Günther Dollinger 1 Analyse mit Ionenstrahlen - Grundlagen der Analytik - Elementanalyse mit...

Günther Dollinger 1

Analyse mit Ionenstrahlen

- Grundlagen der Analytik- Elementanalyse mit Ionenstrahlen

- PIXE (Particle Induced X-Ray Emission)- Strahlenschädigung

- SIMS (Secondary Ion Mass Spectrometry)- Elementanalyse mittels elastischer Streuung:

- RBS (Rutherford BackScattering)- ERD (Elastic Recoil Detection)

- NRA (Nuklear Reaction Analysis)- Proton-Proton-Streuung:

Wasserstoffnachweis- Tiefenauflösung

- Strukturanalyse: Channeling

Günther Dollinger 2

ERD (Elastic Recoil Detection)

1 7 0 M e V I127

H , .. .. . , G aZ , M , E -A n a ly se fü r

1 0 ° 5 ° -2 0 °

Leichte Projektile (He, N, Ne, Ar): Viel RBS-gestreute im Vergleich zu ERD-Ereignissen: Folie vor Detektor: Reichweite der leichten Teilchen größer

Alternativ: Schwere Ionen: sin > M2 /M1 :

keine gestreuten Projektile

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2) Rutherford Streuung

=> Konzentrationen quantitativ

=> gleiche Sensitivität für alle leichten Elemente

3) Z,M Analyse ohne Mehrdeutigkeiten

4) Energieanalyse => Tiefenprofil

3

2

10

112

3

2

120

212

21

cos24cos

1

4

f

E

MZe

EM

MMeZZ

d

d

lab

22

,1,1

2

,1

cos21

21

P

Lab

P

Lab

P

Lab

E

V

E

V

E

V

fKorrektur für elektronische

Abschirmung der Coulombpotentiale

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E-E Spektrum: ZrO2/Al2O3 auf Si (from IMEC)

E

M2

Zr: (6.1 ± 0.2) × 1015 at/cm2

2.2 nm Zr02

Al: (3.5 ± 0.2) × 1015 at/cm2

0.83 nm Al203

O: (19.8 ± 0.4) × 1015 at/cm2

H: (5.4 ± 0.1) × 1015 at/cm2

C: (2.5 ± 0.3) × 1015 at/cm2

systematischer Fehler:

bis

0 20 40 60 80 100 1200

5

10

15

20

25

30

Zr

I ( Zr)¬

Si

Al

OC

energy [ MeV ]E + Eres

ener

gy lo

ss

E [

MeV

] 00.511.522.533.540

50100150200250300350400

H

energy [ MeV]

ener

gy lo

ss [

keV

]

I, 170 MeV

F risch g r id

an o d e

p o s itio n se n s itiv eP IN -s ilico n d io d e

ap e rtu re

ro u g h in g p u m p

fo il 1

fo il 2

g as o u tle t

g as o u tle t

ca th o d e

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ERD an 310 nm AlxGa1-xN Probe auf Al2O3

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Berechnung von Tiefenprofilen

Energiespektren für jedes Element separat ohne Mehrdeutigkeiten:

Direkte Berechnung von Tiefenprofilen möglich:

KONZERD (TU München)

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Gitterabstand versus Al-Konzentration

Elementkonzentration

mit 1 % relativer

Ganauigkeit

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TOF-E Massenanalyse

Z-Analyse nur für E2/M2 > 0.5 MeV/nukl,

Bei langsameren Ionen:

TOF-E Analyse: also Bestimmung von v und E => M2

Oder Ablenkung in magnetischem Feld

also p/q und E:

bis auf Ladungszustände Massenbestimmung eindeutig

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ERD mit „normaler“ Tiefenauflösung

- E-E Methodealle leichten bis mittelschweren Elementenotwendig sind hohe Ioneneenergien (z.B. 170 MeV I)=> Elementen-TrennungSensitivität 1 ppm, 1012 at/cm²quantitativ, (relative Fehler 5% - 10%, 1% - 2% möglich)

begrenzt durch StrahlenschadenTiefenauflösung > 5 -10 nm

- TOF-E bei niedrigeren Energien

- Wie bekommt man Tiefenauflösung < 1 nm?

- niedrigere Ionenenergie (z.B. 40 MeV Au):- Q3D Magnet-Spektrograph

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Q3D Magnet-Spektrograph

= 14.3 msr

Strahlenschädigung!

