badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą rozpraszania jonów wstecz (rbs)
Post on 31-Jan-2016
59 Views
Preview:
DESCRIPTION
TRANSCRIPT
Badanie warstw powierzchniowych materiałów metodą
rozpraszania jonów wstecz (RBS)
Karolina Danuta Pągowska
Instytut Problemów Jądrowych
2
Akcelerator jonów
3
Magnes kierujący
Akcelerator
Tarcza
2 MeV 4He+
elektronyjony rozproszone
produkty reakcji
promieniowanie γ
promieniowanie X
atomy wybite
4
O czym będzie mowa w dalszej części seminarium?
• Co to jest RBS?• Fizyczne podstawy metody RBS• Układ doświadczalny• Interpretacja widm RBS• Zastosowania• Podsumowanie
5
Co to jest RBS?
RBS – to skrót pochodzący od angielskiej nazwy metody Rutherford Backscattering Spectrometry (rozpraszanie jonów wstecz)
Jest to metoda mikroanalizy jądrowej służąca do badania warstw powierzchniowych materiałów.
6
Sprężyste zderzenia kul a RBS
• Centralne zderzenie dwóch kul o jednakowych masach
VoVo
7
Sprężyste zderzenie dwóch kul o masach: M1<< M2 a RBS
Vo, M1
V2
V1
M2
8
Oddziaływanie elektrostatyczne pocisku i tarczy
M2
V2, E2
TARCZA
POCISKM1, V0, E0
φ
θ
M1, V1, E1
reZZ
rV2
21)(
Z1e – ładunek cząstki pociskuZ2e – ładunek atomu tarczyr – odległość między
cząstkamiΘ – kąt rozpraszania
9
Przekrój czynny na rozpraszanie(Wzór Rutherforda w układzie laboratoryjnym)
Z1 - liczba atomowa padającego jonu
Z2 - liczba atomowa atomu rozpraszającego
E0 - energia padającego jonuθ - kąt rozproszeniae - ładunek elementarny
)
f(16E
eZZΩσ
20
422
21
10
Współczynnik kinematyczny
,,,0
10
2
11 E
EkE
MM
kE
2
2
1
2
1
2/12
2
1
1
cossin1
MM
MM
MM
k
E1 - energia cząstki po zderzeniu, E0 - energia cząstki padającej,M1 - masa cząstki pocisku,M2 - masa atomu tarczyθ - kąt rozproszenia
Zasada zachowania pędu i energii
11
Zależność współczynnika kinematycznego od kąta rozproszenia
k¹ t
20 40 60 80 100 120 140 160 180
Wsp
ó³cz
ynni
k ki
nem
atyc
zny
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
Ga
Ca
Mg
Ndla pocisku 4He+
o energii 2MeV
Dla zapewnienia najlepszych warunków rozróżnialności blisko leżących pierwiastków kąt detekcji ustala się w okolicach 180°.
Θ = 170°
12
Masowa zdolność rozdzielcza
liczba masowa A (u)
50 100 150 200 250
Wsp
ó³cz
ynni
k ki
nem
atyc
zny
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
pocisk 4He+
dla k¹ ta rozproszenia = 170o
Dla ciężkich jąder masową zdolność rozdzielczą pogarsza fakt istnienia wielu blisko leżących pierwiastków.
13
Rozróżnianie pierwiastków
Przekrój czynny jest proporcjonalny do kwadratu liczby atomowej tarczy co oznacza, że rozproszenie wstecz zachodzi ze znacznie większą wydajnością na jądrach ciężkich niż na lekkich.
Rp = 5.21 µm
Głębokość/ µm
0 1 2 3 4 5 6
Zależność - Energia - Głębokośćdla 1.5 MeV jonów He w Si
0.0
0.2
0.4
0.6
0.8
1.0
1.2
1.4
1.6
Ene
rgia
/ M
eV
15
1/2
d/d
(d/d)n
(d/d)e
200 keV Ar+
15 keV 2 MeV
0.9 keV He+ 800 keV 2 MeV
0.008 keV 70 keV 2 MeV
Prędkość jonu ~ (Energia)1/2
Zd
oln
o ści
ham
ują
c e Jony He
Jony He
Jony Ar
Jony Ar jonizacja
Atomyprzemiesz-czone
dEe/dx
dEn/dx
Straty energii jonów w ciele stałym (LET)
16
Spowalnianie jonów w tarczy jednoskładnikowej
E1
SE
x
xSxSSk
E
EkEE
,cos
1cos
,
12
11
10
wyj
wej
EkEE
EEE
1
0 ,
E0
kE0
E
kE
x
θ1
θ2θ
17
Głębokościowa zdolność rozdzielcza
SE
x
- energetyczna zdolność rozdzielcza układu detekcji (eV)- efektywna zdolność hamująca (eV/nm)
E S
18
Wykrywalność
iinN
iitT
ii
ii
tn 33
liczb
a zl
icze
ń
numer kanału
19
Układ doświadczalny
TARCZA
DETEKTOR
MAGNES ANALIZUJĄCY
AKCELERATOR
Q < ADC
PROGRAM DO AKWIZYCJI DANYCH
PRZEDWZMACNIACZŁADUNKOWY
WZMACNIACZ LINIOWY
KONWERTER ANALOGOWO-CYFROWY
20
Jak powstaje widmo RBS dla prostej próbki jednoskładnikowej?
E1
E0
kE0
E
kE
x
θ1
θ2θ
10 cos
)(xS
ExE )(
)(16 2
422
21
fxEeZZ
ENERGIA
LIC
ZB
A Z
LIC
ZE
Ń
E1 kE0
x
21
Jak wygląda widmo RBS dla cienkiej próbki dwuskładnikowej i jak je zinterpretować?
