GDOES-Anwendertreffen. Dresden 2004

Transkript

1 GDOES-Anwendertreffen Dresden 24

2 Geometrie des Sputterprozesses Kraterdurchmesser Sputtergeschwindigkeit Kraterprofil

3 SputtergeschwindigkeitFormel23 SG = a * I c U *e (I + b) I : Strom U : Spannung a, b, c : Material-Konstanten

4 Sputtergeschwindigkeit SG = f (Spannung) Der Exponentialterm gibt den Anteil der Teilchen an, die genügend Energie für den Sputterprozess mitbringen. Boltzmann sche Energieverteilung. SG = f (Strom) Der stromabhängige Teil der Gleichung gibt den Anteil sputterfähiger Teilchen an, die tatsächlich zum Sputterprozess beitragen. Reaktionskinetischer Ansatz.

5 Sputtergeschwindigkeit Ergebnis weiterer Messreihen: Die aus 2-d Scans ermittelten Kratervolumina stimmen mit den aus 3-d Scans bestimmten Werten überein. Das 23 auf dem GDOES-Treffen in Lüdenscheidt vorgestellte Modell wurde bestätigt. Die Annahme einer konstanten relativen Sputterrate ist nicht zulässig.

6 Absolute Sputtergeschwindigkeit Nickel Nickel - FRT, [Volt], [ma], [mg/sec] r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= [mg/sec] [ma] [Volt]

7 Absolute Sputtergeschwindigkeit Eisen Eisen - FRT [Volt], [mampere], [mg/sec] r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= [mg/sec] [mampere] [Volt]

8 Absolute Sputtergeschwindigkeit Aluminium Aluminium - FRT, [Volt], [ma], [mg/sec] r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= e-5 Fstat= a= b= c= [mg/sec] [ma] [Volt]

9 Absolute Sputtergeschwindigkeit Silicium Silicium - FRT, [Volt], [ma], F[mg/sec] r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= e-5 Fstat= a= b= c= F[mg/sec] [ma] [Volt]

10 Absolute Sputtergeschwindigkeit 18/8- CrNi-Stahl CrNi-Stahl-FRT [Volt],[mA],[mg/sec] r^2= DF Adj r^2= FitStdErr= Fstat= a= b= c= [mg/sec] [mampere] [Volt]

11 Relative Sputterrate von Aluminium/Eisen SG-rel(Fe/Al) F1=.18866*Y/(Y )*EXP( /X) F2=.5497*Y/(Y )*EXP( /X) Z=F1/F2 Z Z Änderung der relativen Sputterrate (Massenverhältnis) Y [mampere] X [Volt] etwa 7%

12 Relative Sputterrate von Nickel/Eisen SG-rel(Fe/Ni) F1=.18866*Y/(Y )*EXP( /X) F2=.374*Y/(Y+2.39)*EXP( /X) Z=F1/F Änderung der relativen Sputterrate (Massenverhältnis) Z Y [mampere] X [Volt] Z etwa 8%

13 Relative Sputterrate von CrNi-Stahl/Eisen SG-rel (CrNi-Stahl) F1=.18866*Y/(Y )*EXP( /X) F2=.14957*Y/(Y )*EXP( /X) Z=F1/F2 Z Y [mampere] X [Volt] Z Änderung der relativen Sputterrate (Massenverhältnis) etwa 23%

14 Relative Sputterrate von Silicium/Eisen SG-rel(Fe/Si) F1=.18866*Y/(Y )*EXP( /X) F2=.515*Y/(Y )*EXP( /X) Z=F1/F2 Z X [Volt] Y [mampere] Z Änderung der relativen Sputterrate (Massenverhältnis) > 1%

15 SputtergeschwindigkeitFormel23 SG = a * I c U *e (I + b) I : Strom U : Spannung a, b, c : Material-Konstanten

16 Sputtergeschwindigkeit Eine tiefer gehende Analyse der angegebenen Gleichung führt zunächst zu: SG[ Mol / sec] = b* I e 965*( I + b) * c U I : Strom [Ampere] U : Spannung [Volt] b, c : Material-Konstanten 965 : Coulomb/Mol elektrochemisches Äquivalent

