Physik mit schnellen Ionen Mill-Ionen-Preisspiel TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF Prof. Dr. Wolfhard Möller Billard mit Atomen: Physik mit schnellen Ionen anschließend: Mill-Ionen-Preisspiel ! PHYSIK AM SAMSTAG 9. Dezember 2000 samstag.physik.tu-dresden.de

Anzahl der Protonen = Ordnungszahl Was sind Ionen ? ! Anzahl der Protonen = Ordnungszahl + - + 1,5...20 fm + . Atom x 30 000 - - 1 Pikometer (pm) = 10-12 m 1 Femtometer (fm) = 10-15 m 50...300 pm - Elektronen-Anlagerung - + + + - Ionisierung - Geladene Atome - - ! + - + + + - + + - Positives Ion Negatives Ion - Spezielle Ionen: Positives Wasserstoff- Ion = Proton (H+; p) Zweifach positives Helium-Ion = a-Teilchen (He2+; a) - Negatives Wasserstoff- Ion (H-) + - + + + ! !

! Wie erzeugt man Ionen ? Stoß mit schnellem Elektron - - + + + - + + + - e- - - - e- - e- ! Gasentladungs-Plasma Verdünntes Gas (Vakuum ca. 10-3 mbar) Elektrische Leistung + + + + + + Temperatur der Elektronen: > 10 000 oC + + (z.B. Mikrowelle) + Plasma: Der vierte Aggregatzustand der Materie + fest flüssig gasförmig Plasma

Wie beschleunigt man Ionen ? d Vakuum < 10-3 mbar Ionenquelle Target + U - Spannungsversorgung Elektrisches Feld ! q: Ionenladung a: Beschleunigung m: Ionenmasse Kraft im Elektrisches Feld Kinetische Endenergie v: Geschwindigkeit Beispiel: 1-fach geladenes Ion: q = e = 1,6·10-19 As (Elementarladung); U = 1,5 V Ekin = 2,4·10-19 Ws = 1,5 eV Ein Ion erhält eine Energie von 1 eV, wenn es eine Spannung von 1 V durchläuft Ionen- Geschwindigkeit Beispiel: Proton (H+): Ekin = 1 eV entspricht v = 13 km/s

Wie bringt man Ionen ans Ziel ? Ablenkung im elektrischen Feld (Zylinderkondensator) Fzentr + + - s V - Felektr r - Gleichgewicht der Kräfte Krümmungsradius Ablenkung im magnetischen Feld Fzentr - B N Fmagn S r Gleichgewicht der Kräfte Krümmungsradius

Ionen-Implantationsanlage (“Implanter”) ( ~ 20 ... 500 keV ) FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung

Elektrostatischer “Tandem”-Beschleuniger Injektor- Magnet Quelle für negative Ionen Hochspannungselektrode mit Umladungseinrichtung Ubeschl Ionenenergie Analysier- Magnet q Ionenladung FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung

Ionenbeschuß von Festkörpern Kristallstruktur 3D (z.B. Nickel) ca. 0,25 nm Schnitt 2D (2D-Modell) + Bindungselektronen (“Elektronengas”) Atomrümpfe Oberfläche

! ! ! Ionen-Oberflächen-Wechselwirkung Ionenbahn im Festkörper: Folge von Zweierstößen mit den Atomrümpfen (falls Ekin > 10 eV) ! Reichweite Abbremszeit: ca. 0,1 ps = 10-13 s + Tel Zwei Mechanismen des Energieverlustes: DEinel Elastische Stöße mit den Atomrümpfen (Energieübertrag Tel) Tel “Reibung” an den Elektronen (Energieverlust DEinel) Keine Richtungsänderung ! ! !

! Ionen-Bremsung und -Reichweite Ge+ Si Si+ SiO2 Ge+ SiO2 10 Ge+ Si Bremsung (keV/nm) 5 Total Elektronen Atomrümpfe 1 102 104 106 Energy (keV) 100000 10000 Si+ SiO2 1000 Reichweite (nm) 100 Ge+ SiO2 10 1 1 10 102 103 104 105 Energy (keV) ! ! Reichweite (nm)  Energy (keV) !

