Ionenstrahlanalyseverfahren in der Materialforschung

Der Schwerpunkt der Materialanalyse mittels Ionenstrahlen ist die Bestimmung der Zusammensetzung und Struktur von oberflächennahen Festkörperschichten im Tiefenbereich von wenigen nm bis zu einigen µm. Charakteristisch für die verschiedenen Ionenstrahlanalysetechniken sind die Verwendung geeigneter Ionenstrahlen (z. B. Ionenart, Ionenenergie und -strom, Strahlfokus usw.), die Art der Ionen-Festkörper-Wechselwirkung (und deren Wirkungsquerschnitt), die entstehende Strahlungsart (z. B. gesputterte Sekundärionen, gestreute Ionen sowie Ionen-induzierte Photonen- und Elektronenemission). Die Vielzahl der Ionenstrahl-analyseverfahren kann bezüglich der verwendeten Ionenenergien in drei Gruppen eingeteilt werden [1]: 1) niedrige Ionenenergien von einigen keV, 2) mittlere Ionenenergien im Bereich 30-300 keV, und 3) hohe Ionenenergien im Bereich ~0,5-100 MeV. Schwere Ionen (Mi > Moxygen) für eine hinreichende Sputterausbeute an Targetatomen sind notwendig im weit verbreiteten Verfahren der Sekundärionen-Massen-Spektrometrie (SIMS). Leichte Ionen (M < 10, meistens H+, He+) werden in einem breiten Energiebereich für verschiedene Ionenstreuverfahren (LEIS, MEIS, RBS) sowie verschiedene Verfahren der Ionen-induzierten Photonenemission (PIXE, PIGE) eingesetzt. Dagegen werden schwerere, hochenergetische Ionen (z. B. N, O, Cl usw.) hauptsächlich für NRA und ERDA verwendet.
Im Vortrag werden die verschiedenen Ionenstrahlanalyseverfahren mit ihren charakteristischen Analyseparametern und Einsatzgebieten kurz vorgestellt und miteinander verglichen. Dabei wird besonders auf die hochauflösende Tiefen-profilierung für Dotierungsprofile in Halbleitern und die Elementanalyse von Dünnschichtsystemen eingegangen. Hierfür sind besonders die modernen Mikroelektronik- und Dünnschichttechnologien mit Forderungen nach immer dünneren Schichtsystemen und somit nach steigender Tiefenauflösung sowie kleineren Nachweisgrenzen die treibende Kraft. Weiterhin werden ausgewählte Beispiele für den Einsatz von Ionenstrahlanalyseverfahren in anderen Gebieten der Materialwissenschaften, z. B. in der Kunst und Archäometrie sowie in der Medizin diskutiert.