17 Sputtergeschwindigkeit Vergleich zwischen beobachteter und berechneter Sputtergeschwindigkeit für 18/8 CrNi-Stahl [nmol/sec] berechnet y =,944x R 2 =, [nmol/sec] beobachtet ein gesputtertes Teilchen pro sputterndem Argonion

18 Sputtergeschwindigkeit Berücksichtigt man auch Mehrfachsputterprozesse, so erhält man: SG[Mol/sec] = b*i 965*(I + * b) n= n= 1 g n n*c U e I : Strom [Ampere] U : Spannung [Volt] b, c : Material-Konstanten 965 : Coulomb/Mol elektrochemisches Äquivalent g n : Gewichtung für Mehrfachprozesse

19 Sputtergeschwindigkeit Vergleich zwischen beobachteter und berechneter Sputtergeschwindigkeit für 18/8-CrNi-Stahl [nmol/sec] berechnet y = 1,3x R 2 =, [nmol/sec] beobachtet Abnahme der Sputterwahrscheinlichkeit für Mehrteilchenprozesse Fehler der Stromanzeige korrigiert

20 Sputtergeschwindigkeit SG[ Mol / sec] = 965*( I b* I + b)*( e c U a) I: Strom[Ampere] b: Grenzstrom [Ampere] U: Spannung [Volt] c: Onset-Spannung 965: elektrochemisches Äquivalent [Coulomb/Mol] a: Wahrscheinlichkeit von Mehrfachsputterprozessen

21 Sputtergeschwindigkeit Bestimmung realistischer Sputterraten: Bestimmung der Kratervolumina an mindestens fünf Kratern. Dabei sollten deutlich unterschiedliche Strom- und Spannungs-Werte verwendet werden. Berechnung der Konstanten durch Anpassung der Messwerte an die angegebene Gleichung.

22 Relative Sputterraten gegenüber Eisen (Verhältnis der Zahl der gesputterten Atome) SG(Fe) F1=12.56*(Y-.6)/(Y )/(EXP(927.33/X)-.816)/.965 SG(Ni) F2= *(Y-.6)/(Y )/(EXP( /X)-.9866)/.965 relative Sputterrate von Nickel Z=F1/F2 SG(Fe) F1=12.56*(Y-.6)/(Y )/(EXP(927.33/X)-.816)/.965 SG(Al) F2=19.694*(Y-.6)/(Y )/(EXP(153.13/X)-.638)/.965 relative Sputterrate von Aluminium Z=F1/F Z Z Z Z X Y X Y SG(Fe) F1=12.56*(Y-.6)/(Y )/(EXP(927.33/X)-.816)/.965 SG(CrNi-Stahl) F2= *(Y-.6)/(Y )/(EXP( /X)-.854)/.965 relative Sputterrate von 18/8-Stahl Z=F1/F2 SG(Fe) F1=12.56*(Y-.6)/(Y )/(EXP(927.33/X)-.816)/.965 SG(Si) F2=11.856*(Y-.6)/(Y )/(EXP(1699.4/X)-.4652)/.965 relative Sputterrate von Silicium Z=F1/F2 Z Y X Z [Volt] [mampere]

23 Relative Sputterraten gegenüber Eisen (Verhältnis der Zahl der gesputterten Atome) SG(Fe) F1=12.56*(Y-.6)/(Y )/(EXP(927.33/X)-.816)/.965 SG(Ni) F2= *(Y-.6)/(Y )/(EXP( /X)-.9866)/.965 relative Sputterrate von Nickel Z=F1/F2 SG(Fe) F1=12.56*(Y-.6)/(Y )/(EXP(927.33/X)-.816)/.965 SG(Al) F2=19.694*(Y-.6)/(Y )/(EXP(153.13/X)-.638)/.965 relative Sputterrate von Aluminium Z=F1/F [mampere] [mampere] [Volt] [Volt] SG(Fe) F1=12.56*(Y-.6)/(Y )/(EXP(927.33/X)-.816)/.965 SG(CrNi-Stahl) F2= *(Y-.6)/(Y )/(EXP( /X)-.854)/.965 relative Sputterrate von 18/8-Stahl Z=F1/F2 SG(Fe) F1=12.56*(Y-.6)/(Y )/(EXP(927.33/X)-.816)/.965 SG(Si) F2=11.856*(Y-.6)/(Y )/(EXP(1699.4/X)-.4652)/.965 relative Sputterrate von Silicium Z=F1/F [mampere] [mampere] [Volt] [Volt]

