ToF-ERDA

Wofür wird ToF-ERDA verwendet?

Die Flugzeit-Elastische-Rückstoß-Detektionsanalyse (ToF-ERDA), auch bekannt als Elastische-Rückstoß-Detektion (ERD), Elastische-Rückstoß-Streuung (ERS) und Vorwärts-Rückstoß-Spektrometrie (FRS), ist eine Ionenstrahlanalyse-Technik (IBA) zur Bestimmung der Elementkonzentrationen in Dünnschichtmaterialien.

ToF-ERDA kann alle Elemente sowie verschiedene Wasserstoffisotope nachweisen. Es misst die Konzentration jedes Elements innerhalb einer Probe als Funktion der Tiefe und erzeugt ein Elementtiefenprofil der Probenoberfläche. Nachweisgrenzwerte zwischen 0,1 und 0,5 Atomprozent und Tiefenauflösungen von 5–20 nm werden üblicherweise erreicht. Oberflächenschichten mit 20–500 nm Dicke können mit ToF-ERDA charakterisiert werden. Um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, muss die Probe eine ebene Oberfläche und eine Rauheit von weniger als 10 nm aufweisen.

Die ToF-ERDA wird am häufigsten zur Bestimmung der elementaren Tiefenprofile von Dünnschichten (Metalloxide, Nitride, Metalle usw.) auf typischen Substraten wie Silizium (Si), Galliumnitrid (GaN), Siliziumcarbid (SiC), Galliumarsenid (GaAs) oder Indiumphosphid (InP) eingesetzt. Die Technik ist nützlich bei der Entwicklung neuer Dünnschichtabscheidungsverfahren oder der Optimierung bestehender Prozesse, um zu verstehen, wie sich Änderungen der Abscheidungsparameter auf die Elementzusammensetzung der resultierenden Dünnschichten auswirken.

Nachfolgend (Abbildung 1) ist ein Beispiel für ToF-ERDA-Ergebnisse mit Elementtiefenprofilen und durchschnittlichen Elementkonzentrationen dargestellt. Für weitere Details siehe unser Beispielbericht für ToF-ERDA-Messungen.

ToF-ERDA ist praktisch die einzige Charakterisierungstechnik, die eine präzise und kosteneffiziente Wasserstoffquantifizierung gleichzeitig mit der Quantifizierung der Hauptbestandteile dünner Schichten ermöglicht. Die Methode ist von Natur aus quantitativ, wenn Dünnschichtproben auf typischen Substraten analysiert werden, sodass Referenzproben nicht erforderlich sind, um quantitative Ergebnisse zu erzielen.

Was sind die Grenzen der ToF-ERDA?

Um zuverlässige Ergebnisse zu erhalten, muss die Probe eine ebene Oberfläche und eine Rauheit von weniger als 10 nm aufweisen. Die Nachweisgrenze liegt bei 0,1–0,5 Atomprozent. Um kleinere Konzentrationen nachzuweisen, ist eine empfindlichere Methode, wie SIMS, erforderlich. Nur anorganische Proben sind für die ToF-ERDA-Analyse geeignet, da der schwere Ionenstrahl organische Proben beschädigt.

Wie funktioniert Tof-ERDA?

ToF-ERDA verwendet einen Schwerionenstrahl (wie Cl, I, Au) mit Energien, die typischerweise zwischen 20 und 40 MeV liegen. Der energiereiche Ionenstrahl wird in einem bekannten Winkel auf die Probe gerichtet. Der Strahl ionisiert die Probenatome, und die Ionen aus den Probenoberflächenschichten werden in Vorwärtsrichtung zurückgestoßen. Die zurückgestoßenen Ionen werden dann detektiert.

Bei der ToF-ERDA werden die Energie und die Flugzeit des Rückstoßions gleichzeitig gemessen (Abbildung 2). Rückstoßionen werden typischerweise mit zwei Zeitdetektoren und einem Energiedetektor detektiert. Filter werden verwendet, um Elektronen von Rückstoßionen zu trennen. Die Flugzeit wird mit den Zeitdetektoren über eine feste Distanz gemessen. Der Energiedetektor unterscheidet die verschiedenen Massen der Ionen. Die Umwandlung von Zeit-/Energiespektren wird verwendet, um ein Tiefenprofil zu erstellen, indem die bekannte Beziehung des Energieverlusts pro Längeneinheit der Ionen in der Probe genutzt wird.

Alternative ERDA-Technik: LI-ERDA

Die oben beschriebene ToF-ERDA mit einem schweren einfallenden Ionenstrahl ist die am häufigsten in der modernen Materialforschung angewandte Methode, da sie in der Lage ist, zahlreiche Elemente gleichzeitig zu erkennen. Dennoch wurden auch andere Modifikationen der ERDA entwickelt und für spezifische Zwecke eingesetzt. Die bemerkenswerteste Anpassung ist die ERDA mit leichten einfallenden Ionen (LI-ERDA oder Foil-ERDA), die unter Verwendung von Heliumionen mit relativ niedriger Energie (0,2–2 MeV) als einfallender Ionenstrahl erfolgt und somit spezifischer für Wasserstoffisotope ist. Die Empfindlichkeit gegenüber Wasserstoff wird mittels einer Mylar-Folie vor dem Detektor weiter erhöht, um gestreute schwere einfallende Ionen zu blockieren, während leichte rückgestoßene Zieltatome passieren können.

Das LI-ERDA-Setup ermöglicht eine erhöhte Tiefenauflösung im Vergleich zur normalen ToF-ERDA (bis zu ~1 nm in bestimmten Anwendungen) und Nachweisgrenzen im Bereich von 0,01 Atomprozent. Der Nachteil der LI-ERDA besteht darin, dass sie anders als die ToF-ERDA mit schweren einfallenden Ionen keinen gleichzeitigen Nachweis anderer Elemente als Wasserstoff und seinen Isotopen ermöglicht.

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