Kein Folientitel

1
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
2
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
Zweifach positives Helium-Ion
a-Teilchen (He2 a)
Positives Wasserstoff- Ion Proton (H p)
Negatives Wasserstoff- Ion (H-)
3
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 gt 10 000 oC
(z.B. Mikrowelle)
Plasma Der vierte Aggregatzustand der Materie
gasförmig
Plasma
flüssig
fest
4
Wie beschleunigt man Ionen ?
d
Vakuum lt 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
1,610-19 As (Elementarladung) U 1,5 V
Ekin 2,410-19 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
5
Wie bringt man Ionen ans Ziel ?
Ablenkung im elektrischen Feld (Zylinderkondensato
r)
Fzentr


-
s
V
-
Felektr
r
-
Gleichgewicht der Kräfte
Krümmungsradius
Ablenkung im magnetischen Feld
Fzentr
-
B
Fmagn
N
S
r
Gleichgewicht der Kräfte
Krümmungsradius
6
Ionen-Implantationsanlage (Implanter) ( 20
... 500 keV )
7
Elektrostatischer Tandem-Beschleuniger
Quelle für negative Ionen
Injektor- Magnet
Hochspannungselektrode mit Umladungseinrichtung
Ubeschl
Ionenenergie
Analysier- Magnet
q Ionenladung
8
Ionenbeschuß von Festkörpern
Kristallstruktur 3D (z.B. Nickel)
ca. 0,25 nm
Schnitt 2D (2D-Modell)
Bindungselektronen (Elektronengas)
Atomrümpfe
Oberfläche
9
Ionen-Oberflächen-Wechselwirkung
Ionenbahn im Festkörper Folge von Zweierstößen
mit den Atomrümpfen
(falls Ekin gt 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 !
10
Ionen-Bremsung und -Reichweite
10
Ge Si
Bremsung (keV/nm)
5
Elektronen
Total
Atomrümpfe
0
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) !
11
Billard - Modellversuch

d
Idealisierung Kraft zwischen
zwei Atomen (oder zwischen Ion und Atom)
2r
Billard-Modell
Harte Kugeln
0
Wechselwirkungs - Kraft
Reale Atome
Abstoßung der Atomkerne
Ruhelage
0
0 2r
Abstand d
12
Computer-Simulation von Ionenbahnen
Abstoßung der Atomkerne
Wechselwirkungs-Kraft
Zweierstoß-Näherung
0
0
Abstand
Reale Atome
Reichweite
Viele Ionenbahnen nacheinander mit verschiedenen
Stoßvorgängen (Monte-Carlo-Simulation)
Statistische Auswertung
13
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)
14
Mikroelektronik in Dresden
15
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
Shallow source/drain extension implants and
tilted halo implants
Gate oxidation, gate poly deposition, and gate
poly etch
Sidewall spacer formation
Deep source/drain implants
Salicidation
First intermetal oxide deposition
Contact hole etch, contact hole fill, metal1
deposition, and metal1 etch
16
Strahlenschäden durch atomare Stöße
0,01...10 mm
Dauer einer Stoßkaskade etwa 10-13 s
17
Ionen - Channeling
Blick in Kristallrichtung
Kristall rotiert

Größere Reichweite
Weniger Strahlenschäden
(da nur schwache Stöße mit kleinen
Winkelablenkungen)
18
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
0,01 0,1 1 10 100 1000
Ionenenergie (keV)
19
Molekulardynamische Computer-Simulation
Realistische Kräfte zwischen Atomen und Ionen
N Gitteratome
Simultane Lösung der Newtonschen
Bewegungsgleichung für alle Teilchen (i1...N1)
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 (ltlt 1 eV) anwendbar
Thermische Schwingungen können berücksichtigt
werden (Ekin? 25 meV bei Raumtemperatur)
20
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 Farbskal
a Temperatur der Atome dividiert durch die
Schmelztemperatur von Kupfer
ca. Schmelztemperatur (1357 Kelvin)
oberhalbSchmelztemperatur
21
Zerstäubung (Sputtern) für Beschichtungsprozesse
Magnetron-Sputtern
Hochfrequenz
Magnet
S
S
N
Target
Ionen
Plasma
Targetatome
Beschichtung
Substrat (z.B.Flachglas)
22
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
23
Ein Dankeschön
...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