DE1920183C3 - Verfahren zum Beschluß eines elektrisch isolierenden Materials mit Ionen zur Zerstäubung, Dotierung oder Analyse des Materials - Google Patents
Verfahren zum Beschluß eines elektrisch isolierenden Materials mit Ionen zur Zerstäubung, Dotierung oder Analyse des MaterialsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Beschüß eines elektrisch isolierenden Materials mit Ionen zur
Zerstäubung, Dotierung oder Analyse des Materials.
Bisher wurden beim Ionenbeschuß zu spektrochemischen Analysen durch Sekundärionenemission oder zu
anderen Zwecken, wie z. B. zur Herstellung elektronischer Festkörperanordnungen durch eine Ionenimplantationstechnik
jeweils positiv geladene Beschußionen verwendet. Sehr gute Ergebnisse wurden damit
insbesondere bei der spektrochemischen Massenanalyse erzielt. Es war jedoch bisher nicht möglich, mit diesen
Verfahren isolierende Stoffe mit hinreichender Zuverlässigkeit zu behandeln. Die Oberflächen isolierender
und schlecht leitender Stoffe scheinen sich nicht nur durch die Ladungen, die von den aufprallenden Ionen
abgegeben werden, sondern auch durch den Abgang von geladenen Teilchen, die durch die Ionen aus den
Oberflächen herausgeschlagen werden, elektrisch aufzuladen. Nach einem verhältnismäßig kurzen Beschüß
laden sich die Oberflächen vieler Isolatoren so weit auf, daß der Beschußstrahl gestreut oder abgestoßen oder in
irgendeiner anderen Weise nachteilig beeinflußt wird, so daß es sogar nicht mehr möglich ist, den Austritt von
Sekundärionen festzustellen.
Es wurde bereits von S1 ο d ζ i a η in Ann. Phys. 9,
S. 591 (1964) vorgeschlagen, diese Wirkung dadurch zu
beseitigen, daß man ein Gitter aus einem leitenden Material auf die zu beschießende Oberfläche aufdampft,
so daß die Ladungen, die an die Oberfläche durch die auftreffenden Ionen abgegeben werden und die durch
den Austritt der Sekundärelektronen erzeugt werden, abgeleitet werden können, da sie lediglich eine kurze
Entfernung entlang der isolierenden Oberfläche zurückzulegen brauchen. Ein anderer Vorschlag von Hines
und W a 11 e r in J. Appl. Phys. 32, S. 202 (1961) und von
Hasseltine, Hurl but, Olsen und Smith in
J. Appl. Phys. 38, S. 4313 (1967) ging dahin, eine Elektronenquelle nahe der Oberfläche der unter
Beschüß stehenden Probe anzuordnen und diese negativ in bezug auf die Probe vorzuspannen, so daß die
Elektronen aus der Quelle zu der Probe gezogen werden, um die positive Ladung zu neutralisieren. Es
wurde festgestellt, daß diese Vorschläge in den meisten Fällen nur einen sehr geringen praktischen Nutzen
bringen.
Durch die GB-PS 10 38 220 ist es bekannt, zur Analyse ein nichtleitendes Material mit Ionen zu
beschießen und diese Ionen dabei zu einem Strahl zu bündeln. Bevor die Ionen die Probe erreichen, werden
sie neutralisiert und gegebenenfalls nicht neutralisierte Ionen aus dem Strahl entfernt, wodurch ein Strahl aus
neutralen Atomen auf die Probe auftrifft und Sekundärionen aus ihr herausschlägt. Die durch diese erzeugte
Aufladung ist durch den Beschüß mit neutralen Atomen schwächer als beim Beschüß mit positiv geladenen
Ionen. Zusätzlich kann eine Bestrahlung mit positiven Ionen durchgeführt werden, um auch die restliche
Aufladung zu kompensieren. Durch dieses Verfahren kann zwar die Zuverlässigkeit der Analyse gesteigert
werden, gleichzeitig werden aber durch zusätzliche Hilfsmittel weitere Fehlerquellen eingeführt, durch die
der Vorteil der genaueren Arbeitsweise nur beschränkt und unter erhöhtem Aufwand nutzbar ist.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren anzugeben, bei dem die Aufladung von elektrisch
isolierendem Material, das durch Ionen beschossen wird,
vermieden wird.
Diese Aufgabe wird für ein Verfahren zum Beschüß eines elektrisch isolierenden Materials mit Ionen zur
Zerstäubung, Dotierung oder Analyse des Materials erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das Material mit
negativ geladenen Ionen von einheitlicher Energie bestrahlt wird, so daß die elektrische Ladung, die dem
isolierenden Material durch die Ionen zugeführt wird, gleich groß ist wie die elektrische Ladung, die von dem
isolierenden Material durch Sekundärelektronenemissionen abgeführt wird.
