateau konstanter Aggregatkonzentration endet. AFM- und Ellipsometrie-Messungen der korrespondierenden Submonolagenfilme zeigten, dass dieser Temperaturbereich mit einem Übergang von langsamem, homogenem Wachstum zu schnellem Inselwachstum in Zusammenhang steht. Die Resultate wurden hinsichtlich Diffusions- bzw. Adsorptionslimitierung des Abscheideprozesses diskutiert.

Zusammenfassend kann gesagt werden, dass der Wachstumsmechanismus von Octadecylsiloxanmonofilmen stark von der Wasserkonzentration und der Temperatur des Lösungsmittels beeinflusst wird, und dass diese beiden Parameter nicht getrennt von einander betrachtet werden können. Für jede definierte Wasserkonzentration entscheidet die Temperatur, ob diffusions- oder adsorptionslimitiertes Wachstum vorherrscht, und ob hoch-geordnetes oder homogenes Wachstum auftritt. Schließlich haben die Ordnungsprozesse in der Lösung vor dem Eintauchen des Wafers einen entscheidenden Einfluss auf die Eigenschaften der erhaltenen Filme.

Zusammenfassung (Englisch)

Molecular self-assembly is an important phenomenon in nature.

Spontaneous formation of organized monolayer films on various surfaces let alkylsilanes come to the fore in surface technology and analytics.

The growth behavior of self-assembled monolayer films has been found to strongly depend on various parameters. In this work the adsorption of octadecyltrichlorosilane (OTS) from toluene was investigated with respect to the influence of the water concentration of the solvent and the deposition temperature. It has been found that growth kinetics, size, and shape of the obtained structures strongly depend on these parameters. The morphology of sub-monolayer films has been investigated by atomic force microscopy (AFM). The surface coverages have been determined both with ellipsometry and through quantitative evaluation of AFM images. In order to obtain reproducible results, preparation of toluene with water concentrations in the lower mmol/L-range was necessary, which turned out to be non-trivial. Due to the temperature-dependent solubility of water in toluene stable stock solutions of water-saturated toluene cannot be prepared, and therefore the adjustment of the water content was alternatively achieved by direct doping with pure water.

Optimization of this procedure was the basis for a series of deposition experiments, studying the influence of the water concentration on deposition kinetics and film structure. The thesis shows how the water content can be utilized to control the growth of self-assembled monolayer films.

The development of a temperature control unit was the basis for a further part of this work, studying the temperature as parameter for growth kinetics and resulting island structure. It has been found that octadecylsiloxane (ODS) island sizes decrease with increasing temperature. Secondly, a characteristic temperature exists, above which increasingly disordered growth takes place. At low temperatures(5 - 10C) smaller dot-like features are observed besides larger fractally shaped islands characteristic for self-assembly growth of ODS films. The results indicate that these small circular features originate from ordered aggregates in the adsorption solution and that they are the precursors for the formation of larger islands. However, they can only be observed at low temperatures, because at room temperature they coalesce quickly to larger units due to the high surface mobility.

Finally, the influence of the interplay of the temperature and the water concentration has been investigated. The size distribution of species in the precursor solution has been studied with dynamic light scattering which revealed a unimodal size distribution of ordered aggregates in solution with a hydrodynamic radius of 200 nm regardless of temperature and water concentration. However, formation of these features was faster at higher water contents and lower temperatures. Moreover, again a characteristic temperature - which was higher for higher water concentrations - was found above which such aggregates could not be detected anymore. Below this temperature a distinct increase of the aggregate concentration has been observed. Approximately 5C below the characteristic temperature this increase finally ends in a plateau of constant aggregate concentration. AFM measurements and ellipsometry on the corresponding sub-monolayer films showed that this temperature range is also associated with a transition from slow homogeneous growth to fast island growth. The results are discussed in terms of diffusion- and adsorption-limitation of the deposition process.

Summarizing, it has been shown that the growth mechanism of ODS monolayers is strongly influenced by the temperature and the water concentration of the solvent and that these two parameters cannot be seen in an isolated manner. For each distinct water concentration the temperature decides whether diffusion or adsorption limited growth takes place and is also responsible for the occurrence of either ordered or homogenous growth. Moreover, the processes in the adsorption solution prior to the wafer immersion were found to very crucially influence the properties of the obtained films.