Upload
cundry-schirmer
View
109
Download
2
Embed Size (px)
Citation preview
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)