Eine theoretische Erklärung der Erfindung kann bisher noch nicht gegeben werden, jedoch wird es für
wahrscheinlich gehalten, daß ihre Wirkung auf der bekannten Erscheinung beruht, daß alle Stoffe Sekundärelektronen
abgeben, wenn sie mit Ionen beschossen werden. Bei den Stoffen, die elektrisch isolierend sind, ist
die statistische Ergiebigkeit an Sekundärelektronen größer als die Zahl der auftreffenden Ionen, wenn die
Energien der Beschußionen in dem Bereich liegen, der gewöhnlich bei Mikroanalysen verwandt wird. Die
Elektronen überwiegen auch bei weitem gegenüber der Zahl der zerstäubten Ionen, und die Aufladungswirkung
auf der Oberfläche des beschossenen Stoffes scheint hauptsächlich durch die Ladungen bestimmt zu werden,
die von den auftreffenden Ionen abgegeben werden, und durch die Ladungen, die durch die Sekundärelektronen
abgeführt werden. Die Sekundärelektronen scheinen gewöhnlich eine verhältnismäßig niedrige Energie zu
haben, so daß, wenn sich die unter Beschüß stehende Oberfläche in positiver Richtung durch die gegenüber
der Zahl der ankommenden negativen Ionen in größerer Zahl abwandernden Sekundärelektronen
aufzuladen beginnt, genügend Sekundärelektronen zu der Oberfläche elektrostatisch zurückgezogen werden,
so daß sich ein Gleichgewichtszustand einstellt. Das kleine positive Potential, das am Auftreffpunkt der
Beschußionen besteht, ist unbedeutend im Vergleich zu der Beschleunigung, die den Beschußionen erteilt wird,
und die gewöhnlich im Bereich von ungefähr 1000 bis 20 000 Elektronenvolt liegt.
Somit werden durch die Verwendung negativ geladener Ionen die nachteiligen Wirkungen, die bisher
durch die elektrostatische Ladungsansammlung auf der Oberfläche der Probe auftraten, ohne zusätzliche
Hilfsmittel beseitigt. Somit kann das Verfahren vorteil-
haft beim Betrieb einer Ionenmikrosonde angewendet werden. Außerdem ist es äußerst nutzbringend bei
anderen Anwendungen, insbesondere im Zusammenhang mit der Ionenspicktechnik. Gegenwärtig zeigt sich
in der Industrie ein wachsendes Interesse an der Verwendung von Ionenimplantationstechniken zur
Herstellung elektronischer Festkörperanordnungen, wie beispielsweise aus dem Artikel »Ion Implants Forge
Tailer-Made Junctions« von Thomas Maguire in
»Electronics« 19. April 1963, Seite 26, hervorgeht Es wird angenommen, daß man durch die erfindungsgemäße
Verwendung negativ geladener Ionen leichter höhere Konzentrationen an eingepflanzten bzw. eingelagerten
Ionen in genauer definierten Bereichen erreichen kann als bei Beschüß mit positiven Ionen. >5
Ebenso kann das erfindungsgemäße Verfahren bei der Herstellung isolierender Überzüge durch Sprühtechnik
nützlich sein.
Im folgenden soll die Erfindung näher anhand der Figuren beschrieben werden, wobei 7\ir besseren
Erläuterung ein Vergleich mit der Bestrahlung eines Leiters erfolgt Es zeigt
Fig. 1 eine graphische Darstellung der Ausbeute an
sekundären Al+ Ionen aus einer Aluminiumprobe bei einem Beschüß mit positiven Sauerstoffionen, und
F i g. 2 zum Vergleich mit der Behandlung eines Leiters eine graphische Darstellung der Ausbeute an
Al+ Ionen aus einer nichtleitenden Aluminiumoxidprobe bei einem Beschüß mit negativ geladenen Sauerstoffionen.
Soweit bisher bekannt ist, erzeugt ein auf ein Material auftreffendes Ion unabhängig von seiner Ladung
dieselbe Wirkung in bezug auf Zerstäuben von Material aus der Probe und eine Freisetzung von Sekundärelektronen.
Das auftreffende Ion stellt einfach ein submikroskopisches Geschoß dar, das eine Energie
entsprechend seiner Geschwindigkeit und seiner Masse abgibt. Es scheint elektrisch entladen zu werden, wenn
es sich der Oberfläche nähert oder auf diese auftrifft. Das Vorzeichen der Ladung, die durch die auftreffenden
Ionen mitgeführt wird, scheint deshalb bei dem Beschüß von elektrisch leitenden Proben unwesentlich zu sein.