• Położenie przednich krawędzi identyfikuje składniki próbki,
• położenie tylnej krawędzi wyznacza grubość badanej próbki,
• wysokość każdego ze schodków daje informacje o koncentracji danego pierwiastka w próbce.
Liczba zliczeń
Energia
A B
mB>mA
22
x0
- O- Si
4He+, 2 MeV
x0
Si SiO2
Energia
Głębokość
Licz
ba c
ząst
ek r
ozpr
oszo
nych
x0
Podstawy Rutherford Backscattering Spectrometry
23
Metoda RBS jest używana do
• analizy chemicznej (składu pierwiastkowego badanego materiału),
• wyznaczania grubości cienkich warstw,• badania rozkładów głębokościowych
pierwiastków.
Zalety metody RBS:• metoda nieniszcząca (dla większości materiałów),• krótki czas pomiaru.
24
Widmo dla InP - różne grubości warstw
g³êbokoœæ (nm)
0500100015002000lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
energia [keV]
400 600 800 1000 1200 1400
I nP 300nm
sygna³ In i P
g³êbokoœæ (nm)
0500100015002000lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
energia [keV]
400 600 800 1000 1200 1400
I nP 600nm
sygna³ In i P
g³êbokoœæ (nm)
0500100015002000lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
energia [keV]
400 600 800 1000 1200 1400
I nP 900nm
sygna³ Insygna³ Psygna³ In i P
g³êbokoœæ (nm)
0500100015002000lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
energia [keV]
400 600 800 1000 1200 1400
I nP gruba warstwa
sygna³ Insygna³ Psygna³ In i P
25
Kanałowanie jonów
26
Analiza rozkładu defektów przy użyciu kanałowania jonów
27
Widmo random i aligned dla GaN-u
GaN/GaN NL/Al2O3
pomiar RBS Warszawa: E=1.7 MeV, 4He+
Energia (keV)
200 400 600 800 1000 1200 1400
Lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
1125 t=16 min
GaN/GaN NL/Al2O3
pomiar RBS Warszawa: E=1.7 MeV, 4He+
Energia (keV)
200 400 600 800 1000 1200 1400
Lic
zba
zlic
zeñ
0
5000
10000
15000
20000
1125 t=16 min
28
Wpływ grubości warstwy nukleacyjnej na koncentrację defektów
GaN/GaN NL/Al2O3
pomiar RBS Warszawa: E=1.7 MeV, 4He+
Energia (keV)
200 400 600 800 1000 1200 1400
Lic
zba
zlic
zeñ
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
1142 t=6min1124 t=12min1125 t=16min
29
Rozkład ilości defektów w funkcji głębokości dla próbki 1125
GaN/GaN NL/Al2O3pomiar RBS Warszawa: E=1.7 MeV , 4He+
G³êbokoœæ (nm)
0 200 400 600 800
IloϾ
def
ektó
w (
%)
0
5
10
15
20
25
30
Warstwa nukleacyjna
1158
channel number
200 300 400 500 600 700 800
yiel
d
0
200
400
600
800
1000
1200
1400 1158 random 1158 aligned
to~11min
Szybkość osadzania:
(5nm/1min)
Grubość warstwy nukleacyjnej GaN:
• xt=(40-60)nm
• x1+x2=53nm
• x1(Ga0.55N0.45)=30nm
• x2(Ga0.48N0.52)=23nm
31
1156
channel number
200 300 400 500 600 700 800
yiel
d
0
200
400
600
800
1000
1200
14001156 random 1156 aligned
to~17min
Szybkość osadzania: (5nm/1min)
Grubość warstwy nukleacyjnej GaN:
• xt=(80-100)nm
• x1+x2=83nm• x1(Ga0.55N0.45)=49nm• x2(Ga0.48N0.52)=34nm
Warstwa nukleacyjna
32
Widmo random dla próbki 1202
1202 (GaN)
numer kana³u
200 400 600 800
liczb
a z
licze
ñ
0
200
400
600
800random 1202
Grubość warstwy
33
Rozkłady poprzeczne grubości warstw
1202 (GaN), kawa³ek 4 i 5 i 6, y=5 (mm)
x (mm)
-30 -20 -10 0 10 20 30
%
-15
-10
-5
0
5
10
15
a
b
c
d
i
h
ge f
5 6
a
b c
i
h g
f e d
4
34
Rozkłady poprzeczne grubości warstw
1203 (Al0.5Ga0.5N), kawa³ek 2 i 5 i 8 i 11, x=0 (mm)
y (mm)
-20 -15 -10 -5 0 5 10 15 20
%
-15
-10
-5
0
5
10
a
b
c
d
e
f
gh
i
j
k
l
a b
c d
e
f
g h
i j
k
l
2
5
8
11
35
Zjawisko kanałowania jonów wykorzystuje się do:
• Wyznaczania stopnia doskonałości krystalograficznej monokryształów i warstw epitaksjalnych,
• wyznaczania rozkładów głębokościowych defektów struktury krystalicznej,
• wyznaczania położeń atomów domieszki w strukturze krystalicznej.
36
Podsumowanie
Zalety metody RBS:• jest to metoda nieniszcząca, umożliwiająca
wykorzystywanie próbki do dalszych badań innymi metodami,
• wyniki analiz podane są w jednostkach bezwzględnych,• pozwala wyznaczyć rozkłady głębokościowe
pierwiastków,• przy zastosowaniu dodatkowo kanałowania, mamy
możliwość wyznaczenia rozkładów głębokościowych defektów,
• krótki czas pomiaru.
37
Czekamy na Wasze próbki!
top related