- Multipol Element:

Korrektur des

kinematischen Gangs

- Gesamt-Energieauflösung

=> Tiefenauflösung 1 nm

ion beam

quadrupole target

dipole 1

multipole dipole 2

dipole 3

focal plane

ionisation chamber

1m

)(cos)(

4 212

21

212 E

MM

MME

Au 40 MeV

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4 mal E

Z2 Bestimmung, redundant

Eges

M2 Bestimmung

Ort1 => Tiefenprofil

Winkel

Ort2

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Kinematische Korrektur

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Tiefen-Mikroskopie

Vergrößerung 108

-1 -0.50 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5050100150200250

O

energy shift E/E [ % ]

40 MeV Au

0 10 20 30 40position [cm]

cou

nts 3 nm

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Unterschiedliche Elemente

-0.5 0 0.5 1 1.5 201020304050

Al

-0.5 0 0.5 1 1.5 2050100150200250300

H

-1 -0.50 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5050100150200250

O

energy shift E/E [ % ]

yiel

d [

arb

. uni

ts ]

170 MeV I

40 MeV Au

40 MeV Au

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Tiefenprofile

Tiefenauflösung:

an der Oberfläche

< 0.3 nm fwhm

-1 0 1 2 3 4 5depth [ 10

16at/cm

2 ]

0

20

40

60

80

con

cen

trat

ion

[

at%

]OAlH

1 nm

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Grenzen der Tiefenauflösung

Energieauflösung bestimmt Tiefenauflösung

2222

22det

2straggle

strahl

strahl ExEEE

EEE

xdx

dE

dx

dEkxE

sin

1

sin

1 212

x

Edx

dE

Edx

dE

E

xE

sin

1

sin

1

2

2

1

1

2

2 4

2

2 107 E

xEAm Q3D:

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Beiträge der Kleinwinkelstreuung

x

P ro je k ti lE je k ti le

Kinematische Effekte:

Weglängeneffekt:

EE

2 tan

EE

x ctg

sin

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Beiträge zur TiefenauflösungNach E. Szilagy, Depth code

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Monolagen Auflösung

002-layers of graphite

Resolution of single atomic layers

60 MeV127

I23+

0 0 . 5 1 . 0

E / E [ % ]

c/c

1

0

* 2

1. 2. 3. monolayer

Charge state dependent stopping force

Depth dependent stopping force

Charge yields

Günther Dollinger 20

Bayes´sche Datenanalyse

40 MeV Au, Steuwinkel 15°, Einfallswinkel 7°

-0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.50

1

2

3

4

5

6

7

8

Tiefe [ 10 at/cm ]16 2

13C

Geh

alt

[ at

% ]

1 nm ( = 2g/cm )r 3

Apparatefunktion +

Bayesß

Entfaltung

+Konfidenzinterval

Daten

x0

47 eV

Aus verrauschten Daten maximale Information ziehen unter Vorwissen:

1) Maximum Likelihood: bestmögliche, formfreie Datenanpassung

2) Apparatefunktion: Bedingte Wahrscheinlichkeiten

3) Entropiemethoden und Adaptive Kernel Methoden:

Suchen nach der bestmöglichen Datenanpassung mit der geringsten Informationstiefe (Oszillationen vermeiden).

4) Mit Monte Carlo Methoden wird Fehlerintervall für die Verteilung bestimmt

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Deposition of tetragonal amorphous carbon ta-C

C-ions ca. 100 eV

Subplantation

Thermal Spike

Relaxation

sp3-bonds formed

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Implantation niederenergetischer Ionen

Ionen-Energie 10 eV - 1 keV

Klassifizierung der WW:

- < 10-13 sec: Kollisionsphase

- < 10-11 sec: Thermalisierung

- > 10-11 sec: Relaxationen

Zerstäuben (Sputtern)

Rückstreuung

Implantation

Schichtwachstum (z.B. ta-C)

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Sp3-Content Versus Ion Energy

H. Hofsäß et al

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

0 200 400 600 800 1000

Depositionsenergie [ eV ]

Ant

eil d

er s

p-

Hyb

ride

[ %

]3

sp2

sp3

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ta-C Deposition

Range distributions of 13C, 22 eV - 692 eV in carbon

together with H. Hofsäß, C. Ronning et al, Uni Göttingen

Probe

ion source+ 30 keV

einzel lens

mass separationmagnet

deflector(neutral trap)

beam sweepdeceleration stage

substrate30 keV - Ud

UHV chamberbeam line

einzel lensand

quadrupole lens 12nm C12 Si

5 10 at/cm C 14 2 13

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Range Profile 22 eV

MD-Simulationen H.-U. Jäger, FZ Rossendorf

Trim.SP, W. Eckstein, IPP Garching

0

5

10

15

20

-1 0 1 2 3 4

d ep th [ 1 0 a t/cm ]1 6 2

13C

con

tent

[ a

t% ]

T R IM .S P

da tadeconv o lu tion

M D calcu la tion

T R IM 96/20 00

2 2 e V

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Range profiles

Günther Dollinger 27

Momente der Reichweiteverteilungen

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Ultra Shallow contacts and Gate-Oxides

2012: 0.8 nm

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Leichte Elemente in Al2O3/SiON/c-Si

