Billard mit Atomen: Physik mit schnellen Ionen Prof. Dr. Wolfhard Möller TECHNISCHE UNIVERSITÄT...

Billard mit Atomen:Billard mit Atomen:Physik mit schnellen IonenPhysik mit schnellen Ionen

Prof. Dr. Wolfhard Möller

TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN

FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF

PHYSIK AM SAMSTAG

9. Dezember 2000

samstag.physik.tu-dresden.de

anschließend:

Mill-Ionen-PreisspielMill-Ionen-Preisspiel

!!

!!

Was sind Ionen ?Was sind Ionen ?

Atom

Elektronen-Anlagerung

--

-

.

+

++

50...300 pm

1,5...20 fm

1 Pikometer (pm) = 10-

12 m 1 Femtometer (fm) = 10-15 m

x 30 000

--

-

+++-

-

-

+++

-

-

-

+++

-Negatives Ion

Positives Ion

Ionisierung

Spezielle Ionen:

-

-+

Negatives Wasserstoff- Ion (H-)

+Positives Wasserstoff- Ion = Proton (H+; p)

++

Zweifach positives Helium-Ion = -Teilchen (He2+; )

Geladene Atome

!!

!!

Anzahl der Protonen =

Ordnungszahl

!!

Wie erzeugt man Ionen ?Wie erzeugt man Ionen ?

Stoß mit schnellem Elektron

--

-

+++

-

Gasentladungs-Plasma

-

-

-

+++

-e-

e-

e-

+

+

+

+

+

+

+

++

Elektrische Leistung

(z.B. Mikrowelle)

Verdünntes Gas

(Vakuum ca. 10-3

mbar)

Plasma: Der vierte Aggregatzustand der Materie

gasförmig

+

+

flüssigfest Plasma

Temperatur der Elektronen:

> 10 000 oC

!!

Wie beschleunigt man Wie beschleunigt man Ionen ?Ionen ?

Ionenquelle

+ -

Target

Spannungsversorgung

U

d

d

UE Elektrische

s Feld

amEqF Kraft im Elektrisches Feld

q: Ionenladung a: Beschleunigung m: IonenmasseUq

2

mE 2kin Kinetische

Endenergiev: Geschwindigkeit

Beispiel: 1-fach geladenes Ion:

q = e = 1,6·10-19 As (Elementarladung); U = 1,5 V

Ekin = 2,4·10-19 Ws = 1,5 eV

Ein Ion erhält eine Energie von 1 eV, wenn es eine Spannung von 1 V

durchläuft

m

Uq2 Ionen-

GeschwindigkeitBeispiel: Proton (H+):

Ekin = 1 eV entspricht v = 13 km/s

Vakuum < 10-3

mbar

!!

Wie bringt man Ionen ans Wie bringt man Ionen ans Ziel ?Ziel ?

Ablenkung im elektrischen Feld (Zylinderkondensator)

s

qVF

r

mF elektr

2

zentr

Gleichgewicht der Kräfte

V

s

q

E2r kin Krümmungsrad

ius

-

+

r

-+ -

Fzentr

Felektr

sV

Ablenkung im magnetischen Feld

BqFr

mF magn

2

zentr

Gleichgewicht der Kräfte

B

1

q

mE2r kin Krümmungsrad

ius

r

-Fzentr

Fmag

n

N

S

B

FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORFInstitut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung

Ionen-Implantationsanlage Ionen-Implantationsanlage (“Implanter”)(“Implanter”)

( ~ 20 ... 500 keV )( ~ 20 ... 500 keV )

FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORFInstitut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung

Elektrostatischer “Tandem”-Elektrostatischer “Tandem”-Beschleuniger Beschleuniger

Ionenenergie

q Ionenladung

beschlbeschl qeUeUE

Quelle für negative Ionen

Analysier-Magnet

Ubeschl

Injektor-Magnet

Hochspannungselektrode mit Umladungseinrichtung

beschleU1q

Ionenbeschuß von Ionenbeschuß von FestkörpernFestkörpern

Kristallstruktur 3D (z.B. Nickel)

Schnitt 2D (2D-Modell)

+

OberflächeAtomrümpfe

Bindungselektronen

(“Elektronengas”)

ca. 0,25 nm

Ionen-Oberflächen-Ionen-Oberflächen-WechselwirkungWechselwirkung

+

Tel

Tel

Einel

Zwei Mechanismen des Energieverlustes:

Elastische Stöße mit den Atomrümpfen (Energieübertrag Tel) “Reibung” an den Elektronen (Energieverlust Einel)

Keine Richtungsänderung !

Ionenbahn im Festkörper: Folge von Zweierstößen mit den Atomrümpfen (falls Ekin > 10 eV)

Reichweite

Abbremszeit: ca. 0,1 ps = 10-13 s

!!

!!

!!

1 10 102103 104 105

Energy (keV)

1

10

1000

10000

Reic

hw

eit

e

(nm

)

100000

100

Ge+ SiO2

Si+ SiO2

1 102 104106

Energy (keV)

0

5

Bre

msu

ng

(k

eV

/nm

)10

Ge+ Si

Elektronen

Total

Atomrümpfe

Ionen-Bremsung und -Ionen-Bremsung und -ReichweiteReichweite

! Reichweite (nm) Energy (keV) !

