Ionenstrahlanalyse ultradünner Schichten mit Nanometertiefenauflösung

Die quantitative Elementanalytik von Schichten und Schichtabfolgen im Dickenbereich weniger Nanometer ist in den letzten Jahren in den Fokus aktueller Forschung gerückt. Im Mittelpunkt dieser materialwissenschaftlichen Fragestellungen steht die Bestimmung von Tiefenverteilungen von Elementen in dünnen Schichten, die durch spezielle Abscheideverfahren oder nachfolgende Prozessschritte wie Temperung erzielt werden, aber auch der Nachweis unbeabsichtigter Kontamination in den Schichten. Daraus können Informationen im Hinblick auf gezielte Materialentwicklung gewonnen werden und die Qualität bestehender Prozessführungen lässt sich bewerten.
Die meisten konventionellen (nicht nuklearen) Analyseverfahren sind zur Quantifizierung ihrer Ergebnisse in der Regel auf Referenzmaterialien (gleicher Matrix) angewiesen. Im Gegensatz dazu kann die Ionenstrahlanalyse (ion beam analysis, IBA) standardfrei betrieben werden. Der physikalische Prozess, auf der alle Methoden der IBA beruhen, ist die binäre Wechselwirkung von MeV-Ionen mit den Atomkernen in den Schichten. Diese Wechselwirkung, elastische Streuung oder Kernreaktion, ist einfach und genau beschreibbar; kollektive Matrixeffekte treten dabei nicht auf.
Am Ionenstrahlzentrum des Forschungszentrums Dresden-Rossendorf kommen hauptsächlich drei Analysemethoden zur Anwendung:
• Kernreaktionsanalyse (Nuclear Reaction Analysis, NRA) zum tiefenabhängigen Nachweis von Wasserstoff über die resonante Kernreaktion ¹H(¹⁵N,αγ)¹²C*
• Rutherford-Rückstreuspektrometrie (Rutherford Backscattering Spectrometry, RBS) insbesondere zur Detektion von Elementen mit Ordnungszahlen Z > 14
• Detektion elastisch rückgestossener Atome (Elastic Recoil Detection Analysis, ERDA) zum Nachweis leichter Elemente mit Z = 2-14 (He-Si)
Die zur Messung ultradünner Schichten mit RBS und ERDA erforderliche Tiefenauflösung (< 1 nm) kann mit Teilchenspektrometern mit höchster Energieauflösung erreicht werden.
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