Analyse ultradünner Schichten und deren Grenzflächen mit Nanometertiefenauflösung

Die quantitative Elementanalytik von Schichten und Schichtabfolgen im Dickenbereich weniger Nanometer ist in den letzten Jahren von steigender technologischer Relevanz geworden und somit im Fokus der aktuellen Forschung. Im Mittelpunkt dieser materialwissenschaftlichen Fragestellungen steht die Bestimmung von Tiefenverteilungen von Elementen in dünnen Schichten, die durch sequentielle Abscheideverfahren oder nachfolgende Prozessschritte wie Temperung erzielt werden, aber auch der Nachweis unbeabsichtigter Kontamination. Daraus können Informationen im Hinblick auf gezielte Materialentwicklung gewonnen werden und die Qualität bestehender Prozessführungen lässt sich bewerten.
Die meisten konventionellen Analyseverfahren wie z. B. Sekundärionenmassen-spektrometrie (SIMS) 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 fast 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 FZD 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
• Elastische Rückstreuanalyse (Elastic Recoil Detection, ERD) zum Nachweis leichter Elemente mit Z = 2-14 (He-Si)
Die zur Messung ultradünner Schichten mit RBS und ERD erforderliche Tiefenauflösung (< 1 nm) kann mit Teilchenspektrometern mit höchster Energieauflösung erreicht werden.