Bestimmung von Zerstäubungsausbeuten bei niedrigen Energien

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1 Bestimmung von Zerstäubungsausbeuten bei niedrigen Energien M. Tartz, F. Scholze, H. Beck, H. Neumann, Leipzig

2 Bestimmung von Zerstäubungsausbeuten Gliederung: Motivation wofür braucht man Y? Experimenteller Aufbau - Messverfahren - Experimenteller Aufbau - Charakterisierung des Ionenstrahles auf dem Target - Einflüsse auf die Zerstäubungsausbeute Modellierung der Zerstäubungsausbeuten Ergebnisse: Graphite, Mo, Ti, Ag 2

3 Motivation Zerstäubung (Sputtering) Zerstäubung: Abtrag von Material bei Beschuß mit energetischen Teilchen (Ionen) Zerstäubungsausbeute= Zahl der abgetragenen Teilchen Zahl der einfallenden Teilchen 3

4 Motivation - Gittererosion Ionenextraktion und Strahlformung in einem Gittersystem Neutralteilchen verlassen Entladungsgefäß Ladungsaustauschstoß: Xe + + Xe Xe + Xe + schnell langsam Gitterstrom, Materialabtrag durch Zerstäubung Lochvergrößerung, Erosionsstrukturen auf Aussenseite begrenzte Lebensdauer Strahlverunreinigung 4

5 Motivation - Gittererosion Aussenseite des Beschleunigungsgitters Ionen aus dem Strahlplasma Energie ca. 200 ev Plasmaseite Ionen aus dem plasmanahen Bereich Energie bis 1500 ev Lochaufweitung Ionen aus dem Gitterbereich Energie ev 5

6 Motivation - Gittererosion Energieverteilung der Umladungsionen auf dem Beschleunigungsgitter 5 Dynamische Modellierung 4 3 grid voltage accel grid frequency [arb. u.] ,0 grid voltage 0,8 0,6 0,4 0,2 decel grid 0, ion energy [ev] U beam 1200V U acc -800V Lebensdauer 6

7 Motivation - Gittererosion Ionentriebwerke: Ionen: Xenon Verwendete Gittermaterialien: - Graphit, CC, Pyrographit - Molybdän - Titan RIT-22 Simulation der Gittererosion Zerstäubungsausbeute als Parameter Problem: Es fehlen i.a. Zerstäubungsausbeuten für verwendeten Ionen-Target-Kombinationen, insbesondere Winkelabhängigkeiten 7

8 Messverfahren Massenverlust - Wägung vorher/nachher - einfach, wenig systematische Fehler - tiefer Abtrag (einige µm) Gleichgewicht der Oberflächentopologie Wägung mit Schwingquarz (QCM) - schnell - wenig Material abgetragen sensitiv auf Oberflächentopologie Bestimmung der Winkelverteilung der zerstäubten Teilchen, Integration - fehlerträchtig Stufenätzung J. Williams, CSU 8

9 Experimenteller Aufbau ion source QMS main chamber load lock UHV-Kammer Basisdruck <10-8 mbar Turbopumpe (2000 l/s) Probenschleuse Quadrupol-Massenspektrometer zur Restgasanalyse Probenhalter verschiedene Einfallswinkel Targetstrom Schutz vor Deposition Messung der Targettemperatur Präzisionswaage (20µg) 9

10 Ionenquellen ISQ40DC (Kaufman-Typ) Plasmaanregung durch Elektronenstoß (Heißkathoden) Strahldurchmesser 30mm 3-Gittersystem Massenfluß 0.5 sccm, Ubeam: V, Uacc: V Process gas Cathode supply U c, I c Discharge supply U dis,i dis Filament Beam supply U beam, I beam Permanent magnets Anode ring Screen grid Accelerator grid 8 kω Accelerator supply U acc, Iacc + 10

