Hochauflösende Schichtanalytik mit hochenergetischen schweren Ionen

Abstract

Der Magnetspektrograph (Q3D) am ISL (Hahn-Meitner-Institut in Berlin) wurde im Rahmen dieser Arbeit für ERD-Analysen (Elastic Recoil Detection) erweitert. Die damit erreichbare Energieauflösung des Systems von dE/E = 3 . 10-4 spiegelt sich in einer hohen Tiefenauflösung der gemessenen Tiefenprofile wider. Damit können sehr dünne Schichten (1 - 100 nm) analysiert werden, d.h. das stöchiometrische Verhältnis der Konstituenten bestimmt und für jedes identifizierte Isotop (H bis S) ein Tiefenprofil der Konzentration mit einer Tiefenauflösung von ca. 1 nm (nahe der Oberfläche von Proben mit geringer Oberflächenrauhigkeit) erstellt werden. Aufgrund der hohen Energieauflösung ist die Methode auf kleinste Energieverlustvariationen sensitiv, so auch auf die Energieverlustunterschiede der Projektile in der Schicht nahe der Oberfläche, in der sich das Ladungsgleichgewicht noch nicht eingestellt hat.

Um diesen Bereich genau zu studieren, wurde eine neue Meßmethode entwickelt. Mit ihr können Umladungsprozesse und Energieverluste in Abhängigkeit vom Ein- (qi) und Ausgangsladungszustand (qf) des Projektils effektiv untersucht werden. Ein erstes Experiment mit Ne-Ionen bei 2 MeV/Nukleon in Kohlenstoff wurde erfolgreich durchgeführt und analysiert. Aus den mit dem Q3D gemessenen Ladungsverteilungen f(qf) für verschiedene, durch eine Hochspannung am Target separierte qi (6+ \- 10+) konnten die für die Umladungsprozesse relevanten Wirkungsquerschnitte (Elektroneneinfang, Ionisation, Anregung und Zerfall) extrahiert werden. Weiterhin wurden die Energieverluste der Ne-Ionen in vier unterschiedlich dicken Kohlenstoffolien in Abhängigkeit von Ein- und Ausgangsladungszustand vermessen. Mit Hilfe einer Monte-Carlo-Simulation und den gemessenen Energieverlusten für qi = qf konnten Beiträge durch Umladungsfluktuationen eliminiert werden und der spezifische Energieverlust S(q), d.h. das Abbremsvermögen eines Ne-Ions ausschließlich im Ladungszustand q, gewonnen werden. Mit diesen S(q)-Werten und über die Änderung der Ladungsverteilung mit zunehmender Schichtdicke kann somit auch die Änderung des Energieverlustes im Nichtgleichgewichtsbereich richtig beschrieben werden.

Within the scope of this work, the magnetic spectrograph Q3D at the ISL (Hahn- Meitner- Institute, Berlin) was used for ERD (Elastic Recoil Detection) analysis. The very high energy resolution of the spectrograph (dE/E = 3 . 10-4 ) leeds to an excellent depth resolution of the measured depth profiles of elements with Z = 1 - 16. With this system we are able to analyse very thin layers (1 - 100 nm), i.e. to estimate the stoichiometry and the depth profiles with a depth resolution of approx. 1 nm (near the surface of an flat sample) of all measured isotopes. As a result of the high energy resolution, the ERD method is sensitive to smallest variations of the stopping power, for example to the stopping power variation of the projectile in the very first layer near the surface, where the charge equilibrium was not yet been reached.

A novel method was developed to investigate this region, which makes it possible to measure charge changing processes and energy losses in dependence of the incoming (qi) and outgoing (qf) charge state of the projectile. A first experiment with Ne ions at an energy of 2 MeV/u penetrating through thin carbon foils has been carried out successfully. Analysing the measured charge state distributions f(qf) with the Q3D for various incident qi (6+ \- 10+), aseperated by a high voltage at the target, we were able to extract the cross sections for all relevant charge changing processes (electron capture, ionisation, excitation and decay). Further we determined the energy loss of the Ne ions in four carbon foils of various thickness depending on qi and qf. Using a Monte-Carlo Simulation and the measured energy losses for the case qi = qf, we succeeded to eliminate the influence of those ions, which have suffered some charge changing fluctuations before they left the foil with qf = qi. In this way we deduced the stopping power of the pure `frozen charge states´ S(q). With these S(q)-values and using the analysis of the charge state distributions as a function of the target thickness, the energy loss of the projectile can be described correctly even in the non-equilibrium region.