Die Zerstäubungswirkungen sind, ob die Ionen elektrisch negativ oder positiv sind, bei gleichen Strahlströmen
und Teilchenenergien im wesentlichen identisch. Es können also entweder positive oder negative Ionen
gewählt werden.
Wenn jedoch elektrisch isolierende Proben beschossen werden, werden die von den Beschußionen
mitgeführten und auf die Oberflächen der Proben aufgebrachten Ladungen dort cingefangen, und die
Wahl der Ionen mit geeigneter Ladung wird wegen der Rückwirkung dieser Oberflächenladung auf den Strahl
äußerst wichtig.
Daß durch den Beschüß von elektrisch isolierendem Material mit Ionen nach dem Verfahren gemäß der
Erfindung ähnliche Wirkungen erzielt werden wie beim Beschüß von elektrisch leitendem Material, wird durch
die F i g. 1 und 2 dargestellt
In F i g. 1 ist zunächst für einen Leiter der Austritt an sekundären positiven Aluminiumionen des Atomgewichts
27 dargestellt, die aus einer Aluminiumprobe bei einem Beschüß mit einem Strahl aus O +Ionen
(nascierendem Sauerstoff, Atomgewicht 16) bei einer Ionenmikrosonde zerstäubt wurden. Aus der Darstellung
ist ersichtlich, daß der Austritt an zerstäubten Ionen innerhalb weniger Sekunden nach dem Beginn
des Beschüsses einen relativ hohen und stabilen Wert erreicht
F i g. 2 zeigt dann für einen Isolator eine Darstellung in demselben Maßstab wie die Darstellung der Fig. 1,
und zwar die Emission von sekundären Al+Ionen aus einer Probe aus relativ reinem Aluminiumoxid (AI2O3)
bei einem Beschüß mit einem Strahl aus O~ Ionen in
demselben Instrument
In beiden Fällen betrug der Strom des Ionenstrahles ungefähr 3 χ 10~9 Ampere, wobei das Beschleunigungspotential
ungefähr 8 Kilovolt betrug, und der Ionenstrahl wurde defokussiert, so daß er eine Fläche
zwischen ungefähr 20 bis 50μπι2 bedeckte.
Aus den Darstellungen ist zu ersehen, daß der Austritt von Aluminiumionen aus dem Aluminiumoxid beim
Beschüß mit negativen Sauerstoffionen einen Verlauf zeigt, der sehr ähnlich dem Verlauf ist, der bei der
Bestrahlung von metallischem Aluminium erhalten wurde. Der Austritt an zerstäubten Ionen steigt rasch
auf ungefähr denselben relativ hohen und stabilen Wert an. Durch die Wahl negativ geladener Ionen für den
Primärstrahl werden also die Schwierigkeiten beseitigt, die bisher wegen der Ausbildung einer elektrischen
Ladung auf der Oberfläche des Isolators auftraten, denn der Effekt solcher Ladungen ist entsprechend unwesentlich
wie bei der Bestrahlung eines Leiters.
Die negativen Ionen können auf beliebige Weise hergestellt werden. Es ist zum Beispiel bekannt, daß man
negative Ionen durch geeignete Anordnung einer Ionenquelle des Typs, wie sie als Duoplasmatron
bekannt ist, in relativ großer Zahl aus einer derartigen Quelle abziehen kann.
Das Verfahren nach der Erfindung kann allgemein zum Beschüß von Stoffen, insbesondere zum Beschüß
elektrisch isolierender Stoffe, für irgendeinen gewünschten Zweck verwendet werden. Da die Art der
Substanz, die aus der beschossenen Probe zerstäubt wird, unabhängig von der elektrischen Polarität der
Beschußionen zu sein scheint, ist die Anwendung der Erfindung bei einer spektrochemischen Untersuchung
in keiner Weise durch die Wahl der zerstäubten Ionen für die Untersuchung oder durch die Verfahren
beschränkt, die zur Untersuchung der zerstäubten Ionen oder anderer Stoffe angewandt werden. Es wird somit
eine wesentliche Steigerung der Zuverlässigkeit und Genauigkeit ohne zusätzliche Hilfsmittel möglich.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
Claims (3)
1. Verfahren zum Beschüß eines elektrisch Isolierenden Materials mit Ionen zur Zerstäubung,
Dotierung oder Analyse des Materials, dadurch gekennzeichnet, daß das Material mit negativ
geladenen Ionen von einheitlicher Energie bestrahlt wird, so daß die elektrische Ladung, die dem
isolierenden Material durch die Ionen zugeführt wird, gleich groß ist wie die elektrische Ladung, die
von dem isolierenden Material durch Sekundärelektronenemission abgeführt wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als negativ geladene Ionen Sauerstoffionen
verwendet werden.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die negativen Ionen auf eine
Energie von 1000 bis 20 000 Elektronenvolt beschleunigt werden.
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