11 Ionenquellen ISQ40HF (HF-Typ) Induktiv gekoppelte HF-Anregung, MHz Strahldurchmesser 30mm 3-Gittersystem Massenfluß 0.5 sccm, Ubeam: V, Uacc: V 11

12 Charakterisierung des Ionenstrahles Energieverteilung der Ionen, Zusammensetzung Energieselektive Massenspektrometrie (Plasmamonitor) Hiden EQP300 electrostatic sector field analyser ( ev) quadrupole mass analyser ion detector 12

13 Zusammensetzung des Ionenstrahles ISQ40HF ISQ40DC 2000 U beam =1000eV Xe + U discharge =25V Xe counts [C/sec] 1000 counts [C/sec] 1000 Xe Xe mass number Anteil Xe ++ <1% mass number Anteil Xe ++ <2% abhängig von U discharge U discharge =25V kein Gittermaterial, kein Quellenmaterial gefunden (<10-7 ) 13

14 Energieverteilung der Ionen ISQ40HF Variation Uacc P HF =76W, MF=0.61sccm Xe, p=4e-5mbar masse:132 U beam =400V HWB 20eV Variation Ubeam masse:132 P HF =55W, MF=0.55sccm Xe, p=3.5e-5mbar U acc =-1000V Counts U acc =-930V Counts U beam =1000V U acc =-200V U beam =600V U acc =-600V U acc =-800V U acc =-600V ev U beam =400V U acc =-800V energetische Verschiebung ev Energie [ev] Energie [ev] Verteilungen um Faktor 100 verschoben Verteilungen um Faktor 1000 verschoben 14

15 Energieverteilung der Ionen ISQ40DC Ubeam=300V 3.5x10 5 U discharge =25V U beam =600 V x ev U beam =300 V U beam =100 V 2.5x10 5 counts [C/s] counts [arb.u.] 2.0x x ev 599 ev 1.0x ev x ev ion energy [ev] 6 ev ion energy [ev] E ion =eu beam 15

16 Sonstige Spezies im Strahl Neutrale Umladungsprozesse im Strahl: Strahlionen Xe + (300 ev) + Xe (thermal) Xe (300 ev) + Xe + (thermal) gemessenen Targetstrom korrigieren um (hier: 13 cm, 200eV, 5E-5 mbar: 10%) Umladungsprozesse im Strahlplasma bedeutend bei niedrigen Ionenenergien Umladungsprozesse im Gitterbereich hochenergetische Neutralteilchen e σnl Xe + ( 20 ev) + Xe (thermal) Xe ( 20 ev) + Xe + (thermal) 16

17 Thermosonden Messung des Energieeintrages (einschließlich Neutrale) und des Targetstromes Aufheizung (Strahl an) Q& in = ( J rad, 1 + Jch + J n + Jext )da 160 CAU Kiel Abkühlung 140 Q& out = ( Jrad,2 + J particle + Jext, 2 )da 120 Targetspannung Temperatur [ C] dt s /dt heating dt s /dt coooling H. Kersten et al, The energy balance at substrate surfaces during plasma processing, Vacuum 63 (2001) Zeit [s] 17

18 Thermosondenmessungen 450 Q/I target ISQ40DC 2,5 Y energy deposit calculated measured 2,0 ISQ40HF Q/I [mj/s/ma] sputter yield 1,5 1,0 0,5 unkorrigiert ISQ40DC 50 korrigiert U beam [V] Messungen: T. Happel, H. Kersten, CAU Kiel 0, energie [ev] Korrektur der Zerstäubungsausbeute durch Messung mit Targetspannung 18

