Defekt-Komplexe an substitutionellen Fremdatomen in Calciumfluorid

Abstract

Calciumfluorid wird aufgrund seiner hervorragenden optischen Eigenschaften und seinem sehr hohen Schwellwert für laserverursachte Schäden als Linsenmaterial in Laserapplikationen und vor allem in der 193 nm-Mikrolithographie, zur Massenproduktion von Prozessoren, verwendet. Der Anspruch an die Homogenität des Brechungsindex und die Langzeitstabilität der CaF₂-Linsen unter intensiver Laserbestrahlung insbesondere im DUV-Bereich ist enorm. Daher werden in den sehr aufwendigen Optiken der Lithographiesysteme (Waferstepper) nur CaF₂-Einkristalle von höchster Reinheit verwendet. Dennoch ist eine Restkonzentration von Verunreinigungen, wenn auch in äußerst geringem Maße, in den Kristallen immer vorhanden. So können sich diese stabilisierend auf die Defekte auswirken, die durch die intensive Bestrahlung mit kurzwelligem Laserlicht kontinuierlich erzeugt werden. Im Laufe der Zeit kommt es so, z.B. durch lokale Änderungen des Brechungsindex, letztendlich zu einer Degradierung der Kristalle.<br /> Diese Arbeit beschäftigt sich mit dem Einfluss von Fremdelementen auf die Stabilisierung von Defekten in Calciumfluorid. Hierzu wurde die Methode der gestörten γ-γ-Winkelkorrelation (PAC) mit den Sonden ¹⁸¹Hf, ¹¹¹In, ¹¹⁷Cd und ⁷⁷Br angewandt. Mit dieser nuklearen Messmethode ist es möglich mittels der Hyperfeinwechselwirkung die nähere Sondenumgebung zu untersuchen. In kubischen Einkristallen wie CaF₂ wird durch das Gitter kein elektrischer Feldgradient (EFG) am Ort der Sonden erzeugt, die auftretenden Feldgradienten stehen also im direkten Zusammenhang mit Gitterdefekten. Die hier verwendeten Sonden wurden durch Ionenimplantation in die CaF₂-Einkristalle eingebracht. Das Ausheilen der dabei entstehenden Gitterschäden wurde durch ein isochrones Anlassprogramm bis zu Temperaturen von T_a = 850 °C genauer untersucht. Während die Sonden ¹¹¹In, ¹¹⁷Cd und ⁷⁷Br keine einheitlichen Defekt-Komplexe in CaF₂ ausbilden, konnten für die Sonde ¹⁸¹Hf im Verlauf der isochronen Anlassprogramme und der Messungen bei Probentemperaturen oberhalb von Raumtemperatur drei unterschiedliche Sonden-Defekt-Komplexe beobachtet werden. Zusätzlich wurde für diese Sonde der Gitterplatz in CaF₂ durch RBS/C-Messungen (Rutherford Backscattering/Channeling) bestimmt.<br /> Der Anteil der Hf-Sonden, die in CaF₂ einheitliche Defekt-Komplexe ausbilden, beträgt jedoch nur 40-50%. Die restlichen Sonden befinden sich in einer vollständig gestörten Sondenumgebung, die hier der Bildung von Ca-Ausscheidungen zugeordnet wird. Die PAC-Sonde ¹⁸¹Hf zeigt unter keiner Messbedingung einen ungestörten Sondenanteil, wie er für ein substitutionell eingebautes Hafniumion in einem kubischen Gitter zu erwarten wäre. Hafnium stellt in Calciumfluorid somit eine effektive Falle für andere Defekte dar. Weiterhin wurde der Einfluss von UV- und Röntgenstrahlung sowie der Einfluss von Sauerstoff und Wasserstoff auf die gebildeten Defekt-Komplexe untersucht.