Quantitative Tiefenprofilelementanalyse mit Subnanometer Tiefenauflösung

Einleitung: Die quantitative Elementanalytik von Schichten und Schichtabfolgen im Dickenbereich we-niger 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 Abscheidever-fahren 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.
Ionenstrahlanalyse: Mittels Ionenstrahlanalyseverfahren kann die Zusammensetzung einer Probe angefangen von der Oberfläche bis in eine bestimmte Tiefe des Materials quantitativ untersucht werden. Hierzu werden auf die zu untersuchende Probe Ionen mit einer definierten Energie (2-40 MeV) geschossen und die Streuprozesse zur Analyse genutzt. Da die Wahrscheinlichkeit für einen bestimmten Prozess (Wirkungsquerschnitt) bekannt ist, ergibt sich aus deren absoluten Häufigkeit die Konzentration aller Elemente. Im Gegensatz zu den meisten konventionellen (nicht nuklearen) Analyseverfahren sind daher zur Quantifizierung der Ergebnisse keine Messungen gegen Referenzmaterialien gleicher Matrix notwendig.
Auf dem Weg durch die Probe verlieren die Ionen durch inelastische Stöße mit Elektronen und Kernen der Atome der Matrix kontinuierlich Energie. Diese weglängenabhängige Energieabgabe (Bremsvermögen) kann berechnet und damit die chemische Zusammensetzung der Probe tiefenabhängig bestimmt werden. Abhängig von der Anfangsenergie und Art der Ionen können Tiefen bis zu wenigen Mikrometern untersucht werden.
Subnanometer Tiefenauflösung: Mit konventionellen Ionenstrahlanalysemethoden sind Tiefenauflösungen im Bereich von Atommonolagen (< 1 nm) nicht zu erreichen. Hierzu ist eine Modifizierung des klassischen Messaufbaus notwendig. Am Forschungszentrum Dresden-Rossendorf (FZD) kommen hierbei Magnetspektrometer in Kombination mit den Ionenstrahlanalyseverfahren Rutherford-Rückstreu-Spektrometrie (RBS) und Elastische Rück-streuanalyse (ERD) zum Einsatz. Mittels dieser Erweiterung muss die tiefenbestimmende Energie nicht mit einem limitierenden Energiedetektor gemessen werden, sondern kann aufgrund der Lorentzkraft aus dem Flugradius im Magnetfeld der Magnetspektrometer ermittelt werden. Allein mittels dieser Erweiterung können oberflächennah Monolagen verschiedener Elemente bestimmt werden (s. Abb. 1).

Abb. 1: Sauerstoffkonzentration eines SiO2-Multischicht-systems bestimmt mittels konventioneller ERD und ERD im “high-resolution”-Mode (HR-ERD).

Wasserstoff: Eine Ausnahme bildet das leichteste Element: Wasserstoff. Dieses Element kann mittels Kernreaktionsanalyse (NRA) über die resonante Kernreaktion 1H(15N,αγ)12C ermittelt werden. Die Tiefenabhängigkeit ergibt sich hierbei ebenfalls aus inelastischen Stößen beim Durchqueren der Stickstoffionen durch die Probe bis zum Ort der Kernreaktion.
Performance: RBS, ERD und NRA können in der Regel zerstörungsarm durchgeführt werden. Bei einigen Matrices kann allerdings der Ionenbeschuss bei hohen Fluenzen durch Diffusionsverlust oder Sputtering zum Verlust des Analyten führen und limi-tiert so die Nachweisgrenze (s. Tab. 1). Bei der Durch-führung der RBS und ERD im „high-resolution“-Mode (HR-RBS / HR-ERD) muss zur exakten Quantifizierung das Auftreten wechselnder Ionenladungszustände berücksichtigt werden. Alle Ionenstrahlanalysemethoden können zudem mit lateraler Auflösung im Mikrometerbereich (Mikrosonde) durchgeführt werden.

Tab. 1: Performance der Ionenstrahlanalysemethoden mit und ohne „high-resolution“-Mode (HR) am FZD.
Analyt Tiefen-auflösung [nm] Nachweis-grenze [at%] max.
Analysen-tiefe [nm]
RBS > Si ≈ 15 0,01 1000
HR-RBS > Si < 1 1 20
ERD ≤ Si ≈ 20 0,01 500
HR-ERD ≤ Si < 1 1 20
NRA H (F) ≈ 1 0,02 2000