!!

Billard - Billard - ModellversuchModellversuch

+

Idealisierung: Kraft zwischen zwei Atomen (oder zwischen Ion und Atom)

d

2r

Wech

selw

irku

ng

s -

Kra

ft

0 2r

0

0

Abstand d

Billard-Modell

Harte Kugeln

Reale Atome

Abstoßung der Atomkerne

Ruhelage

+

Reichweite

Computer-Simulation von Computer-Simulation von IonenbahnenIonenbahnen

Wech

selw

irku

ng

s-K

raft

0

0

AbstandReale Atome

Abstoßung der Atomkerne

Zweierstoß-Näherung

Viele Ionenbahnen nacheinander mit verschiedenen Stoßvorgängen (“Monte-Carlo-Simulation”)

Statistische Auswertung

!!

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

Tiefe (m)

Einschuß

Ob

erfl

äch

eComputer-Simulation von Computer-Simulation von IonenbahnenIonenbahnen

Stickstoff-Ionen eingeschossen in Eisen

Energie: 1 MeV

+

Mikroelektronik in Mikroelektronik in DresdenDresden

Ionen zur Halbleiter-Ionen zur Halbleiter-AktivierungAktivierung

p-type substrate with a thin epitaxial layer N-well and p-well high-energy implants and anneal

Isolation-trench etch and channel-stop implants Trench fill, etch-back, and threshold adjust implants

Gate oxidation, gate poly deposition, and gate poly etch Shallow source/drain extension implants and tilted halo implants

Sidewall spacer formation Deep source/drain implants

Salicidation First intermetal oxide deposition

Contact hole etch, contact hole fill, metal1 deposition, and metal1 etch

!!

Strahlenschäden Strahlenschäden durch atomare durch atomare

StößeStöße

0,01...10 m

Dauer einer Stoßkaskade: etwa 10-13 s

!!

Ionen - ChannelingIonen - Channeling

+

Blick in Kristallrichtung Kristall rotiert

Größere Reichweite

Weniger Strahlenschäden(da nur schwache Stöße

mit kleinen Winkelablenkungen)

!!

Ionenzerstäubung Ionenzerstäubung (Sputtern)(Sputtern)

Oberflächenatom erhält aus der Stoßkaskade genügend Energie, um zu “verdampfen”, d.h. Bindungsenergie an der Oberfläche zu überwinden

i

zz N

NY

Zerstäubungs- Ausbeute

Nz: Anzahl der zerstäubten Atome

Ni: Anzahl der einfallenden Ionen

Ionenenergie (keV)

0,01 0,1 1 10 100 10000

0,5

1

1,5

Zers

täu

bu

ng

sau

sb

eu

te!!

Molekulardynamische Computer-Molekulardynamische Computer-Simulation Simulation

Realistische Kräfte zwischen Atomen und Ionen

Simultane Lösung der Newton’schen Bewegungsgleichung für alle Teilchen (i=1...N+1)

jatome

Nachbarijiii FFxm

N Gitteratome

Fij: Kraft, mit der das

Nachbaratom j auf das Atom i wirkt

Lösung in Zeitschritten: ca. 0,1 fs = 10-16 s

Auch für sehr kleine Energien (<< 1 eV) anwendbar

Thermische Schwingungen können berücksichtigt werden (Ekin 25 meV bei Raumtemperatur)

Molekulardynamische Computer-Molekulardynamische Computer-Simulation der Ionenzerstäubung Simulation der Ionenzerstäubung

Einschuß-richtung

Ein Argon-Ion eingeschossen in einen Kupferkristall bei tiefer Temperatur (100 Kelvin)

Energie 1 keV

Bild zur Zeit 0,36 ps nach Ioneneinschlag

Farbskala: Temperatur der Atome dividiert durch die Schmelztemperatur von Kupferca. Schmelztemperatur (1357 Kelvin)

oberhalbSchmelztemperatur

+

Zerstäubte Kupferatome

Zerstäubung (Sputtern) für Zerstäubung (Sputtern) für BeschichtungsprozesseBeschichtungsprozesse

S SN

+ +

~ Hochfrequenz

Magnet

Target

PlasmaIonen

Targetatome

Beschichtung

Substrat (z.B.Flachglas)

“Magnetron”-

Sputtern

!!

Das PreisspielDas Preisspiel

... ... um 11.30um 11.30 hierhier

Spaß für alle

Wertvolle Preise (für wenige)

Man kann noch etwas lernen

PHYSIK AM SAMSTAG

TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN

FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF

Ein DankeschönEin Dankeschön

...an alle Beteiligten...an alle Beteiligten

W. Keller (Organisation)

PHYSIK AM SAMSTAG

TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN

FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF

T.Mahler, F.Radtke (Hörsaal)

D.Kost, H.Tyrroff (Billard)

A.Kolitsch, C.Neelmeijer (Mill-Ionen-Spiel)