19 Modellierung der Zerstäubungsausbeuten Energieabhängigkeit: Bohdansky-Formel 2/3 (, 0 ) ( ) Eth 1 E 1 th Y E α = = Q sn ε E E E th : Schwellenergie s n : Kernbremsquerschnitt (Kr-C Wechselwirkungspotential) ε: redzierte Energie M Winkelabhängigkeit: Yamamura-Formel Y Y (0, E) f,p: Parameter [ f ( 1 (cosα ) ) cosα ] ( α, E) f 1 α opt = (cosα ) = exp ε = p E( kev ) E( ev ) M M 1 2 Z 1 Z ( Z 2 / + Z 2 / ) 1/ 2 C. Garcia-Rosales, W. Eckstein, J. Roth, Revised formulae for sputtering data, J. Nucl. Mat. 218 (1994) 8. Y. Yamamura, Y. Itikawa, N. Itoh, Angular dependence of sputtering yields of monatomic solids, Institute of Plasma Physics, Nagoya University, Report IPPJ-AM opt 2 19

20 Ergebnisse - Graphite sputter yield [atoms/ion] Xe -> C 0,6 normal incidence 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0,0 TRIM.SP Rosenberg 62 Eckstein 93 Williams 03 (POCO) Williams 03 (Grafoil) William 04 (PyroGraphite) Doerner 03 IOM measurements hd graphite Carbon-Carbon Pyrolytic graphite incidence energy [ev] Werte in guter Übereinstimmung mit früheren Messungen und anderen Literaturwerten Kein signifikanter Unterschied zwischen verschiedenen Materialien Verbesserung des Sputter Modells durch Parameter- Anpassung TRIM.SP liefert zu kleine Werte, richtiges Modell? E th =70eV 20

21 Ergebnisse Graphit - Oberflächentopologie high-density graphite Korngröße: 2 µm unpolished polished initial surface after 3 h sputtering (1000 ev, normal incidence) sputter yield: 0.39 sputter yield:

22 Ergebnisse CC - Oberflächentopologie unpolished polished initial surface after 3 h sputtering (1000 ev, normal incidence) sputter yield: 0.45 sputter yield:

23 Ergebnisse - Graphite sputter yield [atoms/ion] 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 400eV graphite CC pyrographite 600eV 1000eV 1400eV 1,6 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 Unterschiede zwischen den verschiedenen Arten Graphite nur bei größeren Winkeln Sputtermodell beschreibt Y gut mit den Literaturparametern 0, Grafoil [Williams 03] ,0 incidence angle [deg] 23

24 Ergebnisse - Molybdän Xe -> Mo normal incidence 4,5 4,0 200eV 400eV 600eV 1000eV 1400eV 4,5 4,0 1,5 3,5 3,5 sputter yield [atoms/ion] 1,0 0,5 0,0 Rosenberg 62 Weijsenfeld 67 Bhattacharjee 97 Zalm 83 Yamamura 00 Blandino 96 Williams 03 Doerner 03 this report incidence energy [ev] Sputter yield [at/ion] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0, Williams incidence angle [deg] ,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Sputtermodell mit Literaturparametern ok E th =39.2eV 24

25 Ergebnisse - Titan 1,0 Xe -> Ti normal incidence 3,0 200eV 400eV 600eV 1000eV 1400eV 3,0 0,8 2,5 2,5 sputter yield [atoms/ion] 0,6 0,4 0,2 0, incidence energy [ev] [Rosenberg 62] [Williams 03] [Doerner 03] IOM measurements sputter yield [at/ion] 2,0 1,5 1,0 0,5 0, [Williams 03] incidence angle [deg] ,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Anpassung der Parameter der Sputtermodelle notwendig E th =34.7eV 25

26 Zusammenfassung Zerstäubungsausbeuten für verschiedene Gittermaterialien für Ionentriebwerke gemessen Strahlcharakterisierung mit energieselektiver Massenspektroskopie (E, Zusammensetzung) und Thermosonden (Neutrale) Bei niedrigen Ionenenergien wird Einfluß sekundärer Teilchen (Neutrale) bedeutend, großer Einfluß bei Silber (niedriges E th ) festgestellt Erklärung fehlt noch... Diese Untersuchungen wurden gefördert durch das Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) und European Space Agency (ESA) 26