Wechselwirkung von Ionenstrahlen mit Materie

Transkript

1 Wechselwirkung von Ionenstrahlen mit Materie Einführung Nuklearer und elektronischer Energieverlust Entstehung des Strahlenschadens Fehlstellen durch nuklearen Energieverlust Defekte durch elektronischen Energieverlust Defektfreie Bestrahlung

2 Processes: Wechselwirkung eines MeV Ions mit einem Festkörper ) electron pick-up 2) desorption 3) secondary electron Hercules-Aufgabe! ) sputtering 5) shock wave 6) ionization 7) δ-electrons 8) bremsstrahlung 9) Čerenkov radiation 1) bond breaking 11) characteristic x-rays 12) elastic backscattering wir beschränken uns auf: grundlegenden Energietransfer an Elektronen und Kerne resultierende Defektproduktion 13) scintillation, luminescence ) heating 15) Coulomb-explosion 16) nuclear reactions 17) elastic recoil 18) collision cascade 19) displacement Sputtern und Implantation werden nicht betrachtet ) phonon 21) implantation

3 Akzeptable Vereinfachung: Energiedeposition und Modifikation des Materials werden durch quasi-elastische Streuung der Ionen mit Elektronen, Kernen oder ganzen Atomen vermittelt. Wir unterscheiden zwischen: Energietransfer an Elektronen electronic stopping Energietransfer an Kerne oder Atome nuclear stopping

4 Verhältnis der Wirkungsquerschnitte Kern Ø x 1 5 Atom Ø Kern Ø-Fläche x 1 1 Atom Ø-Fläche

5 In 1. Ordnung ist Berechnung von elastischer Streuung sehr ähnlich für Elektronen und Kerne. Konsequenzen: ähnliche Form der Energieverlustkurve für elektronischen und nuklearen Anteil "universelle" Kurve für elektronischen Energieverlust Energy loss in ev/nm 1 4 electronic nuclear Ga ions in Si Energy loss in ev/(1 15 at cm -2 ) Ions: Be to U Target: C TRIM/SRIM Energy in kev/amu 1 5 Energy in kev Fazit: Energieverlustberechnung ist unter Kontrolle"

6 Quantitativer Vergleich des Energieverlusts 1 Energy loss in kev/nm Energy loss in ev / nm 8 electronic 6 4 nuclear 2 Ga ions in Si Energy in MeV electronic 2 15 nuclear 1 de/dx in ev / 1 15 at/cm Totaler Energieverlust in Si O 1 He H Energy / kev Starker Anstieg mit Ordnungszahl der Ionen Ar 5 He ions in Si Energy in MeV

7 Für FIB interessante Region 14 Ga Ionen in Si 12 Energy loss in ev/nm nuclear electronic Energy in kev

8 Verteilung der Energiedeposition entlang einer Ionenspur Energieverlust Eenergie Ionisation Energie Rückstosskerne Ion Ionenspur 3 MeV Ga in Si 1 μm

9 Entstehung des Strahlenschadens Primärer Strahlenschaden durch Wechselwirkung der energetischen Teilchen mit Gitteratomen Diffusion der primären Defekte Erzeugung von strahleninduzierten mikrostrukturellen Konfigurationen (Hohlräume, Dislokationen, Präzipitate, etc.) und/oder Ausheilung Resultierende Änderung der physikalischen und chemischen Materialeigenschaften (Härte, elektr. Widerstand, Brechungsindex, Korrosion, etc.)

10 ion range 1 μm 1 μm 1 μm 1 nm Ga Reichweite in Si Einfache Tatsachen über primäre Defektverteilung vacancies per ion 1 nm 1 nm 1 kev kev 1 kev 1 MeV ion energy 1 MeV 1 totale Anzahl Leerstellen pro Ion kev kev kev MeV MeV ion energy 1 MeV 1 MeV vacancies per nm per ion kev primäre Leerstellen an der Oberfläche 1 kev 1 kev 1 MeV ion energy 1 MeV 1 MeV

11 Abschätzung der Defektproduktion durch elastische Streuung Berechnung des elektronischen und nuklearen Energieverlusts Anzahl und Energiespektrum der Rückstossteilchen im Material - elektronischer Verlust: kann nicht direkt zu Fehlstellen führen! - nuklearer Verlust: einfacher Ansatz, um Fehlstellen zu berechnen (Kinchin-Pease): Energie des getroffenen Atoms > Deplatzierungsenergie" Fehlstelle # of hit atoms displaced knock-on energy Einfache Faustregel: N D = E 2E nucl D Anzahl Fehlstellen E D

12 Monte Carlo Simulation (SRIM/TRIM, etc.): SRIM 5 kev 12 C Si Depth / nm Fazit: Berechnung der primären Fehlstellen ist unter Kontrolle"

13 Wo liegt die Schwierigkeit? Kinchin Pease & SRIM/TRIM liefern nur die unmittelbaren" Fehlstellen in Kollisionskaskaden. Dynamische Eigenschaften des Materials sind nicht berücksichtigt. unmittelbare Fehlstellen elektronische Anregung, Ionisation resultierende Defekte Wärme Was ist die Reaktion des Festkörpers?

14 Raffinierterer Ansatz: Molekulardynamik Rechnungen 2 kev Cu Cu (Brian Wirth, UCB) Vacancies Interstitials Im Allgemeinen: Berechnung der Defektkinetik ist nicht "unter Kontrolle" (Mobilität, Annealing, Clustering)

15 Sehr schlecht verstanden: Defektproduktion durch elektronischen Energieverlust Beobachtete Defektphänomene reichen von überhaupt kein Schaden bis komplett amorphisiert Grund: Fehlstellen können nicht direkt erzeugt werden. Es braucht Energietransfer vom elektronischen System auf ganze Atome.

16 Mögliche Mechanismen und Schlagwörter thermal spike Schmelzen Coulomb Explosion Schockwellen Druckpuls extremhohe Energiedichte (z.b. 2 kev/nm ~.2 kev/nm 3 ~ 5' K) extreme Ungleichgewichtszustände extremschneller Energietransport

17 Beispiele 5 GeV Pb Fe 9 Zr 7 B 3 23 MeV C 6 InP TEM, A. Dunlop, NIMB 26 TEM, A. Dunlop, NIMB 27

18 1 MeV C 6 Y 3 Fe 5 O 12 TEM, A. Dunlop, NIMB 1998

19 Teilchenspuren in Glimmer nm MeV Iod.8.6 μm μm.8 1. nm MeV C μm μm.8 1.

20 Praktischer Nutzen: wie verhindert man Defekte an der Oberfläche? 1 Ga Ionen in Si electronic 8 Energy loss in ev/nm nuclear Energy in kev

21 FIB Niederenergie-Bestrahlung von Silizium Normalized defect production Si in Si Energy in kev