24 Geometrie des Sputterprozesses Kraterdurchmesser Sputtergeschwindigkeit Kraterprofil

25 Kraterprofil Das Profil eines Sputterkraters verändert sich mit Strom und Spannung in charakteristischer Art und Weise. Es gibt drei Typen von Kraterprofilen: Ein Minimum im Zentrum Je ein Minimum im Zentrum und Randbereich und ein Maximum dazwischen Ein Minimum im Randbereich und ein Maximum im Zentrum NiP 5mA Volt

26 Kraterprofil Kann das Profil von Sputterkratern durch ein einfaches, verständliches Modell beschrieben werden? Wäre ein solches Modell in der Lage alle beobachteten Profile zu beschreiben?

27 Kraterprofil Ableitung des Feldstärkeproportionalen Effekts (( r 1 x) 2 + h 2 ) + ((r 1 x) 2 + h 2 ) Anodenrohr r 5 4 x1 x2 h 3 2 Probe x 1-1,5-1 -,5,5 1 1,5

28 Kraterprofil Kratertypus 1 ein Minimum im Zentrum Sputterkrater Silicium (FRT) 45 Volt 7 ma 245 sec 3,939 hpa,15 5,1,5-1,5-1,25-1, -,75 -,5 -,25,,25,5,75 1, 1,25 1,5 [µm ] -5 Tiefe beob [µm] Tiefe ber [µm], -1,5-1,25-1 -,75 -,5 -,25,25,5,75 1 1,25 1,5 Potential 1 Potential 2 -,5-1 -,1-15 [mm] -,15 [mm]

29 Kraterprofil Kratertypus 2 je ein Minimum im Zentrum und im Randbereich, sowie ein Maximum dazwischen Sputterkrater Silicium (FRT) 1 Volt 5 ma 15 sec 2,233 hpa 2, 5 1,5-1,5-1,25-1, -,75 -,5 -,25,,25,5,75 1, 1,25 1,5 1, -5,5-1 [µm ] Tiefe beob [µm] Tiefe ber [µm], -1,5-1,25-1 -,75 -,5 -,25,25,5,75 1 1,25 1,5 -,5 Potential 1 Potential , -35-1, [mm] -2, [mm]

30 Kraterprofil Kratertypus 3 ein Minimum im Randbereich, sowie ein Maximum im Zentrum Sputterkrater Silicium (FRT) 14 Volt 5 ma 11 sec 1,868 hpa 8, 1 6, -1,5-1,25-1, -,75 -,5 -,25,,25,5,75 1, 1,25 1,5-1 4, 2, -2 [µm ] -3-4 Tiefe beob [µm] Tiefe ber [µm], -1,5-1,25-1 -,75 -,5 -,25,25,5,75 1 1,25 1,5-2, Potential 1 Potential , , -8 [mm] -8, [mm]

31 Kraterprofil Beschreibung von Symmetrieabweichungen: Eine genaue Betrachtung der Kratergeometrie zeigt mehr oder weniger starke Abweichungen von der Rotationssymmetrie. Sputterkrater Silicium (FRT) 11 Volt 18 ma 39 sec 3,52 hpa 5-1,5-1,25-1, -,75 -,5 -,25,,25,5,75 1, 1,25 1, [µm] Tiefe beob [µm] Tiefe ber [µm] [mm]

32 Kraterprofil Das Modell erlaubt die Erklärung einer Asymmetrie Annahme einer geringfügig elliptisch verformten Anode Annahme einer leichten Verkippung der Probe gegenüber der Anodenfront.

33 Kraterprofil Sputterkrater Silicium (FRT) 4 Volt 7 ma 53 sec 4,67 hpa 5-1,5-1,25-1, -,75 -,5 -,25,,25,5,75 1, 1,25 1,5 [µm] -5 Tiefe beob [µm] Tiefe ber [µm] [mm]

34 Kraterprofil Silicium 4Volt 7 mampere 3d-Profil mit FRT-Microprof gemessen 3d-Profil unter Annahme einer Probenkippung berechnet