Wechselwirkungs - Kraft Billard - Modellversuch + Idealisierung: Kraft zwischen zwei Atomen (oder zwischen Ion und Atom) d 2r Billard-Modell Harte Kugeln Wechselwirkungs - Kraft Reale Atome Abstoßung der Atomkerne Ruhelage 0 2r Abstand d

Wechselwirkungs-Kraft Computer-Simulation von Ionenbahnen Abstoßung der Atomkerne ! Wechselwirkungs-Kraft Zweierstoß-Näherung Abstand Reale Atome Reichweite + Viele Ionenbahnen nacheinander mit verschiedenen Stoßvorgängen (“Monte-Carlo-Simulation”) Statistische Auswertung

Computer-Simulation von Ionenbahnen Stickstoff-Ionen eingeschossen in Eisen Energie: 1 MeV Einschuß + Oberfläche 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 Tiefe (mm)

Mikroelektronik in Dresden

Ionen zur Halbleiter-Aktivierung ! Ionen zur Halbleiter-Aktivierung p-type substrate with a thin epitaxial layer N-well and p-well high-energy implants and anneal Isolation-trench etch and channel-stop implants Trench fill, etch-back, and threshold adjust implants Gate oxidation, gate poly deposition, and gate poly etch Shallow source/drain extension implants and tilted halo implants Sidewall spacer formation Deep source/drain implants Salicidation First intermetal oxide deposition Contact hole etch, contact hole fill, metal1 deposition, and metal1 etch

Strahlenschäden durch atomare Stöße ! 0,01...10 mm Dauer einer Stoßkaskade: etwa 10-13 s

! Ionen - Channeling + Größere Reichweite Weniger Strahlenschäden Blick in Kristallrichtung Kristall rotiert + Größere Reichweite Weniger Strahlenschäden (da nur schwache Stöße mit kleinen Winkelablenkungen)

! Ionenzerstäubung (Sputtern) Oberflächenatom erhält aus der Stoßkaskade genügend Energie, um zu “verdampfen”, d.h. Bindungsenergie an der Oberfläche zu überwinden Zerstäubungs- Ausbeute Nz: Anzahl der zerstäubten Atome Ni: Anzahl der einfallenden Ionen 1,5 1 Zerstäubungsausbeute 0,5 0,01 0,1 1 10 100 1000 Ionenenergie (keV)

Realistische Kräfte zwischen Atomen und Ionen Molekulardynamische Computer-Simulation Realistische Kräfte zwischen Atomen und Ionen N Gitteratome Simultane Lösung der Newton’schen Bewegungsgleichung für alle Teilchen (i=1...N+1) Fij: Kraft, mit der das Nachbaratom j auf das Atom i wirkt Lösung in Zeitschritten: ca. 0,1 fs = 10-16 s Auch für sehr kleine Energien (<< 1 eV) anwendbar Thermische Schwingungen können berücksichtigt werden (Ekin 25 meV bei Raumtemperatur)

Molekulardynamische Computer-Simulation der Ionenzerstäubung Ein Argon-Ion eingeschossen in einen Kupferkristall bei tiefer Temperatur (100 Kelvin) Energie 1 keV + Zerstäubte Kupferatome Einschuß-richtung Bild zur Zeit 0,36 ps nach Ioneneinschlag Farbskala: Temperatur der Atome dividiert durch die Schmelztemperatur von Kupfer ca. Schmelztemperatur (1357 Kelvin) oberhalbSchmelztemperatur

! Zerstäubung (Sputtern) für Beschichtungsprozesse “Magnetron”-Sputtern ~ Hochfrequenz Magnet S N S Target + + Ionen Plasma Targetatome Beschichtung Substrat (z.B.Flachglas)

Wertvolle Preise (für wenige) Man kann noch etwas lernen Das Preisspiel ... um 11.30 hier Spaß für alle Wertvolle Preise (für wenige) Man kann noch etwas lernen PHYSIK AM SAMSTAG TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF

Ein Dankeschön PHYSIK AM SAMSTAG ...an alle Beteiligten W. Keller (Organisation) T.Mahler, F.Radtke (Hörsaal) D.Kost, H.Tyrroff (Billard) A.Kolitsch, C.Neelmeijer (Mill-Ionen-Spiel) PHYSIK AM SAMSTAG TECHNISCHE UNIVERSITÄT DRESDEN FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF