Kein Folientitel - Physik am Samstag
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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 ! Was sind Ionen ? + - Atom . - ! Anzahl der Protonen = Ordnungszahl + 1,5...20 fm + x 30 000 1 Pikometer (pm) = 10-12 m 1 Femtometer (fm) = 10-15 m 50...300 pm - ElektronenAnlagerung - - - Geladene Atome - +++ ! +++ ! Ionisierung - Positives Ion - Negatives - +++ Ion Spezielle Ionen: - + Negatives WasserstoffIon (H-) Positives + WasserstoffIon = Proton (H+; p) ! + + ! Zweifach positives Helium-Ion = a-Teilchen (He2+; a) ! ! Wie erzeugt man Ionen ? Stoß mit schnellem Elektron - ++ + - e- ++ + - - e- - - - Gasentladungs-Plasma Elektrische Leistung e- ! ! + + Verdünntes Gas (Vakuum ca. 10-3 mbar) + + + + + + > 10 000 oC + (z.B. Mikrowelle) Temperatur der Elektronen: + fest flüssig gasförmig + Plasma: Der vierte Aggregatzustand der Materie Plasma Wie beschleunigt man Ionen ? d Vakuum < 10-3 mbar Ionenquelle Target U + - Spannungsversorgung Elektrisches Feld ! Kraft im Elektrisches Feld Kinetische Endenergie ! E U d F q E ma E kin m 2 q U 2 q: Ionenladung a: Beschleunigung m: Ionenmasse 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 IonenGeschwindigkeit 2 q U m Beispiel: Proton (H+): Ekin = 1 eV entspricht v = 13 km/s Wie bringt man Ionen ans Ziel ? Ablenkung im elektrischen Feld (Zylinderkondensator) Fzentr + V + - s - Felektr r - Gleichgewicht der Kräfte m 2 qV Felektr r s Fzentr Krümmungsradius r 2 E kin s q V Ablenkung im magnetischen Feld Fzentr N B Fmagn S Gleichgewicht der Kräfte Krümmungsradius r Fzentr m 2 Fmagn qB r r 2 mE kin 1 q B Ionen-Implantationsanlage (“Implanter”) ( ~ 20 ... 500 keV ) FORSCHUNGSZENTRUM ROSSENDORF Institut für Ionenstrahlphysik und Materialforschung Elektrostatischer “Tandem”-Beschleuniger InjektorMagnet Quelle für negative Ionen Hochspannungselektrode mit Umladungseinrichtung Ubeschl Ionenenergie AnalysierMagnet E eU beschl qeU beschl q 1 eU beschl 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) + Oberfläche Atomrümpfe Bindungselektronen (“Elektronengas”) 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: Elastische Stöße mit den Atomrümpfen (Energieübertrag Tel) ! “Reibung” an den Elektronen (Energieverlust DEinel) Keine Richtungsänderung ! ! ! DEinel ! Tel Ionen-Bremsung und -Reichweite Bremsung (keV/nm) 10 Ge+ Si 5 Total Elektronen Atomrümpfe 0 1 102 104 106 Energy (keV) Reichweite (nm) 100000 10000 Si+ 1000 SiO2 100 Ge+ SiO2 10 1 1 10 102 103 104 105 Energy (keV) ! Reichweite (nm) Energy (keV) ! ! ! Billard - Modellversuch + d Idealisierung: Kraft zwischen zwei Atomen (oder zwischen Ion und Atom) 2r Wechselwirkungs - Kraft Billard-Modell Harte Kugeln 0 Reale Atome Abstoßung der Atomkerne Ruhelage 0 0 2r Abstand d Wechselwirkungs-Kraft Computer-Simulation von Ionenbahnen ! ! Abstoßung der Atomkerne Zweierstoß-Näherung 0 0 Abstand Reale Atome Reichweite + Viele Ionenbahnen nacheinander mit verschiedenen Stoßvorgängen (“MonteCarlo-Simulation”) Statistische Auswertung Computer-Simulation von Ionenbahnen Stickstoff-Ionen eingeschossen in Eisen Energie: 1 MeV Einschuß Oberfläche + 0 0.2 0.4 0.6 Tiefe (mm) 0.8 1 Mikroelektronik in Dresden Ionen zur Halbleiter-Aktivierung p-type substrate with a thin epitaxial layer Isolation-trench etch and channel-stop implants Gate oxidation, gate poly deposition, and gate poly etch Sidewall spacer formation Salicidation Contact hole etch, contact hole fill, metal1 deposition, and metal1 etch ! ! N-well and p-well high-energy implants and anneal Trench fill, etch-back, and threshold adjust implants Shallow source/drain extension implants and tilted halo implants Deep source/drain implants First intermetal oxide deposition Strahlenschäden durch atomare Stöße ! 0,01...10 mm Dauer einer Stoßkaskade: etwa 10-13 s ! Ionen - Channeling 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 ZerstäubungsAusbeute Nz: Anzahl der zerstäubten Atome Nz Ni Yz Ni: Anzahl der einfallenden Ionen Zerstäubungsausbeute 1,5 1 0,5 0 0,01 0,1 1 10 100 Ionenenergie (keV) 1000 ! Molekulardynamische Computer-Simulation Realistische Kräfte zwischen Atomen und Ionen N Gitteratome Simultane Lösung der Newton’schen Bewegungsgleichung für alle Teilchen (i=1...N+1) mi xi Fi F ij Nachbar atome j Fij: Kraft, mit der das Nachbarato m 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 Einschußrichtung Zerstäubte Kupferatome 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 ~ S Ionen Hochfrequenz N + S + Magnet Target Plasma Targetatome Beschichtung Substrat (z.B.Flachglas) ! 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 ...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