ERD

beste Tiefenauflösung

Strahlenschädigung:

40 MeV Au optimal

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ERD-Channeling

20*20*20 Einheitszellen

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Channeling

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-44.40-44.50-43.70-43.80

600 800 1000 12000.0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

1.3

1.4

1.5

1.6

1.7

Yie

ld_

no

rm [1

]

Tiefe [channels]

-43.80-43.90-43.90-43.95-43.95-44.00-44.00-40.05-40.05-44.07-44.07-40.08-40.08-44.10-44.10-40.12-40.12-44.15-44.15-40.20-40.20-44.25-44.25-44.30-44.30-44.35-44.35-44.40

-44.5 -44.0 -43.5

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1.0

1.1

1.2

Yie

ld [1

]

Y [°]

Energiespektrum bei planarem Channeling an (001)Si mit 100MeV 127I

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Wasserstoffnachweis

- Nuclear Reaction Analysis (NRA): 15N-Methode

- ERD

- Proton-Proton Streuung

- Deuterium Nachweis z.B.: D(3He, p)4He

z.B. 790 keV 3He , 800 mbarn, Q = 18,352 MeV

Günther Dollinger 37

NRA

Normalerweise:

Nachweis der Gamma-Strahlung

E = 4,43 MeV

Energie des Strahls variieren

=> Wasserstoffprofil

Resonanzbreite: 1,8 keV

Entspricht ca. 5 nm Tiefenauflösung

Nebenresonanz-Querschnitte um 5 Größenordnungen unterdrückt

NRAz.B. 1H(15N,)12C

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Ein Beispiel

Günther Dollinger 39

Wasserstoffnachweis mittels Proton-Proton-Streuung

pp-Streuung:

hohe Untergrundunterdrückung durch Koinzidenzmessung

elastisch) ~ 500 ·(Rutherford)

=> kleinstes Schädigungspotential aller IBA-Methoden zur Wasserstoffanalytik!

Ortsauflösung lateral: Mikrostrahl

Tiefenauflösung: Energieverlust

Günther Dollinger 40

Energie-Winkel-Spektrum

Günther Dollinger 41

Single-Spektrum

Sektormultiplizität 1

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Koinzidenz verlangt

Sektor Multiplizität 2

Gegenüberliegende Sekt.

Winkelsumme 90°

=> Sensitivität bis 1 ppm

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Tiefen-Profile

210)( EEEzE

kein geometrischer Effekt in 1. Ordnung

("Kinematischer Effekt")

Tiefeninformation über Energieverlust

2. Ordnung:"Weglängen- Effekt"

Winkeländerung

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Tiefenauflösung

10

Abschätzung der TiefenauflösungAbschätzung der Tiefenauflösung

(20 MeV Protonen, Kohlenstoff-Probe): Winkelauflösung

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Mylar-Al-Mylar-Sandwich

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3D-Wasserstoffmikroskopie

10 HzKoinzidenzrate

• Strahlstrom 100 pA• 1016 at/cm2hohe pp-Zählratenhohe pp-Zählraten

großerDetektions-Querschnitt

Mott-QuerschnittgemessenerQuerschnitt

E0 = 20 MeV

1. akzeptable Messzeit für Raster-Bild2. minimale Schädigung der Probe

Günther Dollinger 47

Vergleich von Schädigungszahlen

NRAz.B. 1H(15N,)12C

D(disp.) 105 - 107

(abhängig von verwendeter Resonanz und Schichtdicke)

pp-Streuungz.B. 20 MeV, 1 sr

D(disp.) 103

ERD z.B. msr

D(disp.) 109

E/A = 1 MeV

Dionisation 3000 fach höher, die Wahrheit liegt dazwischen

1 µm³ enthält 1011 H-Atome (Kunststoffe)

Günther Dollinger 48

Rasterionenmikroskop SNAKEG. Datzmann, G. Dollinger, A. Hauptner, G.Hinderer†, H.-J. Körner, P. Reichart, TUM

Submikrometer AuflösungProtonen 4 - 30 MeV, Schwerionen bis 200 MeV • q2 /A

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Aufbau

Neuentwicklungen:

Mikroschlitze

Supraleitende Linse mit Korrektur sphärischer Aberr.

Experimentierplatz

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Wasserstoffmikroskopie

Der Flügel einer Eintagsfliege:

Günther Dollinger 51

Zusammenfassung

Ionenstrahlanalyse mit hochenergetischen Ionen:

Quantitativ

Alle Elemente

Tiefenauflösung bis atomar

3D-Techniken: Mikroskopie (Wasserstoff!!)

Strahlenschädigung!!

SIMS:

Im allgemeinen: Empfindlich

Gute Tiefenauflösung

Probleme mit Quantifizierung

Beschleunigermassenspektrometrie